3.5. Влияние легирующих элементов на плавление и кристаллизацию металлов и сплавов

Металл при данной температуре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое состояние (строение) с минимумом свободной энергии F (рис. 10).

С изменением Т изменяются условия взаимодействия атомов в кристаллической решетке и свободная энергия F.

Рис. 10. Зависимость свободной энергии твердого (1) и жидкого (2) металлов от Т

С увеличением Т возрастает вероятность отрыва атомов от узлов и разрушения кристаллической решётки на отдельные блоки. Температура, при которой одновременно существует кристаллическое вещество и его расплав, называется теоретической температурой кристаллизации Тпл.

Чтобы достигнуть полного жидкого состояния необходим перегрев (Т_п). Чем больше Т_п и чем больше Т, тем меньше по размеру атомные группировки и меньше их устойчивость. Чем больше этих центров, тем более мелкозернистым окажется металл при затвердевании, то есть условия плавления оказывают влияние на последующую кристаллизацию и свойства металла.

Кристаллизация – процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании – происходит лишь при Т < Т_пл, т. е. при переохлаждении Т_к.

Температура, при которой практически начинается процесс кристаллизации, называется фактической температурой кристаллизации Т_фк.

Степенью переохлаждения называют T = Т_пл–Т_фк. Чем меньше Т_к, тем ближе к Т_пл протекает процесс и тем менее устойчивы образующиеся центры кристаллизации (ЦК). С увеличением Т_к создаются условия для образования большего числа ЦК.

Кристаллизация расплавленного металла состоит из двух элементарных одновременно протекающих процессов:

– образование зародышей (центров кристаллизации);

– рост кристаллитов из этих центров.

Основными элементами литого строения является дендрит и кристаллит. Дендрит – древовидные кристаллы со стволом и ветвями. Его рост зависит от активности теплоотвода и идет в направлении перпендикулярно плоскости теплоотвода.

При столкновении твердых поверхностей растущих осей разных порядков завершается постройка кристаллита. Потерявшие свою форму разориентированные дендриты и кристаллы называются кристаллитами.

3.5.1. Особенности кристаллизации сварочной ванны

В результате воздействия сварочного источника тепла металл расплавляется и образует сварочную ванну – металл, ограниченный изотермической поверхностью Т = Т_пл. Размер и форма ее зависят от параметров режима и вида сварки.

В процессе сварки дуга перемешается вдоль свариваемых кромок и образует подвижную сварочную ванну (рис. 11), в передней части (abc) которой происходит плавление основного и присадочного металла, а в хвостовой части (dkn) – кристаллизация металла. Средняя температура ванны составляет 1700...1850 С – для АДС и 1600...2000 °С – для РДС.

Рис. 11. Схема распределения температуры по длине L сварочной ванны

По мере продвижения дуги расплавленный металл из головной части ванны под воздействием давления дуги отбрасывается в хвостовую часть ванны, где отвод тепла в холодный основной металл преобладает над притоком. Последнее приводит к затвердению сварочной ванны, в процессе которого по границе сплавления образуются общие кристаллы.

На кристаллизацию металла сварочной ванны оказывают влияние следующие факторы:

1. Наличие в ванне центров кристаллизации в виде зерен оплавившегося основного металла на границе сплавления, карбидов и неметаллических включений.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочную ванну движущимся источником тепла, скорость движения которого определяет скорость перемещения фронта кристаллизации.

3. Малый объем и непродолжительное существование расплав-ленной сварочной ванны (1...2 мин), большие средние скорости роста кристаллов.

4. Значительный градиент температур и перегрев металла в центре сварочной ванны.

5. Интенсивное перемешивание металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

В процессе кристаллизации металла шва формируется его первичная структура, определяемая формой, размерами, взаимным расположением кристаллитов, характером дендритных образований и фазовых выделений.

В результате кристаллизации освобождается некоторая энергия – теплота кристаллизации, численно равная скрытой теплоте плавления. Эта теплота отводится через границу раздела твердой и жидкой фаз в более холодное тело, что обусловливает прерывистый характер кристаллизации.

Рост кристаллитов в сварочном шве происходит нормально к фронту кристаллизации, т. е. к изотермической поверхности кристаллизации (ИПК), соответствующей Т_пл (рис. 12). Скорость роста кристаллитов V_кр зависит от скорости сварки V (рис. 13).

Рис. 12. Схема сварочной ванны (I–I – ось кристаллита)

Рис. 13. Схема расчёта скорости кристаллизации

Вектор скорости кристаллизации направлен по нормам к изотерме кристаллизации. V_кр = AB/t, где АВ – длина закристаллизовавшегося участка; t – время кристаллизации.

Рассмотрим фигуру ABC. Так как размеры бесконечно малы, можно считать ее прямоугольным треугольником и принять АС = x. Тогда АВ = АСcos = хcos и V_кр = (x/t)cos; так как V = х/t – скорость сварки, то V_кр = Vcos.

Тип первичной структуры сплава зависит от формы роста кристаллов и условий охлаждения. Различают 3 типа первичной структуры (рис. 14): ячеистую (а), ячеисто-дендритную (б) и дендритную (в).

Рис. 14. Типы первичной структуры

Первичную структурусварного шва можно регулировать, используя различные металлургические и технологические приемы. Подавление столбчатой структуры с целью получения равноосных кристаллов в швах осуществляется:

а) введением элементов-модификаторов 1-го рода (Ti, V, Nb, Zr и др.);

б) введением модификаторов 2-го рода поверхностно-активных примесей;

в) введением элементов, образующих избыточные фазы в твердых растворах (–фазы, первичные карбиды и др.);

г) воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колебаний или вибраций, электромагнитного перемешивания металла ванны;

д) термической и термомеханической обработкой, прокаткой сварных швов.

Вторичная структура образуется в результате физико-химических процессов и структурных превращений в твердом состоянии. Важную роль в этом играют полиморфные превращения – переход одного вида кристаллической решетки в другую ().

После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кристаллизация (перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет картину кристаллического строения – возникают и растут новые зерна, появляются новые границы.

Процесс вторичной кристаллизации для сварных швов металлов с полиморфными превращениями имеет несколько аспектов:

1. В процессе охлаждения после сварки нарушается неблагоприятное строение кристаллов и возникает новая, более мелкозернистая структура.

2. Перегретую после сварки ЗТВ можно вновь сделать мелкозернистой за счет нагрева выше Т полиморфных превращений с последующим охлаждением с необходимой скоростью.

3. При сварке давлением при перекристаллизации в твердом состоянии происходит прорастание новых зерен через бывшую границу раздела и повышение качества сварных соединений.