1.4. Микроструктура сварного соединения
Сварное соединение включает сварной шов, образующийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления, в которой металл при нагреве находился в твёрдо-жидком состоянии, и зону термического влияния, являющуюся частью основного металла, подвергавшегося тепловому воздействию, вызывающему изменение структуры и свойств.
Сварной шов имеет структуру литого металла, которая сформировалась в результате развития первичной и вторичной кристаллизации.
Первичной кристаллизацией называют переход металла из жидкого состояния в твёрдое, в результате чего образуются кристаллиты (зёрна). Процесс первичной кристаллизации начинается на частично оплавленных зёрнах основного металла, находящихся на дне сварочной ванны. При многослойной сварке центра-ми кристаллизации служат поверхности кристаллитов предыдущего слоя. Кристаллит, растущий от отдельного зерна на границе сплавления, представляет собой группу совместно растущих элементарных столбчатых кристаллов, сросшихся общим основанием, т. е. с оплавленным зерном основного металла. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных частиц (атомов) из окружающего расплава.
В зависимости от формы и расположения кристаллитов затвердевшего металла различают зернистую, столбчатую и дендритную структуру. При зернистой структуре зёрна не имеют определённой ориентации, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для металла шва, выполненного покрытыми электродами, при его довольно быстром охлаждении. При столбчатой и дендритной структурах зёрна вытянуты в одном направлении. В столбчатой структуре они имеют компактную форму, а в дендритной — ветвистую. Такие структуры шов имеет при медленном охлаждении - при сварке под флюсом и электрошлаковой сварке.
Направление роста кристаллов связано с интенсивностью отвода теплоты от ванны жидкого металла. Кристаллы растут перпендикулярно к границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты (рис. 1.8).
Рис.1.8. Схемы направления роста кристаллитов при кристаллизации шва: а - с глубоким проваром; б - широкого; в - электрошлакового; м.п. - медные ползуны
При сварке сталей на железной основе кристаллиты имеют аустенитную структуру, представляющую собой твердый раствор углерода в железе. При понижении температуры происходят аллотропические превращения, которые проявляются в переходе у железа, с гранецентрированной кубической решеткой, в а железо с объемно-центрированной кубической решеткой. Это сопровождается изменением строения металла вследствие появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллитов. Кристаллиты, имеющих структуру аустенита, распадаются, образуя механическую смесь почти чистого а железа (феррита) и карбида железа Ре3С (цементита). Такое явление называется вторичной кристаллизаций при перекристаллизацией.
При сварке низкоуглеродистой стали в около шовной зоне различают следующие участки: сплавления 7, перегрева 2, нормализации 3, неполной перекристаллизации 4 и рекристаллизации 5 (рис. 1.9). Далее находится основной металл, не подвергавшийся действию высоких температур.
Зона сплавления (участок неполного расплавления) непосредственно примыкает к сварному шву. На этом участке и происходит сварка. Ширина его в зависимости от источника нагрева и режима сварки составляет (ориентировочно) 0,1—0,4 мм.
Участок перегрева. На этом участке, где металл нагрет примерно от 1100 °С до температуры начала плавления основного металла, развивается крупное зерно, что приводит к образованию игольчатой (вид манштеттовой) структуры. Механические свойства на участке перегрева понижены. Ширина его составляет 1-3 мм.
Участок нормализации (перекристаллизации) охватывает часть основного металла, нагретого до 900-1100 °С. На этом участке металла создаются благоприятные условия для образования мелкозернистой вторичной структуры, вследствие чего его механические свойства обычно выше механических свойств основного металла, не подвергавшегося нормализации. Ширина участка 1,2-4 мм.
Участок неполной перекристаллизации включает металл, нагретый до 720-900 °С и подвергавшийся только частичной перекристаллизации из-за недостатка теплоты для перекристаллизации и измельчения всех зерен. Поэтому здесь наряду с довольно крупными зернами основного металла, не изменившимися при нагреве, имеются мелкие зерна, образовавшиеся в результате перекристаллизации. Механические свойства такой смешанной структуры невысоки.
Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся ранее пластическим деформациям (прокатке, ковке, наклепу), в результате которых часть зерен основного металла сплющилась и вытянулась, а часть раздробилась. На данном участке металл нагревают до 500-720 °С, что вызывает его рекристаллизацию, поскольку из обломков зерен зарождаются и растут новые зерна, размер которых значительно увеличивается. При сварке металла, не подвергавшегося пластической деформации (например, литых деталей), процесса рекристаллизации и соответствующего участка не наблюдается.
Общая ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки, мм:
Вид сварки:
ручная дуговая .................................................. 3-6
в защитных газах.............................................. 1-3
под флюсом....................................................... 2-4
электрошлаковая............................................... 11-14
газовая* ............................................................. 20-30
* При этом виде сварки ширина зоны термического влияния велика вследствие большой зоны разофева основного металла.