5.2 Процессы кристаллизации при сварке

Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называется кристаллизацией. Кристаллизация состоит из двух элементарных, одновременно протекающих процессов:

1. зарождения зародышей, или центров кристаллизации;

2. роста кристаллов из этих центров.

Кристаллизация металлов протекает с периодическими остановками вследствие периодического выделения скрытой теплоты кристаллизации, приостанавливающей равномерное течение процесса. Центрами кристаллизации для каждого последующего слоя становятся различные неровности на поверхности предыдущего слоя. Процесс кристаллизации имеет направленность: кристаллы растут в направлении, обратном теплоотводу, вглубь жидкости, причем внешняя форма их зависит от условий соприкосновения друг с другом.

Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в специфических условиях:

1.Металл ванны находится под одновременным воздействием как источника тепла, так и охлаждающих стенок ванны. При этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла.

2.Распределение температуры по объему металла ванны неравномерно.

3.Кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

Наличие большого градиента температур в сварочной ванне исключает появление центров кристаллизации в средней части ванны и кристаллы растут только от периферии – от границы сплавления ванны с нерасплавленным, твердым металлом. Подплавленные зерна основного металла становятся центрами кристаллизации. На них как на своеобразной подкладке начинают рост первичные кристаллы.

Скорость роста кристаллов неодинакова. Изменение скорости роста кристаллов при его прорастании от границы сплавления до центра ванны определяется зависимостью:

v_k = v_CBcosα, где α – угол между направлением сварки и перпендикуляром к границе раздела фаз.

Таким образом, характер изменения скорости роста кристаллов в сварочной ванне от периферии к центру иной, чем в слитке: происходит не замедление в росте, а увеличение скорости роста от минимальной у границы сплавления до максимальной у центра ванны (шва). При этом кристалл (или последовательно нарастающие кристаллы) растет по кривой, определяемой изменением кривизны ванны.

По мере прорастания от границы сплавления некоторые кристаллиты, опережая соседние, получают лучшее питание жидкостью, развиваются полнее и ограничивают возможность прорастания тех, которые на первом этапе росли в менее благоприятных условиях. Поэтому основной формой кристаллитов является дендритной.

При сварке многослойных швов, когда последующий валик переплавляет металл предыдущего, в роли подкладок, на которых будут расти кристаллы, выступают зерна выполненного металла валика. Если металл предыдущего слоя имеет явно выраженную столбчатую структуру, то и в следующем слое кристаллиты растут кака продолжении подкладок. Кристаллы как бы прорастают из слоя в слой. Структура такого типа называется транскристаллитной. Она наиболее характерна, когда металл шва не испытывает перекристаллизации при охлаждении, например у однофазных аустенитных сталей.

Процессу кристаллизации сплавов сопутствуют получение неоднородного состава в различных объемах образовавшегося твердого металла в связи с ликвацией при затвердевании. Ликвация вызывается различной растворимостью примеси (легирующей добавки) в твердой и жидкой фазах основы сплава. Применительно к равновесной диаграмме состояния, например, двухкомпонентной системы с эвтектикой (основа сплава – примесь) при снижении температуры жидкого сплава с исходной концентрацией примеси С₀ (рис. 5.2) первые кристаллы будут иметь состав, отвечающей точке 1.

Рис. 5.2. Схема ликвационного перераспределения примеси при кристаллизации.

В момент снижения температуры до солидуса (точка 2) остающаяся жидкость имеет состав 3. При температуре между ликвидусом и солидусом (точка 4) соотношение между количествами твердой и жидкой фаз определяется правилом рычага.

Применительно к равновесным условиям (скорость роста кристаллов v_k → 0) связь между составами 1 и 3 определится коэффициентом ликвации χ (рис. 5.2, б). Чем больше χ отличается от единицы, темсильнее состав первых кристаллов отличается от жидкости, затвердевающей в последнюю очередь. Значения таких коэффициентов приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1.

Равновесные коэффициенты ликвации различных элементов в железе

Элемент-примесь в железе	S	P	C	Cu	Si	Mo	Ni	Cr	W
Значение	0,05	0,07	0,13	0,56	0,66	0,70	0,80	0,95	0,95
Общая характеристика	Сильно ликвирующие			Ликвирующие			Слабо ликвирующие

При большой скорости кристаллизации ликвация станет несколько меньше.

Контакт твердого и жидкого металлов даже одинакового состава может привести к перемещению элементов из одной фазы в другую. Так как все ликвирующие элементы лучше растворяются в жидком металле, чем в твердом, то на границе раздела фаз они будут перемещаться из твердого металла в жидкий. При этом концентрация такого элемента в твердом металле у границы понизится и в эту область начнется диффузия данного элемента из соседних объемов твердого металла. При этом за время контакта жидкого и твердого металлов в ванну перемещаются такие элементы, как сера, углерод. В малоуглеродистой стали зоны с уменьшенной концентрацией ликвирующих примесей обычно составляет 0,05 – 0,1 мм. В последующий период времени, когда часть ванны, прилегающая к границе сплавления, затвердевает, уже в твердом металле происходит перераспределение примеси. При этом из зон с большей концентрацией она переходит в зону с меньшей концентрацией. В сварных соединениях сталей углерод в результате его большой подвижности при высоких температурах почти выравнивает свою концентрацию. Менее подвижная в твердом металле сера не успевает переместиться на необходимые расстояния и поэтому вблизи границы сплавления, в частично оплавленном металле, остается зона с уменьшенной концентрацией серы, а рядом в металле шва расположена зона с повышенной концентрацией серы.