Свариваемость материалов

лением какой-либо фазы, а с сегрегацией растворенного эле­ мента на дислокациях, образовавшихся в процессе деформа­ ции. На них образуются облака Коттрелла. При последующей пластической деформации для движения дислокаций необхо­ димо вырывание их из облаков Коттрелла. Последнее требует повышения усилий для деформирования, что и служит причиной упрочнения сплава.

Старение, вызванное предварительной пластической дефор­ мацией, называется статическим деформационным старением. Старение, развивающееся в процессе пластической деформации, называется динамическим. Условием динамического старения является определенное соотношение между скоростями дефор­ мации и диффузионным перемещением растворенных атомов. В данном случае происходит блокировка растворенными ато­ мами дислокаций, движение которых при деформировании по каким-либо причинам замедляется, что служит причиной упроч­ нения. Указанное выше соотношение устанавливается при оп­ ределенных температурах, например для низкоуглеродистой стали в диапазоне 250—400 °С. Частичное охрупчивание стали при этих температурах называется синеломкостью.

Выделение фаз характерно при отпуске закаленных на мар: тенсит углеродистых и легированных сталей. По мере нагрева стали до температур в интервале 100—700 °С происходит распад метастабильного пересыщенного «-твердого раствора с по­ следовательным выделением е-карбида (вероятно РегС) и це­ ментита Fe3C. Повышение температуры отпуска приводит к ко­ агуляции и сфероидизации карбидов. При температурах, близ­ ких к Ас\, образуется грубая ферритно-карбйдная структура. При нагреве сплавов в виде смеси фаз выше температуры, при которой концентрация растворенного элемента становится меньше предела растворимости, происходит фазовое превраще­ ние, заключающееся в растворении избыточной фазы. Этим пре­ вращениям подвержены сплавы с переменной ограниченной рас­ творимостью, образующие при высоких температурах ненасы­ щенные твердые растворы. На температуру и интенсивность растворения оказывают влияние размеры и форма частиц избы­ точной фазы. Чем дисперснее частицы, чем больше радиус кри­ визны поверхности частиц, тем быстрее они растворяются. Пло­ ские иглообразные частицы растворяются скорее, чем сфериче­ ские. В условиях ускоренного нагрева, например при сварке, температуры начала и конца растворения существенно повы­ шаются.

5.4. Структурные превращения

Основными структурными превращениями в металлах в про­ цессе нагрева и охлаждения при сварке являются: 1) образова­ ние границ зерен; 2) выравнивание границ зерен и их рост;

четкой тонкой линии шириной ~ 10-1 мкм, т. е. на два порядка меньшей, чем ширина зон срастания. Эффект травления границ связан со скоплением примесей в результате процесса их сегре­ гации в приграничных зонах с искаженной решеткой. В случае малого количества примесей в металле или быстрого охлажде­ ния, когда диффузионный процесс сегрегации не успевает про­ изойти, эффект травления ослабевает или исчезает полностью. На свободной поверхности, чистой от оксидов, границы зерен выявляются в виде канавок термического травления. Канавки образуются в результате местной пластической деформации, вызванной уравновешиванием сил граничного и поверхностного натяжения. Термическое травление не связано с Сегрегацией примесей, поэтому оно выявляет границы в низколегированных сплавах и чистых металлах, а также в случае больших скоро­ стей охлаждения после затвердевания литого металла. В про­ цессе охлаждения положение границ зерен, как правило, изме­ няется в результате процесса их миграции. После завершения охлаждения в большинстве случаев границы не совпадают с зо­ нами срастания первичных кристаллитов (рис. 5.8).

5.4.2. Рост зерен

Рост зерен связан со стремлением системы к более равновес­ ному состоянию с меньшей свободной энергией. В соответствии с этим в литом металле шва после завершения кристалли­ зации и в металле ЗТВ при нагреве происходят изменения в по­ ложении границ зерен, приводящие к снижению их поверхност­ ной энергии. Последнее достигается за счет уменьшения сум­ марной поверхности зерен. Она уменьшается в результате выравнивания волнистых участков на границах и уменьшения количества зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 5.9). Этот процесс называется собирательной или вторичной рекристалли­ зацией. Рекристаллизация реализуется в результате смещения или миграции отдельных участков или полностью границ зерен.

Степень миграции границ зерен определяется движущими силами миграции, подвижностью границ и временем пребыва­ ния металла в области температур высокой диффузионной под­ вижностью атомов. Движущая сила миграции определяется раз­ ницей свободных энергий границ в данном неравновесном и рав­ новесном (после полного завершения миграции) состояниях. При прочих равных условиях движущая сила зависит главным образом от конфигурации граничных поверхностей, характери­ зуемой количеством участков с повышенной кривизной в макро- и микроскопическом плане. Движущая сила на отдельных участках границы пропорциональна их суммарной кривизне l//?i + l/R2, где R\ и /?2 — радиусы кривизны в двух взаимопер­

пендикулярных направлениях. Мигрирующая граница движется обычно к центру максимальной кривизны-(рис. 5.9).

Подвижность границ является функцией строения границ, а также концентрации на них примесей. По современным пред­ ставлениям, миграция границ происходит в результате элемен­ тарных актов переноса единичных атомов через границу. Миг­ рация границ является термически активируемым процессом. Для перехода от одного зерна к другому атом должен обла­ дать некоторым избытком энергии, т. е. энергией активации. При этом частота перехода атомов, а следовательно, и ско­ рость миграции -увеличиваются с повышением температуры.

Близость энергии активации миграции к энергии активации самодиффузионных процессов свидетельствует о том, что миг­ рация границ контролируется направленным перемещением ва­ кансий. Другими словами движение границы представляет процесс обмена атомов и вакансий (рис. 5.10). По мере разориентации границы и увеличения степени искажения решеток в Приграничных зонах доля энергии активации, связанная с об­ разованием и перемещением вакансий, будет уменьшаться. Об­ щая энергия активации миграции будет приближаться к энер­ гии активации самодиффузий по границам. В соответствии с этим большеугловые границы более подвижны, чем малоугло­ вые. В условиях неравномерного распределения температуры, например при сварке, отмечают, что наиболее интенсивная ми­ грация границ происходит в направлении тепловых потоков. ЭпГ вероятно, обусловлено направленным потоком вакансий от

в чистых металлах. При переходе от чистых металлов к слабым растворам (содержание примесей менее 0,001 %) скорость

миграции резко уменьшается. При больших концентрациях при­ меси перестают существенно влиять на дальнейшее уменьшение скорости движения границ.

Существенное торможение движущихся границ имеет место при наличии нерастворимых примесей, частиц второй фазы или неметаллических включений. При приближении границы к ча­ стицам между ними возникают силы притяжения, в результате чего радиус кривизны соответствующего участка границы изме­ няет свое направление (рис. 5.11). Это уменьшает общую дви­ жущую силу границы, что приводит к понижению скорости ее

изменение размера и формы зерен имеют свои специфические особенности. В этом случае получает развитие процесс рекри­ сталлизации обработки или первичной рекристаллизации. Дви­ жущей силой процесса является накопленная при пластической

При этом свободная энергия рекристаллизованного металла становится меньше, чем деформированного, вследствие умень­ шения плотности дислокаций (до 106—10® см-2). Процесс со­ стоит из образования зародышей новых зерен и их роста. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия де­ формации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ. Поэтому рекристаллизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их количе ства по сравнениню с деформированным металлом.

Рекристаллизация начинается при нагреве свыше темпера­ туры рекристаллизации Тр, составляющей 0АТпл К, т. е. когда становится заметной скорость самодиффузии. Процесс является термически активированным. Поэтому процесс получает разви­ тие в металле, претерпевшем определенную критическую пла­ стическую деформацию (около 5—10%), т. е. после накопле­ ния в металле некоторого минимума энергии. С увеличением степени деформации снижается энергия активации рекристал­ лизации и несколько понижается Тр. Это приводит к увеличе­ нию скорости рекристаллизации.

5.4.3. Перераспределение примесей.

Перераспределение примесей происходит в период их пребыва­ ния в температурных областях, когда имеет место заметная диф­ фузионная подвижность этих элементов. При этом возможны два противоположных процесса: выравнивание концентрации элементов по объему — гомогенизация или их накопление на отдельных структурных составляющих, границах зерен и скоп­ лениях дефектов кристаллической решетки — сегрегация. Гомо­ генизация приводит к устранению микрохимической неоднород­ ности (МНХ), возникшей при первичной кристаллизации сплавов.

Для двухкомпонентных сплавов движущей силой выравни­ вающей диффузии является градиент концентрации, а ее ско­ рость пропорциональна коэффициенту диффузии .растворен­ ного элемента. Заметное развитие гомогенизация получает в об­ ласти температур свыше О.вГпл К как в процессе нагрева, так и охлаждения. Скорость гомогенизации резко возрастает с по­ вышением температур и временем пребывания при них. По мере развития гомогенизации ее скорость постепенно затухает, поскольку уменьшается градиент концентрации. Процесс гомо­ генизации получает существенное развитие при сварке в ОШЗ сварных соединений.

В многокомпонентных системах, какими являются современ­ ные технические сплавы, движущей силой диффузионного пере­ распределения элементов является не градиент концентраций, а градиент его химического потенциала. Последний определяет изменения свободной энергии локального объема твердого рас­ твора или фазы данного состава при добавлении одного моля диффундирующего элемента. В свою очередь химический по­ тенциал будет зависеть от термодинамической активности эле­ мента, определяемой его концентрацией и взаимодействием с другими элементами, находящимися в растворе. Одни из них могут повышать, другие — понижать активность диффундирую­ щего элемента. Диффузия элемента идет от зон, где его актив­ ность выше, в зоны, где она ниже. В этом случае возможна

так называемая восходящая диффузия, при которой поток эле­ мента направлен против градиента концентраций, т. е. в сто­ рону ее увеличения. При этом на первом этапе пребывания сплава при высоких температурах возможно усиление МХН некоторых элементов, а затем, после перераспределения других элементов,— его выравнивание по объему.

Сегрегация обусловлена перераспределением элементов между объемом зерен и их границами, имеет сложный харак­ тер и зависит от температуры. Для двухкомпонентных твердых

Рис. 5.12. Схема развития неравновесной сегрегации примесей на границах зерен при нагреве (а) и охлаждении (б):

к уменьшению энергии упругих искажений решетки при перс ходе растворенных элементов из зон зерна, не имеющих дефек­ тов кристаллического строения, в зоны скопления несовершенств строения решетки, которыми в первую очередь являются гра­ ницы зерен. Предельное развитие процесса — образование так называемой равновесной сегрегации элементов на границах зерен, которая оценивается отношением равновесных концент раций элементов на границе сг.р и в объеме зерна с3. Согласно теоретическим представлениям сг.р возрастает по мере сниже­ ния температуры (рис. 5.12). В условиях нагрева или охлаж­ дения при сварке действительная или неравновесная сегрега­ ция на границах сг.„ начинает развиваться при температурах выше температуры заметной диффузионной подвижности рас творенного элемента Тд. По мере повышения температуры ст.» будет возрастать вплоть до достижения сг. Р. Интенсивность

изменений сР.н и степень приближения ее к сг. р будут тем больше, чем больше коэффициент диффузии растворенного эле­ мента и меньше скорости нагрева и охлаждения. При дальней­ шем возрастаний температуры сг.„ будет снижаться, согласуясь с зависимостью изменения сг. р от температуры. Начнется про­ цесс «рассасывания» сегрегата на границах, т. ё. гомогенизация, помимо внутренних объемов зерна, распространится на пригра­ ничные области. При охлаждении процесс развивается в сто­ рону повышения сг.„ до достижения сг. р. Концентрация приме­ сей на границах может также уменьшаться в результате ми­ грации границ при росте зерен, если она сопровождается термическим отделением границы от примеси.

При нагреве участка ОШЗ около линии сплавления свыше температуры неравномерного солидуса 7С.Н происходит оплав­ ление приграничных участков зерен. Если растворенный элемент понижает температуру плавления сплава, то сегрегация его на границах приводят к более раннему расплавлению пригранич­ ных участков при Тс.а < Т с (равновесного солидуса). При этом границы зерен как поверхности раздела исчезают. Появление жидкой фазы приводит к появлению нового «ликвационного» механизма перераспределения растворенного элемента между твердым телом зерна и оплавленными приграничными участ­ ками. Он подобен ликвационному механизму образования меж­ дендритной МХН при первичной кристаллизации. Более высокая растворимость легирующих элементов и примесей в жидком металле обусловливает насыщение ими оплавленных участков в результате направленной диффузии из твердой в жидкую фазу до концентрации сг.0- Степени МХН в данном случае со­ измеримы с МХН в литом металле.

5.4.4. Перераспределение дефектов кристаллической решетки

В металле, находящемся в неравновесном состоянии после бы­ строго охлаждения с высоких температур (сварка, закалка) или холодной пластической деформации (основной металл), ха­ рактерна высокая плотность дефектов кристаллического строе­ ния решетки: вакансий, дислокаций, межузельных атомов и др. Плотность дислокаций изменяется в широких пределах — от Ю8 см-2 У отожженного металла до 1012 см-2 у металла после закалки или большой степени деформации. Дислокации обра­ зуют замкнутые сплетения, которые разделяют металл на от­ дельные ячейки размером порядка одного микрона. Внутри ячеек плотность дислокации сравнительно не велика. Повы­ шение общей плотности дефектов в металле приводит к повы­ шению прочностных свойств (наклеп после холодной деформа­ ции)1 и изменению некоторых физических свойств, например к увеличению электросопротивления.

При нагреве металла с неравновесной концентрацией де­ фектов кристаллической решетки свыше температуры Тв« « 0 ,2 Тпл К (Тпл — температура плавления) в нем развиваются процесы возврата. Первая его стадия, протекающая без изме­ нения ячеистой структуры, называется отдыхом, вторая — свя­ занная с формированием и миграцией малоугловых границ — полигонизацией.

При отдыхе наиболее важным процессом является уменьше­ ние избыточной концентрации вакансий (от св.н до св. Р). Ва­ кансии мигрируют к дислокациям, границам зерен и внешним поверхностям и там аннигилируют. Межузельные атомы ан­ нигилируют на краевых дислокациях и при встрече с ваканси­ ями. Скорость отдыха зависит от энергии активации самодиффузии и температуры. При одинаковых относительно Твя темпе­ ратурах (так называемых гомологических 0 = 7’/7’пл) скорость отдыха у разных металлов примерно одинакова. При этом аб­ солютные температуры сильно отличаются. Так, при комнатной температуре избыточные вакансии полностью исчезают у неклепанного алюминия, частично —у меди. Для начала движения вакансий у никеля требуется нагрев до 370 К, а у железа до 420—470 К. Другими процессами при отдыхе являются частич­ ная перегруппировка дислокаций и аннигиляция дислокаций разного знака. Результатом отдыха является восстановление таких физических свойств, как электросопротивление, а также смягчение пиков внутренних микронапряжений.

Полигонизация — процесс образования субзерен, разделен­ ных малоугловыми границами. Полигонизация является разви­ тием возникшей при пластической деформации ячеистой струк­ туры. Размытые, объемные сплетения дислокаций вокруг ячеек становятся более узкими и плоскими и превращаются в суб­ границы, ячейки и субзерна. Процесс развивается при темпера­ турах более высоких, чем температуры отдыха. Тело субзерен практически очищается от дислокаций. Решетки соседних суб­ зерен получают небольшую взаимную разориентировку (до не­ скольких градусов). При продолжительной выдержке и повы­ шении температуры происходит укрупнение (коалесценция) субзерен, так как при этом снижается энергия субграниц.

Глава 6. СВАРИВАЕМОСТЬ И ЕЕ ПОКАЗАТЕЛИ

(Макаров Э. Л., Якушин Б. Ф.)

6.1. Понятие свариваемости

6.1.1. Физическая и технологическая свариваемость

В сварочной практике понятие свариваемости имеет несколько аспектов. Первоначально использовались понятия физической и технологической свариваемости [1]. Первое характеризовало

принципиальную возМ°жность получения монолитных сварных соединений и главны^ образом относилось к разнородным ма­ териалам. Второе рассматривалось как свойство материалов, характеризующее их реакцию на сварочный термодеформацион­ ный цикл. Степень этой реакции оценивалась по отношению отдельных механичес,<их свойств металла сварных соединений к одноименным свойствам основного металла (например, твер­ дости, ударной вязкости и др.).

Понятие технологической свариваемости, или просто свари­ ваемости, часто используется в лабораторной практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых ма­ териалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий.

В настоящее время получил широкое применение приклад­ ной аспект понятия свариваемости материалов, учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций [2, 3]. Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001—84: «свариваемость — свойство металлов или со­ четания металлов образ°вывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия».

6.1.2. Факторы, определяющие свариваемость

Исходя из вышеприведенного определения, свариваемость за­ висит с одной стороны от материала, технологии сварки, кон­ структивного оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной .конструкции.

Эксплуатационные свойства сварных конструкций опреде­ ляются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или комплекс свойств в зависи­ мости от назначения конструкции. Если требования к эксплуа­ тационным свойствам сварных соединений с принятыми допу­ щениями удовлетворяются, то свариваемость материалов счи­ тается достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала счи­ тается недостаточной. Следует отметить, что при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть раз­ лично оценена от назначения изделия.

6.1.3. Степени свариваемости

В сварочной практике традиционно принято различать не­ сколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удо­ влетворительная, ограниченная и плохая [4]. Однако четко не определены признаки, характеризующие ту или иную степень свариваемости. По одной из классификаций они подразделя­ ются по следующим признакам.