ЛЕКЦИЯ 3
Первичная кристаллизация металла шва
Переход металла из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией, а образующиеся при этом структуры называются первичными структурами.
Экспериментальное исследование распределения температур в процессе кристаллизации производят путем определения формы изотерм кристаллизации, т.е. формы фронта кристаллизации. Форма изотерм на поверхности сварного шва определяется путем визуального или микроскопического наблюдения рельефа свободной поверхности. Форма изотерм внутри металла шва определяется металлографическим путем, т.е. путем наблюдения рельефа травленной поверхности.
Помимо фронта кристаллизации металлографический анализ первичной структуры металла шва позволяет судить о направлении границ кристаллитов, а следовательно, о направлении тепловых потоков на различных зонах кристаллизации.
Уравнение оси кристаллита
При выводе уравнения оси кристаллизации сделаем допущение, что кристаллизация ванна происходит непрерывно.
Изотерма затвердевания для случая нагрева поверхности полубесконечного тела мощным быстродвижущимся источником теплоты приведена на рисунке 1. Участок NMN этой изотермы описывается уравнением
(3.1)
где Т – температура затвердевания, град;
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/см град;
q – эффективная мощность источника, Вт;
v – скорость перемещения источника, см/сек;
a – коэффициент теплопроводности, см2/сек;
t – время, сек.
Рис. 1 Изотерма затвердевания
Для удобства вывода уравнения оси кристаллита, как ортогональной траектории семейства изотерм, располагающихся в области охлаждения левее NN, кривую NMN можно заменить дугой полуэллипса с полуосями OM и ON:
(3.2)
Опытом установлено, что ошибка от такой замены не превышает 3 %. Уравнение семейства эллипсов, получающееся параллельным переносом одного эллипса вдоль оси x, имеет следующий вид:
(3.3)
Отношение частных производных этого уравнения
(3.4)
После исключения члена с из уравнений (3.3) и (3.4) и интегрирования полученного дифференциального уравнения, уравнение оси кристаллита принимает вид
(
c
учетом
)
(3.5)
Введя произвольную координату к=y/ON, изменяющуюся от 0 до 1 и определив величины OM и ON из выражения (3.1) можно получить окончательное уравнение оси кристаллитов
(3.6)
Где
Рис. 2
Взаимная ориентировка кристаллитов определяется углом θ/2 между касательной к оси кристаллита и осью x, величина которого определяется дифференцированием по dx выражения (3.5).
где
Окончательно для случая сварки полубесконечного тела мощным быстродвижущимся источником теплоты
(5.7)
Анализ уравнения (3.7) показывает, что с увеличением скорости сварки при постоянной погонной энергии или с увеличением погонной энергии при сварке с постоянной скоростью угол θ/2 увеличивается.
В результате кристаллиты ориентируются преимущественно в поперечном направлении по отношению к оси шва.
Приведенная схема расчета справедлива лишь для зоны шва с ориентированной структурой. В реальных сварных швах малоуглеродистой стали кристаллиты, прилегающие к оси шва, теряют столбчатое строение, так как в этой области уменьшаются температурные градиенты. Кристаллиты приобретают форму разориентированных дендритов или равноосных зерен.
Среднюю скорость затвердевания без учета прерывистости процесса кристаллизации можно определить, приняв, что вектор скорости затвердевания направлен по касательной к оси кристаллита. Как известно, v=vcos(θ/2). Решая это выражение совместно с уравнением (3.7) для угла θ/2, получаем
(3.8)
Анализ уравнения показывает, что с уменьшением параметра k, т.е. по мере приближения к центру сварного шва. Среднее значение скорости затвердевания увеличивается и в центре шва равно скорости сварки. В этой зоне появляется дезориентированная первичная структура и равноосные зерна. Увеличение скорости сварки при постоянной погонной энергии ведет к возрастанию средней скорости затвердевания и резкому повышению скорости затвердевания в центре шва.
Объем и форма зоны проплавления являются важнейшими характеристиками сварного соединения. Они оказывают влияние на производительность сварочного процесса, на состав металла шва, на первичную структуру и, следовательно, на прочность сварного шва.