Металловедение сварки

Первый тип диаграмм характерен для сплавов компонентов, неограни­ ченно растворимых друг в друге в жидком и в твердом состояниях.

Второй тип диаграмм описывает сплавы компонентов, совершенно не­ растворимых друг в друге в твердом состоянии и дающих при кристаллизации

эвтектику - механическую смесь компонентов, образующуюся при определен­ ной температуре из жидкой фазы определенного состава.

Третий тип диаграмм относится к сплавам компонентов, ограниченно

растворимых друг в друге в твердом состоянии. Образующаяся при их кристал­

1.1. Сварное соединение металлов, неограниченно растворимых

друг в друге (диаграмма состоянии I рода)

Диаграмма состояния сплавов компонентов, неограниченно растворимых

друг в друге в твердом состоянии, представлена на рис. 1.2.

Межатомное взаимодействие в таких твёрдых растворах замещения можно представить* как постепенную замену атомов в кристаллической ре­

шетке при переходе раствора компонента Б в компоненте А к раствору А в Б (рис. 1.2, а - сплав состава х-х). Такое взаимодействие возможно для металлов с аналогичными кристаллическими решётками и близкими размерами атомов.

')ти металлы должны хорошо свариваться различными видами сварки. При сварке плавлением жидкий металл должен быть однородным с несколько

ное соотношение твердой и жидкой фаз при каждой температуре двухфазного интервала может быть определено по так называемому правилу отрезков.

Рассмотрим кристаллизацию сплава х-х в интервале температур ta - t§

(см. рис. 1.2). При достижении температуры /а первые кристаллы твердой фазы должны иметь состав, соответствующий точке в на линии солидуса, т.е. по сравнению со сплавом среднего состава они обогащены более тугоплавким компонентом.

При температуре tx в равновесии находятся кристаллы твердой фазы со­ става, соответствующего точке х\, и жидкая фаза состава, соответствующего точке х2. При этом, если отрезок х\х2 принять за 100 %, то количество твердой фазы соответствует длине отрезка хх2, а жидкой - длине отрезка хх\.

При температуре t6 закристаллизуются последние капли жидкой фазы состава, соответствующего точке г, т. е. обогащенные более легкоплавким компонентом.

В сварных соединениях, полученных сваркой плавлением, химическая микронеоднородность литого металла шва проявляется как различие химиче­ ского состава металла осей и межосных зон дендритной структуры. Степень химической микронеоднородности литого металла сплава определяется длиной отрезка между проекциями точек в и г на оси концентраций.

Она тем меньше, чем больше различие между температурами плавления компонентов сплава и чем уже интервал температур кристаллизации. Микро­ химическая неоднородность литого металла шва тем больше, чем больше объём сварочной ванны и меньше скорость сварки (скорость кристаллизации).

При сварке давлением металлов, имеющих неограниченную раствори­ мость в твердом состоянии, за счёт взаимодиффузии компонентов получаются однородные твердые растворы в участках сварного стыка (см. рис. 1.3). В таких соединениях однофазность металла обеспечивает высокие свойства сварного соединения. В соответствии с закономерностями Н.С.Курнакова свойства тако­ го металла по ширине шва изменяются плавно, например, прочность — по вы­ пуклой кривой, а пластичность - по вогнутой (см. рис. 1.1).

1.2.Взаимодействие нерастворимых друг в друге компонентов

собразованием эвтектики (диаграмма состояния II рода)

Большое распространение имеют сплавы элементов, нерастворимых друг в друге в твердом состоянии. При кристаллизации эти сплавы образуют равно­ весные механические смеси - эвтектики. Рассмотрим структурообразование при кристаллизации сплавов компонентов такого типа (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Диаграмма состояния сплавов компонентов А и Б, нерастворимых

друг в друге в твердом состоянии (а), и кривая охлаждения (б)

Сплав состава х-х при охлаждении из жидкого состояния начинает кри­

сталлизоваться при температуре tx с образования кристаллов чистого компо­ нента А. По мере снижения температуры в интервале кристаллизации (tx t3)

количество кристаллического компонента А увеличивается согласно "правилу

отрезков" (отрезки х\й\, Хга?). При достижении температуры /э количественное

соотношение твердой фазы (кристаллы компонента А) и жидкой фазы равно от­ ношению длин отрезков хэЭ к хэд соответственно. С охлаждением жидкой фазы от tx до Гэ концентрация в ней компонента Б увеличивается до концентрации со­ става Э, называемого эвтектическим (t3 - эвтектическая температура). При тем­

пературе Г, существует равновесие трех фаз: жидкой фазы состава Э и двух

твердых кристаллов А и Б (Ж * А + Б). Ниже температуры t3 жидкость со­ става Э кристаллизуется с разделением на кристаллы компонентов А и Б.

Следовательно, при охлаждении сплава х-х ниже температуры t3 оставшаяся

жидкая фаза кристаллизуется в смесь компонентов А и Б, называемую эвтекти­ кой (эвтектика - смесь твердых фаз, образовавшаяся из жидкой фазы).

Таким образом, микроструктура сплавов с концентрацией компонента Б меньше эвтектической и состоит из обособленных объемов компонента А, ок­ руженных эвтектикой, представляющей собой равномерную смесь мелких' кристалликов компонентов А и Б.

Количество обособленных объемов компонента А в микроструктуре тем меньше, чем ближе концентрация сплава к эвтектической. Микроструктура сплава эвтектического состава ( Э) полностью состоит из эвтектики.

Структурообразование при охлаждении сплава z-z аналогично рассмот­ ренному для сплава х -х , но кристаллизация его начинается с образования кри­ сталлов компонента Б. Микроструктура сплавов заэвтектической концентрации (от Э до Б ) состоит из обособленных объемов компонента Б, окруженных эв­ тектикой.

Следует отметить, что вследствие выделения скрытой теплоты кристал­ лизации в интервале температур кристаллизации скорость охлаждения умень­ шается, а при образовании эвтектики температура постоянная (см. рис. 1.4, б).

Структура металла сварных соединений элементов, нерастворимых друг в друге в твердом состоянии, соответствует структуре, описываемой рассмот­ ренной диаграммой II рода.

Соединение таких элементов, полученное сваркой плавлением, имеет вполне равномерную микроструктуру с постепенным переходом от одного фа­ зового состояния (кристаллы А) к другому (кристаллы металла Б) - рис. 1.5).

Рис. 1.5. Схема микроструктуры свар­ ных соединений металлов А и Б, не­ растворимых друг в друге в твердом состоянии: а - сварка плавлением без присадки; б - сварка плавлением с присадкой металла А; в - сварка

плавлением с присадкой металла Б;

г - сварка давлением

Вжидкой сварочной ванне находится равномерный раствор компонентов

Аи Б, однако при непрерывном контактировании жидкого раствора на одной кромке с компонентом А расплав вблизи этой кромки обогащается компонен­

том А, а у другой кромки - компонентом Б. Поэтому состав кристаллизующе­ гося металла у кромок соответствует составу сплавов х-х у кромки А и z-z у кромки Б.

Большое распространение имеют сплавы элементов, нерастворимых друг в друге в твердом состоянии. При кристаллизации эти сплавы образуют рав­ новеснее механические смеси - эвтектики.

Таким образом, при сварке плавлением микроструктура и фазовый состав металла будут постепенно переходить от кристаллов одного металла с малым количеством эвтектики к кристаллам другого металла также с малым количест­ вом эвтектики.

Между этими зонами количество эвтектики будет постепенно увеличи­ ваться, и где-то на промежуточных участках должна находиться чисто эвтек­

тическая зона.

Поскольку в участках сварного шва, примыкающих к кромкам каждого

из свариваемых металлов, кристаллизуется металл с подавляющим количест­ вом кристаллов данного свариваемого металла, то обеспечиваются хорошие условия для сплавления основного металла и металла шва, а постепенное изме­ нение структуры и фазового состояния в пределах металла шва обеспечивает плавный переход свойств одного металла к свойствам другого.

Хорошее сплавление металла шва с основными свариваемыми металла­ ми обусловливается тем, что на кромках каждого металла из расплава над­ страиваются зерна того же металла, т.е. атомно-кристаллическое строение ме­ таллов идентично, а в связи с этим обеспечивается и надежная связь между зёрнами.

Для работоспособности сварного соединения имеет положительное зна­ чение и плавное изменение свойств в пределах этого соединения.

Образование химической неоднородности в таком соединении неизбежно в связи с разной химической природой металлов А и Б.

Градиент химической неоднородности (различие в составе соседних участков) тем больше, чем больше величина концентрационного интервала между эвтектической точкой и чистыми металлами.

При сварке давлением в твердом состоянии образование соединения свя­ зано с определенными ограничениями.

Отсутствие жидкого раствора и кристаллизации с выделением на кромках однотипных кристаллов, а также отсутствие взаимной, хотя бы и ограничен­ ной, растворимости свариваемых металлов в твердом состоянии исключают протекание диффузионных процессов на границе раздела.

Возможность получения сварных соединений в этом случае целиком за­ висит от качества контакта чистых свариваемых поверхностей, создания мак­ симального количества активных центров и соответствия атомно­ кристаллического строения металлов.

1.3. Взаимодействие компонентов с образованием эвтектик

твердых растворов (диаграмма состояния III рода)

Диаграмма состояния сплавов компонентов, ограниченно растворимых

друг в друге в твердом состоянии, представлена на рис. 1.6.

симости растворимости компонентов Б в А ъ твердом состоянии (линия в - а на диаграмме). Следовательно, в микроструктуре сплавов компонентов, дающих диаграмму состояния III рода, в отличие от микроструктуры сплавов компонен­ тов, дающих диаграмму состояния II рода, место чистых компонентов Л и £ за­ нимают твердые растворы а и J3 (как в обособленных объемах, так и в эвтек­ тике), а в a -фазе есть мельчайшие частицы (Звт -фазы.

Для металлов, образующих эвтектические смеси, но имеющих взаимную ограниченную растворимость, механизм образования сварного соединения за­

метно отличается от ранее рассмотренного, хотя общие принципы аналогичны.

Отличие в том, что при сварке плавлением из жидкого расплава кристал­

лизуются не чистые металлы, а твердые растворы на основе соответствующих металлов.

На кромке свариваемого металла А будут кристаллизоваться кристаллы

твердого а-раствора (Б в А), а на кромках металла Б - кристаллы [3-раствора (А в Б). Кроме того, выделившиеся внутри зерен a -фазы дисперсные частицы (Звтфазы при длительных выдержках при повышенной температуре (например, в ЗТВ) могут укрупняться.

Однако при большой скорости охлаждения рвт не успевает выделиться из a -области, и при комнатной температуре получается пересыщенный а-твердый раствор. Такой раствор неустойчив и может разлагаться со временем с выде­ лением очень мелких частиц рпт-фазы. Такой процесс называется старением.

Выделившиеся частицы тормозят движение дислокаций, что способствует уп­ рочнению сплава, но при этом повышается его хрупкость. Схема микрострук­ туры металла сварных соединений представлена на рис. 1.7.

но растворимых друг в друге в твёрдом состоянии: а - сварка плавлением без при­ садки; б - сварка плавлением с присадкой металла А; в - сварка давлением

При сварке плавлением на кромках основного металла кристаллизуются твердые растворы на основе тех же металлов. Атомное и кристаллическое со­ ответствие твердых растворов соответствующим металлам создает хорошие

условия для связи металла шва со свариваемым металлом.

По мере удаления от кромок появляется и увеличивается количество эв­

ны (в отличие от диаграммы II рода) на границе соединения, что связано с оп­ ределенной растворимостью элементов друг в друге. Наличие таких зон улуч­ шает связь в сварном соединении, так как при этом происходит более плавное изменение свойств.

Образование диффузионных зон очень важно при сварке давлением, так как даже ограниченная взаимодиффузия атомов свариваемых металлов улуч­ шает свойства металла сварных соединений.

1.4.Взаимодействие компонентов, образующих при кристаллизации

химические соединения (диаграмма состояния IV рода)

Если элементы А и Б при кристаллизации образуют химическое соедине­ ние АтБ,{, то при анализе диаграмм состояния это химическое соединение учи­ тывается как отдельный компонент. При этом могут быть случаи, когда нет ка­

кой-либо растворимости А в Б или Б в А и в системе 3 компонента и 3 фазы:

А, Б и АтБ„ (рис. 1.8, а). При образовании ограниченных твердых растворов а и Р в системе 3 фазы: а, Р, АтБп (рис. 1.8, б). Возможна ограниченная раство­ римость элементов А и Б и в химическом соединении, т. е. наблюдается опреде-

ленный интервал гомогенности химического соединения (нестехиометрическое

химическое соединение с недостатком атомов компонентов А или Б -

пунктирные линии на рис. 1.8, 6).

Рис. 1.8. Типы диаграмм состояний сплавов компонентов А и Б, образующих при кри­

сталлизации химическое соединение С (АтБ„) и эвтектики: а - без твердых растворов;

б - с твердыми растворами а и (3; в - с химическим соединением, распадающимся при температуре выше tx

В некоторых случаях компоненты сплава образуют химическое соеди­ нение АтБп, неустойчивое при повышенных температурах и распадающееся при какой-то температуре tx (рис. 1.8, в).

Химическое соединение, состоящее из т атомов А и п атомов Б с вполне определенными местами этих атомов в кристаллической решетке, имеет свой тип кристаллической решетки и свойства его радикально отличаются от свойств А и Б. Очень часто химические соединения двух мягких, пластичных металлов оказываются твердыми и хрупкими. Поэтому всегда важно учиты­ вать образование или возможность образования химического соединения при сварке.

Для сварки более благоприятен случай с ограниченными твердыми рас­ творами, как обеспечивающий получение на границе соединения переходных зон твердых растворов.

Для обоих типов диаграмм состояния с образованием химических соеди­ нений характер строения металла шва схожий, с той лишь разницей, что у кро­ мок в случае отсутствия взаимной растворимости будут находиться кристал­ лы металлов А и Б, а в случае ограниченных растворов - соответственно а- и (3-кристаллы.

Вдали от кромок, вблизи химического соединения могут появиться также кристаллы растворов А в А тБп и Б в АтБп, т.е. нестехиометрические хи­ мические соединения (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема микроструктуры сварных соединений металлов А и Б, образующих при кристаллизации химическое соединение: а - сварка плавлением без присадки; б - сварка плавлением с присадкой метал­

ла А; в - сварка давлением

имеющая свойства, резко отличные от свойств близлежащих кристаллов, пред­ ставляющих собой твердые растворы или эвтектические смеси.

Такая неоднородность свойств может отрицательно сказаться на работо­ способности, тем более, что граница между зоной химического соединения и свариваемыми металлами при отсутствии ограниченной растворимости должна быть резкой.

Если же имеется какая-либо ограниченная растворимость, то на границе шва появляется соответствующая зона взаимодиффузии, приводящая к образо­ ванию ограниченных твердых растворов между швом и кромками основного металла. Это обстоятельство особенно важно при сварке давлением, так как улучшается переход от зоны химического соединения к свариваемым металлам.

1.5. Изменение фазового состава металла сварного соединения

в результате полиморфизма компонентов (вторичная

кристаллизация)

Явление полиморфизма имеет место для некоторых металлов и неметал­ лов. Полиморфизм - это способность вещества в твердом состоянии при раз­ личных температурах (или давлении) существовать в различных кристалличе­ ских структурах, называемых аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию обозначают а, а высокотемпературные - (3, у, S и т. д.