Металловедение сварки

ния, а затем остановки процесса затвердевающие слои жидкости, прилегающие к твердой фазе, обедняются примесью, а затвердевший металл обогащается ею.

Возобновление процесса кристаллизации из обедненного состава жидкой фазы приводит к снижению примеси во вновь образующихся кристаллитах, как это показано на рис. 2.18. Повторяясь периодически, этот процесс приво­ дит к появлению так называемой слоистой неоднородности. Для практики наи­ больший интерес представляет распределение примесей в последней стадии кристаллизации, так как именно это определяет температуру неравновесного солидуса и такие важные технологические характеристики, как температур­ ный интервал хрупкости (ТИХ) и пластичность металла шва в процессе кри­ сталлизации.

С,%

кристаллита в зависимости от коэффициента распределения примесей между твердой и жидкой фазами (к0) показывают, что с уменьшением к0 степень не­ однородности увеличивается.

Межкристаллитная химическая неоднородность определяется как отно­ шение концентраций примеси в пограничной зоне Сг и в центре кристаллита

С, (Сг / С3).

Микрохимическая неоднородность, возникающая внутри столбчатых или равновесных кристаллитов, определяет и состав пограничных зон между ними.

Установившаяся пограничная концентрация в жидком расплаве при расстоянии между соседними кристаллитами (ветвями дендритов или ячейка­ ми), равном 25 (5 - протяженность зоны концентрационного уплотнения), на­ чинает резко возрастать, иногда достигая значений, достаточных для образова­ ния новой фазы.

При ячеистом или дендритном типе кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые или межденд­ ритные пространства (рис. 2.20).

Неоднородность химического состава, наблюдаемая в результате особенностей кри­ сталлизации, называется ликвацией, а разли­ чие в содержании примесей в металле осей и межосных участков - дендритной ликваци­ ей. Степень дендритной ликвации зависит от

VKp и охлаждения.

В большей степени к ликвации склон­ ны С, S, Р, в меньшей Si, Мл, Сг, Мо.

Степень дендритной ликвации может быть очень большой. В частности, в 3-тонном слитке стали она может состав­ лять: по S - 200, Р - 120, С - 60, Si - 20, Мп - 15 %.

2.7.1.Химическая неоднородность в зоне сплавления

иоколошовной зоне

Рекристаллизационные процессы, происходящие в околошовной зоне (ОШЗ), как правило, сопровождаются перераспределением примесей, что ино­ гда приводит к развитию химической неоднородности, особенно на границе ОШЗ с жидким металлом, в зоне полуоплавленных зерен.

Процессы, связанные с перераспределением примесей в твердом состоя­ нии, в отличие от ликвационных, чаще называют сегрегационными, а обра­ зующиеся места скопления примесей - сегрегациями.

Концентрация примесей атомов по границам зерен даже у гомогенизиро­ ванных сплавов всегда выше, чем в самом зерне. Объясняется это тем, что гра­ ницы представляют собой области с сильно искаженной кристаллической ре­ шеткой и атомы примеси, располагающиеся по ним, вносят в систему сущест­ венно меньшие искажения, чем это было бы при растворении их в кристалли­ ческой решетке. Это в равной степени относится к примесям как внедрения (С, В, N), так и замещения. В процессе роста зерна (если металл нагрет выше тем­ пературы интенсивного роста зерна) мигрирующие границы захватывают при­ месные атомы, увеличивая их концентрацию на периферии зерен (сегрегация примесей).

Степень сегрегации зависит от температуры нагрева, физической приро­ ды примеси и др. Если концентрация примесей на границе зерна превышает пределы растворимости, возможно образование в пограничной зоне легкоплав­ ких эвтектических фаз или даже химических соединений. Микрохимическая неоднородность (МХН) может возникать и при длительной эксплуатации изде­ лия при высоких температурах.

При сварке на стадии нагрева в зоне сплавления и в прилегающем к ней основном металле, начиная с некоторой температуры Гд, получает развитие процесс выравнивания концентрации примеси в результате диффузии. Диффу­ зия развивается как в пограничной области, так и внутри зерна (рис. 2.21). Сте­ пень интенсивности процесса зависит от разности концентраций, температуры нагрева, а полнота протекания - от времени пребывания участка в области вы­ соких температур.

Рис. 2.21. Выравнивание концентрации

примесей С0 на границе ( Сг ) и в теле

зерна (С3) при нагреве ОШЗ

Элементы внедрения имеют меньшую энергию активации и диффунди­ руют более активно. Чем мельче зерно, тем тоньше пограничные прослойки и тем интенсивнее процесс. Начиная с Тд, происходит выравнивание концентра­ ций и к моменту плавления (Гс) в пограничной зоне шов - основной металл разница в содержании примесей становится min. Максимальная Т нагрева у зо­ ны сплавления достигает Тпл (неравновесного солидуса). На границе сплавления и на некотором расстоянии от нее в основном металле появляется жид­ кая фаза, располагающаяся по границам зерен, обогащенным примесями, и имеющая из-за этого Тш более низкую, чем зерно. С этого момента начинается обратный процесс "восходящей диффузии" примесей из тела зерна к его грани­ це в соответствии с коэффициентом распределения. В участках же ОШЗ, где оплавление не происходит, продолжается диффузия примесей от границы в те­ ло зерна.

2.7.2. Внутризёренная химическая неоднородность

Внутризёренная химическая неоднородность обычно связана с наличи­ ем внутри зерна инородных частиц - карбидов, интерметаллидов и т.п. При

воздействии термического цикла сварки они могут не успеть раствориться и останутся в зоне термического влияния. В процессе охлаждения из твердого раствора могут выпадать избыточные фазы, приводящие к увеличению МХН. Наиболее вероятное место расположения этих включений - зоны упругого ис­ кажения кристаллических решеток (внутренних напряжений) и места скопле­ ния дефектов кристаллического строения, так как они обладают повышенным уровнем потенциальной энергии. Кроме того, внутризеренная МХН может быть обусловлена образованием атмосфер Коттрелла, Сузуки, Снука.

С повышением температуры и увеличением времени концентрация примесей в зерне стремится к выравниванию. Примеси, сильно искажающие решетку твердого раствора, будут интенсивно стремиться к границам зерен и обогащать их, образуя зернограничные сегрегации и влияя тем самым на ме­ ханические и физико-химические свойства сплава. МХН с большой степенью точности (локальности) может быть определена существующими методами анализа (пятно 1-4 мкм). Но в некоторых случаях и эта локальность может быть недостаточной. Тогда судить о МХН можно на основе аналитических рас­ чётов.

3. ФОРМИРОВАНИЕ ВТОРИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

При кристаллизации металла шва формируется первичная структура. Фа­ зовые и структурные превращения в твердом состоянии приводят к формиро­ ванию вторичной структуры.

3.1.Классификация фазовых и структурных превращений

Впроцессе нагрева и охлаждения металла при сварке получает развитие целый ряд фазовых и структурных превращений (в твердом состоянии). Под фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают превращения с об­ разованием новых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением (решеткой), часто составом, свойствами, и разграниченных с ис­ ходными фазами поверхностями раздела (межфазными границами). При обра­ зовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяется энтропия, теплосодержание и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности.

Всвязи с этим фазовое превращение сопровождается выделением или по­ глощением теплоты. Примерами фазовых превращений являются ферритно­ аустенитное, перлитно-аустенитное или обратные им, выделение карбидов или интерметаллидов из твердого раствора или, наоборот, их растворение и т.п.

При структурных превращениях (переходах II рода) происходит пере­ распределение дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные пре­ вращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодержания и скачкообразностью теплоемкости. Они не сопровождают­ ся выделением теплоты. Примерами переходов II рода являются полигонизация, возврат, рекристаллизация первичная, собирательная (рост зерна) и вто­ ричная, выравнивание границ зерен.

3.2. Вторичные границы и их роль

Изучая структуру отливок, исследователи давно обратили внимание на наличие в затвердевшем металле двух систем кристаллитов и соответственно двух систем границ, которые чаще выявляются после специального травления. Широкие темные границы окаймляют первичные формы кристаллизации - дендриты или их группы (кристаллиты). Тонкие границы окаймляют более поздние образования, названные рядом исследователей грануляциями.

Характерно, что по границам грануляций может происходить хрупкое разрушение. Б.А.Мовчан показал, что сварные швы из чистых металлов и од­ нофазных сплавов склонны к межкристаллитному разрушению в процессе формирования вторичной границы. Отличительными чертами этого вида тре­ щин служат четкая локализация трещины по вторичной границе и гладкая, ино­ гда окисленная, поверхность разрушения. По вторичным границам могут также происходить разрушения при комнатной температуре.

3.3. Формирование вторичных границ при сварке

Считают, что причиной образования вторичных границ при охлаждении после сварки являются полиморфные превращения и физическая неоднород­ ность затвердевшего металла, характеризуемая большим количеством несовер­ шенств кристаллической решетки. Например, низкоуглеродистые стали затвер­ девают в области перитектики в виде 5-фазы, при этом вначале образуются первичные 5-дендриты, а затем, после полного превращения, формируются вторичные у-зёрна. В результате первичная структура не совпадает с у-структурой.

Помимо фазового превращения 5 —> у указывают и другие процессы, в результате которых первичные границы изменяют свою форму: выравнивание границ зерен, собирательную рекристаллизацию, которая может быть усилена

усадочными напряжениями, дробление дендритных кристаллитов вследствие напряженности их кристаллической решетки и др.

Обширные исследования возникновения вторичных границ в слитках и сварных швах сплавов на основе Fe, Ni, Си, Nb, W и Мо позволили Б.Л.Мовчану прийти к выводу, что формирование вторичных границ - это результат движения и упорядочения несовершенств кристаллической решет­ ки, а сам процесс по аналогии с упорядочением дислокационной структуры в холоднодеформированных металлах является полигонизацией литых металлов и сплавов. Дислокационная природа таких границ подтверждена возможно­ стью их "рассыпания" при термической обработке, а также избирательной сег­ регацией примесей.

Формирование вторичных границ зависит от многих факторов (приро­ ды металла, легированности, скорости охлаждения в интервале образования границ, наличия избыточных фаз и др.). Выявить вторичные границы очень трудно, особенно в швах на низкр- и среднелегированных сталях феррито­ перлитного и бейнитно-мартенситного класса.

Формирование вторичных границ в многофазных сплавах связано с ко­ личеством и дисперсностью выделяющихся фаз. Частицы новой фазы являются эффективными барьерами на пути движения дислокаций, препятствуя их упорядочению и образованию пространственной сетки вторичных границ.

Важное значение имеет скорость охлаждения, иллюстрируемая сле­ дующим примером из работы [6]. Образец сварного шва из стали 12Х2Н4А не­ посредственно после сварки под флюсом был закален в воде. Металлографиче­ ские исследования показали: начальный участок, где затвердевание и охлажде­ ние до достаточно низкой температуры происходили на воздухе, имел четкие тонкие вторичные границы. На конечном, закаленном в воду, участке шва вторичные границы отсутствовали совершенно.

Действие, аналогичное замедленному охлаждению, оказывает последую­ щий отпуск металла шва: в шве, не имеющем вторичных границ после сварки, они образовались после высокого отпуска. Однако есть случаи, когда вторич­ ные границы не формируются даже после отпуска.

3.4. Влияние полиморфных превращений

Наиболее сильное влияние на формирование вторичной структуры в ста­ лях оказывают аллотропические (полиморфные) превращения. Процессы алло­ тропических превращений подчиняются законам кристаллизации (для их

протекания требуется перегрев или переохлаждение), а рост зерен новой фазы

- законам образования и роста зародышей.

После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кристаллизация

(перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет кристаллическое строе­ ние: возникают и растут новые зерна, появляются новые границы.

Характерной особенностью этой перекристаллизации является то, что она может происходить при различных, даже очень больших, степенях пере­

охлаждения. Поэтому вторичная кристаллизация может быть диффузионной (малые степени переохлаждения) и бездиффузионной (большие степени пере­ охлаждения).

Процессы вторичной кристаллизации сварных швов позволяют создать

более благоприятную по сравнению с первичной структуру.

Во-первых, вторичная кристаллизация нарушает неблагоприятное строе­ ние в виде вытянутых столбчатых кристаллов и приводит к формированию но­

вой более мелкозернистой структуры из мелких равноосных зерен.

Во-вторых, перегретые при сварке участки ОШЗ можно вновь сделать

мелкозернистыми в результате дополнительного нагрева выше температуры полиморфного превращения с последующим охлаждением с той или иной ско­ ростью (отжиг, нормализация). В-третьих, при сварке металлов давлением в твердом состоянии перекристаллизация с образованием и ростом новых зерен приводит к миграции границ через бывшую границу раздела и к повышению качества сварного соединения. Иногда для улучшения свойств сварного соеди­ нения используют циклическое изменение температуры с многократным пере­ ходом через температуру полиморфного превращения. Немаловажно, что в ин­ тервале температур полиморфного превращения наблюдается эффект суще­ ственного (и даже аномального) ускорения диффузии. Многие двухфазные ти­ тановые сплавы в интервале перехода а —> Р обладают свойством сверхпла­ стичности, что позволяет совместить процессы формообразования и диффузи­ онной сварки при производстве, например, сложных деталей авиационной тех­ ники.

4. ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

4.1. Характерные зоны сварных соединений

Соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон, отличающихся макро- и микроструктурой, химическим соста­ вом, механическими свойствами и другими признаками: сварной шов, зону

Рис 4. 1. Характерные зоны сварных соединений:

1 - шов; 2 - зона термического влияния; 3 - ос­ новной металл; 4 - околошовный участок зоны термического влияния; 5 - зона сплавления; Тл ,

Тс, и Тп - температуры ликвидуса, солидуса и начала фазовых и структурных превращений (по Э.Л. Макарову)

Зона термического влияния (ЗТВ) - участок основного металла, примы­

кающий к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздейст­ вия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превра­ щения в твердом металле. В результате этого ЗТВ имеет отличные от основно­

талле, имеющая макроструктуру проката или рекристаллизованную макро­ структуру литой или кованой заготовки, разделяются друг от друга поверхно­ стью сплавления. На поверхности шлифов, вырезанных из сварного соедине­ ния и подвергнутых травлению реактивами, поверхность сплавления при не­ больших увеличениях наблюдается как линия, или граница, сплавления.

Зона сплавления (ЗС) — это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла. В нее входит узкий участок шва, расположенный у линии сплавления, а также оплавленный участок ОШЗ. Первый участок образуется вследствие недостаточно эффективного переноса расплавленного основного металла в центральные части сварочной