4 Плавление и кристаллизация сплавов и металла сварочной ванны

При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва связано с условиями образования сварочной ванны и перехода из жидкого состояния в твердое. Во многом образование сварочной ванны и ее кристаллизация зависят от технологии сварки, однако существуют общие закономерности плавления и кристаллизации, имеющие большое значение для образования металла шва.

4.1 Плавление металлов, сварочная ванна

Металл в твердом состоянии при данной температуре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое кристаллическое (атомное) строение с минимумом свободной энергии F.

Нагрев или охлаждение изменяют энергетическое состояние атомов, т.е. амплитуду колебаний атомов (отклонения от узловых положений). Это может привести к изменению их взаимного расположения, которое при данной температуре будет соответствовать минимуму свободной энергии системы атомов при изменившемся энергетическом состоянии. Свободная энергия любой системы атомов с повышением температуры уменьшается с определенной скоростью. Поэтому, если свободная энергия системы γ атомов при температуре ниже Т₁ (рис. 7) больше свободной энергии системы α атомов, а при температуре выше Т₁ – наоборот, то модификация системы α будет устойчивой ниже температуры Т₁, а системы γ – выше этой температуры.

Однако до определенной температуры нагреваемый металл остается кристаллическим телом с тем или иным расположением атомов в кристаллической решетке. Повышение температуры будет приводить к дальнейшему изменению энергетического состояния атомов, возрастут вероятность их отрыва от узлов и вероятность разрушения кристаллического комплекса на отдельные колонии.

В этот период энергетическое состояние металла приближается к энергетическому состоянию расплава, поэтому при достижении определенной температуры свободная энергия жидкости станет ниже свободной энергии даже высокотемпературной модификации кристаллического тела (см. рис. 7). При температуре Т₂ могут сосуществовать твердое кристаллическое вещество и его расплав.

1 – α-Fe; 2 – γ-Fe; 3 –- жидкость

Рисунок 7 – Изменение свободной энергии F кристаллического вещества

и его расплава при повышении температуры

Чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, нужен некоторый перегрев на величину ΔТ_п (разница в свободной энергии Δf_п). В жидком состоянии металл сохраняет кристаллическую решетку, но с сильно возросшим числом вакансий. Доказательством этого служит то обстоятельство, что при переходе из твердого состояния в жидкое плотность большинства металлов изменяется всего на 3 %. Этой величиной и оценивается доля вакансий у жидкого металла, в то же время у твердого она составляет ~0,1 %.

Такое представление о строении жидкого металла справедливо при небольших степенях перегрева. При увеличении перегрева цельность металлической решетки должна нарушаться, на отдельных участках могут сохраняться группировки относительно закономерно построенных атомов. Эти группировки в силу энергетических условий не могут быть устойчивыми, поэтому систематически будет происходить их разрушение в одном месте и образование в другом. Размер и устойчивость этих группировок должны зависеть от степени отклонения от равновесных энергетических условий – от равновесной температуры плавления. Чем больше это отклонение и чем выше температура перегрева ΔТ_п, тем меньше размер группировок атомов и тем ниже их устойчивость.

Такие группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении ниже равновесной температуры Т₂ они станут элементами для надстройки новых атомных слоев и образования кристаллов, т.е. естественными центрами самопроизвольной кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем крупнее кристаллы при переходе из жидкого состояния в твердое.

Таким образом, условия плавления металлов влияют на процесс последующей кристаллизации и на свойства металла сварного шва.

По температуре и продолжительности существования расплавленного металла в сварочной ванне при различных видах сварки можно судить о поведении различных включений в стали и их влиянии на кристаллизацию.

Средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке составляет 1600…1900 ⁰С, в ванне под дугой – доходит до 2300 ⁰С, однако продолжительность пребывания ванны при этой температуре слишком мала, чтобы обеспечить растворение тугоплавких примесей. К началу кристаллизации в сварочной ванне из-за большого перегрева остается мало естественных центров кристаллизации в виде сохранившихся группировок атомов, но неизбежно наличие искусственных зародышей кристаллизации, природа и число которых зависят от состава свариваемого и присадочного материалов и условий сварки. Тугоплавкие частицы могут попадать в ванну из электродного покрытия или флюса в виде соединений таких металлов, как W, Mo, Ti, Zr, Nb, B, и из раскислителей – Al, Тi, Zr.