12. Этапы затвердевания сварочной ванны.
Форма сварочной ванны характеризуется длиной, шириной, толщиной и глубиной проплавленного металла. При удаление источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства начинает преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над притоком теплоты и начинается затвердевание-кристаллизация сварочной ванны. В процессе кристаллизации по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что обеспечивает монолитность соединения. При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся выровнять состав различных участков образовавшихся кристаллитов. В металле сварных швов наблюдается также химическая неоднородность. ,физическая неоднородность оказывает заметное влияние на стойкость сварного шва против перехода в хрупкое состояние, против межкристаллитной коррозии и на другие свойства.
Первичная кристаллизация начинается от частичного оплавленных зерен основного металла. Видимая граница между металлами исчезает. Условную поверхность раздела основного металла между зернами основного металла и кристаллитами шва именуют границей сплавления.
Для металлов и сплавов претерпевающие при охлаждении аллотропические превращения ( славы железа с углеродом ) первичная структура сохраняется до температуры аллотропического превращения. Переход металла шва из аллотропического состояние в другое, происходящей в твердом состоянии - называется вторичной кристаллизацией и называется вторичной структурой, которая зависит от хим. Состава и термического цикла и другие причины.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в твёрдое называется первичной кристаллизацией, а образовавшуюся при этом структуру – первичной структурой.
Затвердевание жидкого металла – рост кристаллитов, в результате присоединения к их поверхности отдельных атомов из окружающего расплава.
Кристаллит – кристалл неправильной формы.
Типы и этапы затвердевания.
Различают 3 типа затвердевания:
1.Нормальное затвердевание.
О
бъём
жидкой фазы и температура нагрева
непрерывно уменьшаются. Состав жидкой
и твёрдой фазы как правило одинаков.
Пример:
Затвердевание жидкой сварочной ванны
после выключения источника тепла.
2
.Направленное
затвердевание.
Объём жидкой фазы непрерывно уменьшается. Температура и тепло постоянны. Состав жидкой и твёрдой фазы различен. Пример: диффузионная сварка и пайка.
3.Зонное затвердевание.
Р
асплавляется
часть объёма металла (зона движется). С
одного конца плавление, с другого –
затвердевание. Состав жидкой и твёрдой
фазы одинаков. Объём жидкого металла и
температура остаются неизменными.
Затвердевание происходит в 3 этапа:
Переохлаждение расплава.
Образование центров кристаллизации.
Рост центров кристаллизации и образование кристаллов.
13. Образование первичных кристаллитов. Скорости затвердевания и кристаллизации.
Процесс кристаллизации заключается в образовании кристаллитов (или зерен) в металлах или в их сплавах. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.
Первичная кристаллизация — образование зерен при переходе металлов или сплавов из жидкого состояния в твердое. В затвердевших металлах или сплавах, обладающих полиморфизмом (например, в стали), первичная структура изменяется.
Изменение формы зерен при полиморфных превращениях, происходящих в твердом теле, называют вторичной кристаллизацией.
Условия протекания процесса первичной кристаллизации в значительной степени определяют свойства литого металла и, в частности, металла сварного шва. Кристаллизация металла сварочной ванны отличается от кристаллизации слитка по следующим причинам: сварочная ванна находится одновременно под воздействием нагрева сварочной дугой и охлаждения со стороны твердого металла; жидкий металл ванны, соприкасаясь с более холодным основным металлом, очень быстро охлаждается; жидкий металл сварочной ванны окружен твердым металлом свариваемого изделия, нагретым до различных температур; средняя скорость кристаллизации металла шва равна скорости перемещения ванны, т. е. скорости сварки.
Процесс затвердевания наплавленного металла, или процесс первичной кристаллизации, слагается из двух явлений: зарождения центров кристаллизации и роста зерен. В зависимости от формы и расположения зерен затвердевшего металла различают следующие виды структуры: гранулярную, столбчатую, дендритную.
Гранулярной называют такую структуру, в которой зерна дезориентированы и имеют приблизительно равно осную по всем направлениям форму (рис. 5,6), близкую к форме правильного многоугольника. Гранулярная структура может быть крупнозернистой и мелкозернистой.
Наиболее благоприятной структурой в отношении механических свойств является гранулярная мелкозернистая структура.
Столбчатая и дендритная структуры характеризуются вытянутостью зерен в одном направлении. В столбчатой структуре зерна имеют компактную форму, а в дендритной — ветвистую, елочную (рис. 5,а ив).
Количество отдельных зерен в затвердевшем полностью металле, их форма и расположение зависят от следующих причин: места зарождения центров кристаллизации; скорости зарождения центров кристаллизации и роста зерен; скорости убывания запаса тепла и направления, в котором происходит это убывание; наличия в жидком металле твердых посторонних частиц. При достаточно медленном охлаждении центры кристаллизации возникают более или менее равномерно по всему объему расплавленного металла и зерна растут во все стороны.
В условиях сварки при быстром одностороннем отводе тепла в основной металл центры кристаллизации зарождаются прежде всего на поверхности более интенсивного охлаждения. Зерна начинают быстро расти в направлении, нормальном к тем элементарным площадкам, на которых они образуются. Поэтому в первый момент появится весьма большое количество зерен с неопределенной ориентировкой. Но вскоре в силу соприкосновения граней соседних зерен рост тех из них, которые расположены менее выгодно, прекращается. Далее продолжают расти только зерна, которые имеют нормальное расположение относительно границы между сварочной ванной и основным металлом.
При дуговой и газовой сварке поверхность шва имеет своеобразный чешуйчатый вид.
Чешуйчатое строение поверхности шва связано с внутренним строением его металла. Процесс кристаллизации металла шва можно представить как периодическое, в форме волн, поступление жидкого металла из ванночки и его быстрое затвердевание (рис. 8).
Поскольку происходит непрерывный процесс плавления металла (основного и присадочного), постольку, очевидно, происходит непрерывный процесс его затвердевания — кристаллизация.
Центрами кристаллизации в этом случае являются оконечности дендритов, выросших в затвердевшем металле. Дендриты возникают сначала на базе зерен основного металла и растут в пределах одной волны металла. Процесс кристаллизации металла шва можно рассматривать и как процесс взаимной кристаллизации металла отдельных волн.
Первичная кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер. После начала кристаллизации через некоторое время происходит задержка в росте кристаллитов в связи с выделением скрытой теплоты плавления металла. По мере отвода теплоты процесс роста вновь убыстряется до следующей задержки. Так повторяется до полного затвердевания всей ванны. В результате этого сварные швы имеют характерное слоистое строение (рис. 2). Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от десятых долей от нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя являются продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой.
. Кристаллиты, растущие на оплавленных зёрнах основного металла, образуют первый фронт затвердевания. Эти кристаллы называются эпитаксиальными, т.е. унаследованные, т.к. их ориентировка в начале роста сохраняется такой же как и у зёрен затравки. Рост таких кристаллитов называется эпитаксиальным ростом.
Начиная расти в направлении, заданном зёрнами затравки, эпитаксиальные кристаллы стремятся продолжать свой рост в направлении максимального теплового потока. Это направление наиболее энергетически выгодное, т.к. по закону Фурье максимальный поток всегда направлен по нормали к изотерме, т.е. эпитаксиальные кристаллы будут расти ортогонально первому фронту затвердевания.
Максимальное переохлаждения создаётся на некотором расстоянии от фронта затвердевания. Если максимальное переохлаждение достигнет некоторого критического значения, то в этой зоне начинают образовываться гетерогенные зародыши. Кристаллы, растущие на этих зародышах, ориентированы произвольно в пространстве. Такие кристаллы называют автономными, а их рост – автономным ростом. Линия, ограничивающая область автономного роста, называется вторым фронтом затвердевания.
Скорости затвердевания и кристаллизации.
Скорость затвердевания Vз – скорость движения точек межфазной поверхности.
Скорость кристаллизации Vк – скорость роста эпитаксиальных кристаллов.
a0 – угол между нормалью к фронту затвердевания и направлением скорости сварки;
Da - угол отклонения направления роста кристаллизации от ортогонального.
Точка A:
Если Da = 0, направление роста кристаллов совпадает с направлением затвердевания.
Vк = Vз
На линии сплавления a0 = 90°.
Vк = 0 Vз = 0
Во всех остальных случаях Vк > Vз.
Точка В:
На оси шва a0 = 0
Vз = Vсв
Если Da > 0, но Da < 90, то Vк > Vсв.