5. Металургійні методи регулювання первинної структури зварних швів

Первинна структура металу шва дуже впливає на технологічні й механічні властивості зварного з'єднання, особливо в тих випадках, коли наплавлений метал не зазнає поліморфних перетворень в твердому стані, і його структуру неможливо виправити термічною

обробкою. З метою підвищення технологічної міцності й пластичності зварних з'єднань необхідно стримувати утворення в металі шва структури з грубими стовпчастими кристалітами. Для цього рекомендуються слідуючі засоби:

1. Введення в зварювальну ванну модифікаторів у вигляді твердих частинок тугоплавких металів або ж сполук (В, Ті, V, N6, Се, 2г), які створюють додаткові центри кристалізації.

2. Введення в зварювальну ванну модифікаторів, які не утворюють твердих частинок, але являються поверхнево-активними. Атоми таких елементів (наприклад, 8г) адсорбуються на поверхні зростаючих зародків металу шва і зменшують їх поверхневу енергію, що уповільнює зростання кристалів.

3. Введення в метал шва в достатніх концентраціях елементів, які сприяють утворенню високотемпературних надлишкових фаз. Ці фази кристалізуються із рідкого розчину першими і перешкоджають безперервному зростанню стовпчастих кристалів.

4. Вплив на зварювальну ванну ультразвуковими коливаннями, механічними вібраціями або ж електромагнітним перемішуванням металу ванни.

5. Підвищення швидкості наплавлення та охолодження. Але цей спосіб не завжди може бути використаний, тому що підсилюється небезпека виникнення гарячих і холодних тріщин.

Запитання для самоперевірки

1. Що таке первинна кристалізація зварних швів?

2. В чому полягають особливості умов кристалізації металу зварювальної ванни?

3. Які причини утворення шаруватості зварних швів і як впливає швидкість омолодження при зварюванні на її проявлення?

4. Що таке ліквація в металі шва? Назвіть її види.

5. Які причини виникнення дендритної ліквації в зварних швах?

6. Чому в зварних швах спостерігається утворення і ріст стовпчастих кристалів?

7. В яких випадках утворюються гарячі тріщини?

X. Які впроваджують методи регулювання первинної кристалізації швів з метою одержання дрібнозернистої структури без забруднень?

1. Залізо

Залізо вважають фундаментом сучасної цивілізцїї. Сплави на основі заліза - сталі й чавуни являються найважливішими металічними матеріалами і основою всієї машинної техніки і будівництва. Без перебільшення можна стверджувати, що науково-технічний прогрес був би неможливим без заліза і сталі.

Потреба промисловості в залізі і сталі росте дуже швидко. Якщо світове виробництво сталі в рік у 1800 році не набагато перевищувало 100000 т., то в 1900 році воно складало близько 7 млн. т., а в кінці XX століття виробництво сталі в рік збільшилось до міліарда тон.

Жодний інший метал за своїми механічними, фізико-хіміч- ними й технологічними властивостями не може зайняти місце заліза і його сплавів. Залізо - друг людини і великий трудівник. В організмі людини повинно завжди бути біля трьох грамів заліза, без яких її життя стає неможливим. Існують гіпотези, за якими стверджують, що ядро земної кулі складається із заліза і нікелю, і ці елементи були первинними. Потім вже на поверхні Землі з'явились окисли, сульфіди, силікати, і сучасна металургія займається видобутком заліза із руд.

Чисте залізо представляє собою серебристо-сірий блискучий метал. Воно являється двадцять шостим елементом в періодичній системі Менделєєва (таблиця 1) і належить до першої перехідної групи. В умовах атмосферного тиску залізо плавиться при температурі 1539°С; густина його - 7,684 г/см³; атомна маса - 55,85; атомний радіус - 0,127 нм. В твердому стані в залежності від температури залізо може існувати в двох модифікаціях (а або у), тобто при певних температурах воно зазнає поліморфні (алотропічні) перетворення. На рис. 125 зображена крива охолодження чистого заліза, з якої видно, що його кристалізація і перекристалізація відбуваються при постійних температурах. Спочатку при 1539°С утворюється високотемпературне залізо Ре_а (раніше його називали Ь-Ре), яке має об'ємно-центровану кубічну решітку (ОЦК) з періодом «=0,28606 нм. При 1392°С а-залізо перекристалізовується у у-залізо (Ре_у) з гране- центрованою кубічною решіткою (ГЦК) і періодом а = 0,3645 нм.

Ре_у існує при охолодженні до температури 911 °С, тобто приблизно в температурному інтервалі 500°С. При 911°С Ре_у перетворюється в Ре_а з ОЦК-решіткою, яка не змінюється при подальшому охолодженні до низьких температур.

П

Рис. 125. Крива охолодження чистого заліза.

еретворення а <-*■ у являється фазовим переходом, і температури, при яких воно відбувається, називаються критичними точками (Ат, і А4).

При температурі 768°С (відомій як точка Кюрі) а-залізо зазнає магнітного перетворення: вище 768°С Ре_а - немагнітне, а нижче цієї іемператури воно набуває магнітних властивостей. Магнітне пере- пюренпя є таким фазовим переходом, коли кристалічна решітка не змінюється, і на кривій охолодження немає температурної зупинки. Точку Кюрі часто називають критичною точкою Лі.

Поліморфізм заліза пояснюють впливом енергетичного фактора, який залежить від зміни атомної і електронної теплоємності модифікацій.

В таблиці 5 приведені кристалографічні характеристики алотропічних форм заліза.

Характеристики	а- залізо	у-залізо	5-залізо (високотемпературне а- залізо)
Тип решітки	ОЦК	ГЦК	ОЦК
Період решітки, НМ	0,28606 при 20°С	0,3645 при 950°С	0,293 при 1425°С
Атомний діаметр, НМ	0,254
Магнітні властивості	магнітне нижче 768°С	немагнітне	немагнітне

Таблиця 5. Кристалографічні характеристики різних алотропічних форм заліза

4-

Властивості заліза залежать від його чистоти. В наш час технічні сорти заліза містять 0,1-0,2% домішок (99,8-99,9% Ре), а надчисті <0,01% домішок (наприклад, залізо з 99,999% Ре). Розглянемо, як впливає чистота заліза на його міцність і пластичність:

Характеристики	о0.2, МПа	ов, МПа	8, %	ер, %
Технічно чисте залізо	120	250	50	80
Надчисте залізо	25	50	100	100

Залізо має велику спорідненість до кисню, вуглецю, азоту, сірки, фосфору та інших елементів. З металами залізо утворює тверді розчини заміщення, а з неметалами (С, N. В, Н ) - тверді розчини проникнення.