Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Швидкість процесу полігонізації та енергія активації залежать від стану матеріалу і зовнішніх умов. Якщо полігонізація протікає в малодеформованому металі і без напружень, то сумарна енергія активації процесу полігонізації Qп дорівнює

де Qc – енергія активації утворення сходинки; Qв – енергія активації утворення вакансії; Qм – енергія активації міграції вакансії; Qв + Qм – енергія активації самодифузії.

Рівняння (1.54) враховує, що процес полігонізації визначається припливом вакансій до дислокацій або утворенням вакансій на дислокаціях. Найлегше вакансії переходять або утворюються на сходинках.

Якщо вакансій і сходинок багато, наприклад, при нагріванні під напруженням (повзучість, втома), то швидкість полігонізації визначається тільки міграцією вакансій. Якщо полігонізація протікає в сильно деформованому металі, але без значних напружень, тобто є багато дислокаційних сходинок, то

Qп = Qв +Qм ,

тобто процес визначається швидкістю самодифузії.

Процес полігонізації може бути настільки інтенсивним, що виникають не тільки малокутові, але й висококутові границі.

При рекристалізації сильно деформованого металу можна спостерігати, як виникають дуже малі зерна, які далі ростуть за рахунок деформованої структури аж до взаємного зіткнення. Зазначений процес характеризується зародженням і ростом зерен і називається первинною рекристалізацією. Подальший відпал, особливо при високих температурах, може викликати нове збільшення розмірів зерен, отриманих при первинній рекристалізації. Процеси, які протікають при цьому, поєднують під загальним терміном – ріст зерна.

При рекристалізації відбувається найбільш істотне зниження

101

енергії деформованого металу за рахунок зменшення числа дефектів структури.

При первинній рекристалізації в деформованому металі утворюються центри рекристалізації, тобто ділянки з неспотвореними або слабко спотвореними ґратками, відділені границями з великими кутами розорієнтації.

При вторинній і збірній рекристалізації окремі центри ростуть і укрупнюються. Вторинна і збірна рекристалізація відрізняються тим, що при вторинній рекристалізації є зерна, які здатні рости набагато швидше, ніж інші. При збірній рекристалізації таких зерен немає.

Первинна рекристалізація починається при нагріванні металу, попередньо деформованого до визначеного ступеня. Така деформація називається критичною.

Нові зерна ростуть після деякого інкубаційного періоду τ0, який залежить від ступеня деформації і температури. На відміну від повернення, швидкість рекристалізації в початковий момент дорівнює 0, потім збільшується, проходячи через максимум.

Швидкість первинної рекристалізації визначається швидкістю зародження центрів рекристалізації N і швидкістю росту кристалітів G.

Залежність швидкості росту кристалітів від температури при постійній деформації визначається рівнянням

де QG – енергія активації росту кристалітів; G0 – постійна. Тривалість рекристалізації з підвищенням температури зменшу-

ється, оскільки зі збільшенням температури нагрівання зростають швидкості утворення зародків (N) і їх росту (G).

Для процесів повернення, зв'язаних із полігонізацією, і рекристалізації істотну роль відіграють чистота металу і наявність у ньому до-

102

мішок. Чисті метали полігонізуються при нагріванні і далі не рекристалізуються. Наявність вже невеликих концентрацій домішок призводить до того, що полігонізація не встигає пройти і її випереджає рекристалізація.

Підвищення швидкості нагрівання сприяє збільшенню швидкості утворення зерна і здрібнюванню структури до кінця первинної рекристалізації. Наприклад, при швидкісному індукційному нагріванні, при зварюванні відпочинок не встигає пройти до початку рекристалізації, що полегшує зародження і ріст нових зерен. У результаті ефективні енергії активації зародження і росту зерен виявляються значно меншими, ніж при звичайних швидкостях нагрівання. Мала швидкість нагрівання впливає аналогічно попередньому відпочинку при низьких температурах, що зменшує число зародків рекристалізації.

Збільшення ступеня деформації супроводжується зростанням швидкостей утворення N і росту зерен G а також, відповідно, зниженням тривалості рекристалізації. Однак оскільки N зростає швидше G, то більш сильна деформація дає більш дрібне рекристалізоване зерно.

Збірна рекристалізація або ріст зерен настає після первинної рекристалізації, коли центри рекристалізації, які виросли, приходять у зіткнення. Рушійною силою процесу є зменшення зернограничної ("поверхневої") енергії. Збірна рекристалізація може протікати також до повного завершення первинної.

При рекристалізації границі рухаються до центрів своєї кривизни, щоб наблизити кути в стиках зерен до 120º. Це відбувається за рахунок поглинання зерен із гострими кутами.

Чим сильніше відрізняються кути від 120°, тим швидше йде міграція границь. В однофазному сплаві ріст зерен уповільнюється, коли кути наближаються до 120°, а число ребер у перетині зерна – до 6. При наявності дисперсних часток, які є бар'єрами для руху границь, ріст зерен може припинятися по досягненню рівноважних кутів.

103

Розмір зерен визначається процесом міграції границь до встановлення кутів 120° і числа сторін, рівного 6.

Швидкість переміщення границі зерна

де V – об'єм грам-атома металу; D – середній діаметр зерна; К – постійна; σ – поверхнева енергія зерна; QG – енергія активацій міграції границі.

Залежність розміру (діаметра) зерна від часу може бути визначена за емпіричним рівнянням

де c – постійна, яка залежить від температури; n – постійна, яка дорівнює 0,5 для чистих металів. Вторинна рекристалізація, як і збірна, відбувається після первинної при нагріванні до більш високих температур.

Процес вторинної рекристалізації супроводжується обов'язковою різнозернистістю, яка може зникнути тільки із завершенням процесу. Таким чином, різнозернистість свідчить про незакінчену вторинну рекристалізацію.

Розглядаючи механізм рекристалізації, варто відзначити, що формування центрів рекристалізації пов'язане з перерозподілом дислокацій. Міграція границь відбувається, принаймні частково, бездифузійним шляхом за рахунок ковзання дислокацій, а також як термічно активований процес переповзання дислокацій. Для активації процесу потрібен певний "інкубаційний" період. При повільному нагріванні і малій деформації відбувається полігонізація. При великій деформації відбувається рекристалізація, а полігонізація практично не проходить.

Для первинної рекристалізації основною причиною росту зародків і міграції границь є різниця в щільності дефектів кристалічної будови. Границі мігрують у бік більшої щільності дефектів і поглинають їх, залишаючи за собою більш досконалий за будовою метал.

104

Напрямок руху границі зародка первинної рекристалізації не залежить від положення центра кривизни границь до їхнього зіткнення.

Міграція границь відбувається під впливом неврівноважених сил поверхневого натягу. При цьому приграничні об'єми одних із сусідніх кристалітів знаходяться в стані стискування (наявний надлишок дислокацій або дефіцит вакансій), інші – в стані розтягування (надлишок вакансій). У результаті встановлюється потік вакансій, а у зворотному напрямку – атомів. Так здійснюється вакансійний механізм міграції границь.

Міграція границь може відбуватися стрибкоподібно із затримками біля сторонніх включень (карбіди, зміцнюючі фази), тому що для обходу такого включення необхідне збільшення поверхні, авідповідно – енергії.

На рис.1.35 наведено мікроструктуру сплаву ЭИ602 у зоні з'єднання після дифузійного зварювання і вакуумного травлення, де видно кілька положень границь при їх міграції. Проміжні положення фіксувалися в момент затримки міграції (див. рис.1.35,а). На рис.1.35,б видно, що утворені в стику зерна займають більш рівноважні положення з кутами біля 120° в потрійному стику границь. Колишня площина стика, маючи скупчення фізичних і хімічних недосконалостей, утримує границі зерен. Однак додаткова деформаційна активація металу в зоні стика шляхом вдавлювання алмазної піраміди, як видно з рис.1.35,в призвела до переміщення границі.

Вибір оптимальних умов зварювання повинен враховувати необхідність обмеження росту зерна і запобігання різнозернистості, що визначається температурою, величиною і швидкістю деформації, часом, хімічним складом і структурою металу. Для вибору оптимальних умов потрібно користуватися діаграмами рекристалізації, які показують спільний вплив деформації і температури на величину зерна [25]. Наприклад, таку діаграму показано на рис.1.36 [71].

105

Рис.1.35. Мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЭИ602 після нагрівання без тиску при 1150 °С і вакуумного травлення; а, б – ×440; в – ×200.

Зменшено при друкуванні в 2 рази

в

Рис.1.36. Діаграма рекристалізації сплаву Ni–Cr–Al–Co

Аналогічні діаграми можуть бути побудовані для умов з'єднання металів у твердому стані з підігрівом. Дослідження рекристалізації сплаву ЭП99 при дифузійному зварюванні показали, що максимальна

106

величина зерна досягається при певному тискові, який викликає критичну деформацію, а потім розмір зерна зменшується. З ростом температури зварювання тиск, що викликає критичну деформацію, падає.

В умовах термодеформаційного циклу зварювання можна спостерігати також ефект термомеханічної обробки металів. Термомеханічна обробка представляє сукупність операцій нагрівання, деформації та охолодження (у різній послідовності), у результаті яких формування остаточної структури сплаву, а отже, і його властивостей відбувається в умовах підвищеної щільності недосконалостей кристалічної будови, створених пластичною деформацією [8].

При пластичній деформації неминуче формування складних скупчень дислокацій. Вони утворюють неправильної форми сітки, комірки, сплетіння, що нерівномірно розподілені по тілу зерна. При такій структурі деформованого металу в умовах підвищеної щільності дислокацій їх рух гальмується, що і забезпечує ріст міцності металу, тобто ефект термомеханічної обробки.

Час, що необхідний для утворення в стику спільних зерен, залежить від температури і пластичної деформації. На рис.1.37 показано мікроструктуру з'єднань при дифузійному зварюванні сплаву ЭИ602. На відміну від зразків, мікроструктура яких представлена на рис.1.35, тиск 22 МПа підтримувався постійно протягом усього часу зварювання (3 хв), а потім зразки швидко охолоджували на повітрі. Порівняння мікроструктур (див. рис.1.37 і рис.1.35) показує, що при постійнодіючому тискові процес інтенсивного зростання зерна гальмується. На мікроструктурі чітко видно сліди пластичної деформації. Різне забарвлення зерен свідчить про різну орієнтацію блоків, утворення яких відбувається шляхом ковзання всередині зерна. На границях зерен, у тому числі і в зоні стика, виникають зародки нових зерен і утворюються ланцюжки дрібних зерен. На окремих ділянках стика спостерігається утворення спільних зерен.

107

При великих пластичних деформаціях текстура деформованого металу впливає на властивості з'єднань, особливо на їх пластичність і ударну в'язкість. Наприклад, на рис.1.38 показано загальний вигляд зразків після зварювання тертям катаних прутків хромонікелевої кар- бідно-аустенітної сталі, зміцненої азотом.

Рис.1.37. Мікроструктура зварного з'єднання сплаву ЭИ602 після нагрівання під тиском і вакуумного

Рис.1.38. Загальний вигляд зразків

травлення; ×200.

після зварювання тертям

Зменшено при друкуванні в 2 рази

Оскільки зварювалися катані прутки по площині, перпендикулярній напрямку волокон, то при видавлюванні металу в зоні деформації волокна змінюють свій напрямок від перпендикулярного на паралельний до стика. Незважаючи на рівну міцність зварних з'єднань і основного металу при статичному розтягуванні, їх ударна в'язкість значно нижча, ніж основного металу, щообумовлено характером структури металу.

1.6.Електронний механізм утворення з'єднань

утвердому стані

Утворення з'єднань на електронному рівні вперше було розглянуто Г.В. Самсоновим із співробітниками. При цьому вони виходили з конфігураційної моделі твердого тіла і вважали, що схоплювання по-

108

верхонь призводить до утворення стабільних електронних конфігурацій між атомами речовин контактуючої пари [118]. Якщо з'єднуються дві речовини з високими статистичними масами стабільних електронних конфігурацій, то схоплювання їх істотно послаблюється.

Для s-елементів (берилій, магній, метали підгруп міді і цинку) характерне утворення переважно s2 стабільних конфігурацій локалізованих електронів. Для перехідних металів властиві стабільні конфігурації d 0, d 5 і d10 (d-елементи). Для sр-елементів характерне утворення гібридних spx стабільних конфігурацій, що прагнуть до перетворення в квазістабільну s1р3 або стабільну s2р6 конфігурації.

Сьогодні у зварних конструкціях широко застосовуються такі d-перехідні метали, як титан, ніобій, молібден, вольфрам. Розглянемо особливості їх з'єднання при дифузійному зварюванні у вакуумі з позиції електронних конфігурацій [118]. Оптимальні режими зварювання цих металів, за даними роботи [51], наведено в табл.1.7.

Таблиця 1.7. Оптимальні режими зварювання перехідних металів

Температура зварювання Тзв, К, і відношення Tзв у функції ста-

Tпл

тистичної маси d 5-конфігурацій Р5 показані на рис.1.39. З рисунка видно, що з підвищенням статистичної маси d 5-конфігурацій атомів зварюваних металів, температура зварювання підвищується. Відношення температур зварювання і плавлення практично є постійним, що пояс-

109

нюється однаковою залежністю їх температури плавлення від статистичної маси стабільних конфігурацій.

а

Рис.1.39. Залежність оптимальної температури зварювання (а) і відношення температури зварювання до температури плавлення (б) від статистичної маси d 5-конфігурацій з'єднуваних металів

Дифузійні процеси і їх енергетичні характеристики також залежать від статистичної маси та енергетичної стійкості стабільних електронних конфігурацій. Підвищення статистичної маси стабільних конфігурацій призводить до підвищення енергії активації дифузії. З ростом статистичної маси нелокалізованих електронів енергія активації дифузії зменшується. При гетеродифузії її параметри залежать від характеру впливу дифузійного елемента на статичну масу електронних конфігурацій. Якщо росте статична маса стабільних конфігурацій локалізованих електронів, то коефіцієнт дифузії зменшується; якщо росте статистична маса нелокалізованих електронів, то коефіцієнт дифузії збільшується.

При зварюванні тугоплавких перехідних металів із карбідами, боридами, нітридами тощо, в яких атоми неметалу утворюють гібридні sр, sр2 і sр3 конфігурації, нелокалізовані електрони перехідного металу

110