3.6. Химическая неоднородность сварного соединения
Формирование сварного соединения сопровождается сложными диффузионными процессами в жидкой и твердой фазах, которые приводят к изменению химического состава в различных зонах, выделению или перераспределению примесей и ЛЭ.
Состав кристаллизирующейся твердой фазы будет отличаться от состава исходного расплава, т. к. сначала затвердевают более чистые материалы, а расплав будет постоянно изменять химический состав.
Неоднородность по химическому составу, наблюдаемая в отливках и сварных швах в результате особенностей кристаллизации, называется ликвацией, а участки с выраженным увеличением содержания примесей – ликвационными зонами, или просто ликвациями.
Распределение примеси или ЛЭ при постоянной скорости кристаллизации выражают через коэффициент распределения К – отношение концентраций элементов в твердой и жидкой фазах, Ств/Сж. Для большинства сплавов К < 1, т.е. растворимость элемента в твердой фазе меньше, чем в жидкой.
В металле шва наблюдаются преимущественно два вида ликвации: дендритная (микрохимическая неоднородность) (МХН) и зональная. В свою очередь, дендритная ликвация может быть внутри - и межкристаллической (рис. 15).
Внутрикристаллическая химическая неоднородность (ВХН) проявляется как различное содержание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (1, 2, 3, 4).
На рис. 16 показано распределение примесей. В центральной части шва в зоне встречи двух противоположных фронтов кристаллизации обычно количество примесей невелико, во всяком случае, не больше, чем в пограничных областях между соединениями ячейками или осями дендритов, так как большая часть примесей захватывается боковыми гранями или ветвями.
|
Рис. 15. Виды химической неоднородности сварного шва |
Межкристаллическая химическая неоднородность определяется как отношение концентраций примеси в пограничной зоне и в центре кристаллита (С5/С2) и является результатом оттеснения к границам растущих кристаллитов различных легкоплавких эвтектик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки (рис. 16). |
|
Рис. 16. Распределение примесей в зоне срастания кристаллов |
Особую опасность представляют располагающиеся здесь легкоплавкие эвтектики типа сернистых. При дендритном (рис. 16, а) или ячеистом (рис. 16, б) типе кристаллизации в результате бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые или в междендритные пространства. |
Заметное влияние на формирование МХН оказывает прерывистость процесса кристаллизации, которая характеризуется микроскопическими изменениями средней скорости кристаллизации: замедлением, остановкой и ускорением (рис. 17).
Все это является причиной "слоистости" сварного шва. При нерегулярном характере изменений Vкр на поверхности шва появляются геометрические нарушения, наблюдаемые как "чешуйчатость" шва.
|
Рис. 17. Распределение примеси по оси кристаллита (а), регулярная (б) и нерегулярная (в) слоистость шва |
При замедлении и остановке Ств приближается к равновесной СоК, при ускорении процесс приближается к бездиффузионной кристаллизации, а Ств – к максимальной в концентрационном уплотнении Со/К. Микроскопическое изменение Vкр имеет регулярный характер, связанный с процессом выделения тепла при кристаллизации, и нерегулярный, обусловленный колебаниями режима сварки, падением капель, механическими колебаниями изделия и т. п. |
Межкристаллитная МХН образуется путем отвода растворенных примесей от вершины к подножию выступов при их росте в зоне концентрационного уплотнения. При ячеистом и дендритном типах кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые пространства.
Распределение примесей, формируемое в процессе кристаллизации шва, может существенно отличаться от распределения примесей в конечной структуре шва. Это связано с процессами выравнивающей диффузии, скоростью охлаждения и другими факторами.