Металловедение сварки

Стабильность модификаций при определенной температуре и давлении определяется значением термодинамического потенциала (свободной энергией)

G = H ~ S T .

Более стабильной при данной температуре будет модификация, имеющая меньшее значение G, что может быть следствием малой энтальпии (Н) или

большой энтропии (S).

Данные о некоторых металлах, обладающих температурным полимор­

составляющей энтропии.

Стабильность модификаций может меняться в связи с изменением типа межатомной связи. При низких температурах благодаря большой энергии ко­ валентной связи, а следовательно, и малой энтальпии стабильна модифика­ ция олова Sna с решеткой алмаза, которая при нагреве сменяется модифика­ цией Snp с более слабой металлической связью.

Строение металла шва может существенно измениться, если образую­ щиеся в сварочной ванне сплавы металлов А и Б претерпевают полиморфные превращения.

Существуют различные виды диаграмм состояний с полиморфными пре­ вращениями сплавов в твердом состоянии. В принципе, это сочетание некото­ рых ранее приведенных диаграмм перехода из жидкого состояния в твердое с последующей перекристаллизацией в твердом состоянии по диаграммам раз­ личного типа.

мостью компонентов А и Б друг в друге. Однако перестройка кристаллической решетки компонента А при охлаждении ниже температуры tA (Ар ^ Аа) делает ограниченной растворимость Б в А. В результате этого на диаграмме состояния в определенном интервале концентраций и температур имеет место область а-

твердого раствора ограниченной растворимости Б в А и двухфазная область твердых растворов a + |3. Отметим также, что растворение атомов компонента

Б в кристаллической решетке модификации Ар снижает температуру превраще­ ния Ар—>Аа, т.е. стабилизирует ^^-модификацию.

На рис. 1.11, б приведена диаграмма состояния сплавов компонентов, ко­ торые при кристаллизации дают твердый раствор,у, неограниченно растворяясь друг в друге, а при дальнейшем охлаждении в твердом состоянии претерпева­ ют полиморфное превращение. Новые аллотропические формы компонентов

сплава обеспечивают лишь ограниченную растворимость (твердые растворы а и Р) и образование эвтектоида* (равномерной механической смеси мелких кристаллов а и Р).

При дальнейшем охлаждении сплава при температурах ниже эвтектоидной (t3) внутри кристаллов а- и P-фаз вследствие уменьшения растворимости в них компонентов Б и А будут выделяться мельчайшие частицы третичных Р- и а-фаз.

При сварке плавлением у кромок как со стороны шва, так и со стороны металла А и Б будут располагаться соответственно кристаллы твердых а- и Р- растворов, при удалении от кромки А - зона a -кристаллов с третичными вы­ делениями P-фазы, а со стороны кромки металла Б - P-кристаллы с третичными выделениями a -фазы. Между этими зонами будет находиться зона кри­ сталлов эвтектоида (рис. 1. 12).

Рис. 1.12. Схема микроструктуры сварного со­ единения металлов А и 2>, низкотемпературные модификации которых ограниченно растворимы друг в друге и образуют эвтектоид

Отличительная особенность сварного соединения металлов с полиморф­ ным превращением в твердом состоянии - получение вторичных мелких зерен в пределах первичных кристаллитов, образовавшихся при переходе из жид­ кого состояния в твердое. Это дает основание ожидать более высоких механи­ ческих свойств (прочности и вязкости) металла сварного соединения.

Процесс образования новой модификации можно рассматривать как вто­ ричную кристаллизацию (перекристаллизацию), т.е. как зарождение центров новых кристаллов и их рост. Зарождение новой фазы обычно происходит на границах зерен и субзёрен кристаллов исходной фазы при некотором переох­ лаждении (перегреве) металла ниже (выше) температуры аллотропического превращения.

* Эвтектоид, в отличие от эвтектики, образуется не при кристаллизации жидкой фазы, а в результате распада при определенной (эвтектоидной) температуре однофазного твердого раствора определенной (эвтектоидной) концентрации на смесь фаз (чистых компонентов или твердых растворов).

Степень измельчения зёренной структуры металла в результате вторич­ ной кристаллизации зависит от соотношения скоростей зарождения и роста но­ вых зерен. Однако часто мелкие зерна, образовавшиеся в границах крупного зерна исходной фазы, сохраняют его кристаллографическую ориентацию. Это наиболее полно проявляется в результате превращений однофазных структур как при охлаждении, так и при нагреве. Такое измельчение зерна не улучшает механические свойства металла (излом при разрушении обнаруживает крупнозернистость), металл характеризуется низкой ударной вязкостью и высокой критической температурой перехода к хрупкому разрушению. Для повыше­ ния комплекса механических свойств металла весьма эффективна перекристал­ лизация с образованием при охлаждении эвтектоида и последующим его пре­ вращением при нагреве.

Дисперсность структуры эвтектоида обеспечивает очень большую ско­ рость зарождения центров новой фазы и, следовательно, мелкозернистость структуры и кристаллографическую разориентацию новых мелких зерен. Именно по этой причине происходит измельчение зерна стали при нагреве до

Т > Ас3(закалка, отжиг, нормализация).

Охлаждение сварных соединений с температур сварки происходит со скоростями, значительно превышающими скорости охлаждения сплавов при построении диаграмм состоя­ ний. В связи с этим фазовый состав и концентрация твердых растворов в структуре металла сварных соединений часто от­ личаются от описываемых диа­ граммой состояния. Например, структура сплава х-х (рис. 1.13)

согласно диаграмме состояния после завершения кристаллиза­ ции должна быть однофазной - структура a -твердого раствора.

Однако при большей скорости охлаждения возможно переохлаждение жидкой фазы ниже эвтектической температуры и кристаллизация эвтектики в количест­ ве, соответствующем длине отрезка а1х1 Кроме того, ускоренное охлаждение a -твердого раствора с температуры х" затрудняет выделение из него (Звг-фазы, и при комнатной температуре a -твердый раствор окажется перенасыщенным компонентом Б на величину, соответствующую длине отрезка 5х.,

2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

2.1. Гомогенная кристаллизация

Для того чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо отклонение от равновесной температуры ( Тг = Тпл), т.е. переохлаждение жидкого металла на АТрР. При этом свободная энергия изменяется на величину AFK(рис. 2.1). Практически влиять на степень переохлаждения можно, изменяя скорость ох­ лаждения металла, увеличение которой увеличивает АГК(рис. 2.2).

F

менение AF характеризуется кривой 3, имеющей шах. Только после достиже­ ния определенного размера зародыш становится устойчивым и начинает расти, уменьшая общую свободную энергию металла.

Величина критического зародыша RKp уменьшается с увеличением сте­ пени переохлаждения (рис. 2.4), что приводит к созданию условий для образо­ вания большего числа зародышей.

Рис. 2.3. Изменение свободной энергии металла с увеличением размера кристалла при переходе из жидкого состояния в твердое (кр. 3) как суммарный эффект уменьшения свободной энергии вследствие образования твердой фазы (кр. 1) и возрастания свободной энергии вследствие образования допол­

нительной поверхности раздела фаз (кр. 2)

Этот процесс (роста) также связан с At. Скорости зарождения центров кристаллизации (ч.з) и скорости роста размера кристаллов (с.р) повышаются с увеличением At, но неодинаково (рис. 2.5).

Максимумы на кривых соответствуют разным At. Максимум роста соот­ ветствует относительно небольшому количеству центров кристаллизации, раз­ мер зерен при « A t\ будет большим. При значительных степенях переохлаж­ дения, соответствующих максимальному числу зародышей при А /2 .скорость роста уже незначительна и формируется мелкое зерно.

При очень больших степенях переохлаждения кристаллизация может во­ обще не происходить, тогда можно получить переохлажденную жидкость - стекло.

Помимо рассмотренных гомогенных центров кристаллизации роль заро­ дышей могут играть и частицы включений, не растворившихся при плавлении металла или выделившихся из расплава при температурах, превышающих тем­ пературы начала кристаллизации основного металла.

Для кристаллизации металла на этих центрах требуется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного зародыша (так как увели­ чение поверхности минимально).

Таким образом, в сварном шве в большинстве случаев при малом размере сварочной ванны и, следовательно, большой скорости охлаждения формируется сравнительно мелкозернистая структура (более мелкое зерно, чем в слитках или отливках). Но это не относится к ЗТВ.

2.2. Гетерогенная кристаллизация

Условия плавления металла влияют на процесс последующей кристал­

лизации и,соответственно, на свойства металла сварного шва.

Рассматривая эти условия, необходимо остановиться на роли неметал­ лических включений и карбидов, неизбежно присутствующих в сталях и ме­

талле сварочной ванны. И те, и другие, сохраняясь в твердом состоянии после расплавления металла, могут служить центрами несамопроизвольной кристал­ лизации.

На практике несамопроизвольную кристаллизацию используют для мо­

дификации - измельчения кристаллов (зерен) при кристаллизации. Это воз­

можно, если включения не растворяются в жидком металле.

В связи с этим рассмотрим температуры плавления и растворения твер­

дых и тугоплавких включений, которые могут находиться в стали при ее на­ греве и плавлении.

Температуры растворения (диссоциация с образованием твердых раство­ ров) карбидов в твердой стали: БезС (перлит) - 723, Q 3C2 - 1100, WC - 1300,

V C - 1200 °С.

Поскольку растворение карбидов - диффузионный процесс и протекает во времени, то эти температуры условны и приведены для продолжительно­ сти нагрева « 3 мин. При меньшей продолжительности нагрева растворения твердой фазы не произойдет и карбиды перейдут в жидкий металл.

При быстром нагреве, малых степенях перегрева и малой продолжитель­ ности существования жидкой ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут со­ храниться.

Об относительной скорости растворения различных карбидов и нитридов в жидкой стали можно судить по температуре их плавления:

Соединение Fe3C Mn3C Сг7С WC VC Мо2С ZrC VN NbN TiN TiC ВС

Температура

плавления, °С 1500 1480 1940 2900 3100 2900 3800 2320 2370 3200 3100 2600

Большое влияние на кристаллизацию может оказать тугоплавкость неме­ таллических включений, попадающих из флюсов и электродных покрытий или образующихся при раскислении: FeO, Zr02, Si02, MnO, A120 3, T i02, Cr20 3, a также частичек шлака: 2Fe0-Si02, 2M nOSi02, MnS, FeS, 3A120 3*Si02.

Их температуры плавления:

Всплывание зависит от удельного веса.

По температуре и продолжительности существования расплавленного ме­

талла в сварочной ванне при различных видах сварки можно судить о поведе­ нии различных включений стали и их влиянии на последующую кристаллиза­ цию.

Средняя температура при дуговой сварке (ручной, автоматической под флюсом, в защитных газах) составляет 1600-1900 °С (наиболее низкая - в за­

щитных газах).

Температура под дугой 2300 °С. однако продолжительность пребывания металла при этой температуре крайне мала, поэтому полного растворения ту­

гоплавких примесей не происходит.

Продолжительность существования сварочной ванны при различных ви­ дах и режимах существенно различается, но для этих (указанных выше) случаев

она, как правило, не превышает 1-2 мин, если исходить из условия тв = ZB/FCB, где тв - средняя продолжительность существования сварочной ванны; LB- дли­

на сварочной ванны; Усв - скорость сварки.

Исходя из сказанного можно считать, что к началу кристаллизации в сварочной ванне из-за большого перегрева либо нет, либо очень мало естест­ венных центров кристаллизации (сохранившиеся группировки атомов), но обязательно присутствуют искаженные зародыши кристаллизации - природа и

число их зависят от состава свариваемых и присадочных материалов и условий сварки.

Попадание из металла электродного покрытия или флюса в ванну соеди­ нений W, Mo, V, Ti, Zr, Nb, В, использование в качестве раскислителей Al, Ti, Zr может способствовать сохранению в ванне к началу кристаллизации туго­ плавких частиц.

2.3. Направленная кристаллизация

Направленная кристаллизация имеет место при постоянном направлении отвода теплоты и определенном градиенте температур в жидкой и твердой фазах.

Распределение температуры у межфазной поверхности определяется со­ отношением градиентов температуры в жидкой и твердой фазах, а также выде­ лением при кристаллизации скрытой теплоты плавления.

В результате ее выделения температурные градиенты снижаются в облас­ ти жидкой фазы и возрастают в твер­ дой (рис. 2.6).

Характер распределения тем­ пературы у межфазной поверхности определяет ее микрорельеф, а сле­ довательно, и структуру металла, формирующегося при кристаллиза­ ции.

Рассмотрим кристаллизацию чистых металлов.

При отсутствии переохлажде­ ния АТ выступ, случайно появив­

шийся на межфазной поверхности в зоне с Т > Тш подплавляется. Фронт кри­ сталлизации выпрямляется, сохраняя плоское очертание. При наличии терми­ ческого переохлаждения АГ, выступы, появившиеся на межфазной поверхно­ сти, попадают в зону переохлаждения. Скорость их кристаллизации увеличи­ вается, и они прорастают вперед.

Плоский фронт теряет устойчивость, искривляется, на нем появляются ячеистые выступы. В момент выделения скрытой теплоты плавления процесс роста фронта кристаллизации приостанавливается, возможно даже его оплав­ ление. Кристаллизация приобретает прерывистый характер.

Сочетание рассмотренных процессов и степени термического переохлаж­ дения может приводить к формированию различных типов первичной структу­ ры.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов. Здесь существенную роль играют диффузионные процессы и степень переохлаждения. Процесс кристаллизации сопровождается:

- разделительной кристаллизацией в жидкой фазе (на межфазной грани­

це);

-выравнивающей диффузией в твердой фазе;

-конвективными потоками в жидкости, также выравнивающими ее со­

став.

В зависимости от степени переохлаждения, определяющей полноту про­

текания этих диффузионных процессов, различают три типа кристаллизации:

1.Диффузионные процессы получают достаточно полное развитие при умеренном переохлаждении, когда устанавливается равновесная концентрация примеси в твердой и жидкой фазах в соответствии с диаграммой состояния.

Такую кристаллизацию называют диффузионной или избирательной.

2.При ускоренном охлаждении сварного шва, когда диффузия в жид­ кой или твердой фазе завершается не полностью, имеет место неравновесная кристаллизация (рис. 2.7). При этом среднее содержание примеси в твердой фазе меньше, чем равновесное.

Т

Рис. 2.7. Уменьшение концентрации ком­ понента В в твердой фазе, кристаллизую­ щейся с переохлаждением ниже равновес­ ной температуры (в условиях ускоренного переохлаждения)

3. При значительном переохлаждении (очень большие скорости охлаж дения) механизм кристаллизации сплава иной. Твердая фаза интенсивно рас­ тет в результате присоединения любых атомов, находящихся с ней в контакте:

и атомов примеси, и атомов металла. Такую кристаллизацию называют бездиффузионной.