ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Закономерности кристаллизации сварного шва из "Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений Издание 2 " Процесс кристаллизации расплавленного металла, как и процесс плавления, связан с переходом к состоянию с меньшей свободной энергией. Если считать, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое объем его изменяется мало (для большинства металлов среднее изменение плотности составляет 3 %), то справедливо выражение 1/ — Р -г Т8 (V — полная внутренняя энергия системы Р — свободная энергия системы Т8 — связанная энергия системы, здесь Т — абсолютная температура 5 — энтропия — функция вероятности состояния, имеет максимум при равновесии). [c.30] С понижением температуры изменение величины Р для жидкого и твердого металла различно (см. рис. 3.1), что обусловливает существование в определенном интервале температур того или иного состояния металла с наименьшей свободной энергией. Такой равновесной температурой для системы твердый металл — жидкость является температура на рис. 3.1. Однако при этой температуре свободные энергии жидкого и твердого Р металлов равны, поэтому активного перехода одного состояния в другое не происходит. Для того чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо отклонение от равновесной температуры — переохлаждение жидкого металла на АГ . При этом свободная энергия металла изменится на А/к- Практически влиять на степень переохлаждения возможно, изменяя скорость охлаждения металла, увеличение которой увеличивает АТ (рис. 3.2). Однако не следует считать, что увеличение степени переохлаждения может быть беспредельным, предельное значение зависит от природы металла. Папример, по данным Ю. М. Лахтина, при охлаждении расплавленного олова может быть достигнута степень переохлаждения 118°С, при охлаждении сурьмы 135 С. [c.30] В более равновесное прн данном переохлаждении твердое состояние (рис. 3.3, кривая 1), с другой — увеличение размера зародыша приводит к увеличению его поверхности, а следовательно, к увеличению поверхностной энергии (кривая 2). [c.31] В результате взаимодействия этих двух факторов изменение свободной энергии характеризуется кривой, имеющей максимум (кривая 3). Представленная закономерность свидетельствует о том, что на первых стадиях рост зародьипа приводит к увеличению свободной энергии, в связи с чем его существование будет неустойчивым (группы атомов будут рассредотачиваться с такой же активностью и вероятностью, как и собираться), и только после достижения зародышем определенного критического размера / крит он станет устойчивым, начнет расти, поскольку увеличение его размера вызывает снижение свободной энергии металла. [c.31] Критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения (рис. 3.4), что приводит к созданию условий для образовант1я большего числа зародышей. [c.31] Приведенная закономерность увеличения скоростей зарождения и роста кристаллов справедлива только до определенной степени переохлаждения, достигнув максимума, скорости начинают снижаться. Это связано с тем, что и зарождение, и особенно рост кристаллов требуют непрерьшного поступления атомов к местам их образования и роста, а подвижность атомов с понижением температуры уменьшается. Таким образом, с увеличением степени переохлаждения скорости зарождения и роста кристаллов повышаются, пока определяющим фактором является уменьшение свободной энергии металла, и начинают снижаться после того, как решающее значение приобретает уменьшение подвижности атомов. [c.32] Помимо таких естественных очагов кристаллизации, какими становятся образовавшиеся из расплава зародыши, существуют и искусственные очаги — частицы включений, не растворившихся при плавлении или выделившихся из расплава при температуре выше температуры начала кристаллизации металла. Наилучшими частицами такого рода служат вещества, кристаллическая решетка которых по типу и параметрам близка к решетке кристаллизующегося металла. Поэтому наилучшими очагами такой кристаллизации являются инородные частицы или частицы того же металла, что и расплав. Примеси, не имеющие указанного структурного соответствия, также могут стать искусственными центрами кристаллизации, если они находились в расплаве и поверхностные силы привели к адсорбции на них атомов расплавленного металла. Поскольку рассмотренные центры кристаллизации существуют и в жидком металле, для кристаллизации на них требуется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного зародыша (кристаллизация на них начинается раньше). [c.32] Образование при кристаллизации дендритов — древовидных кристаллов со стволом и ветвями — определяется двумя положениями. Во-первых, рост первичного зародыша кристалла наиболее активно идет в направлении, перпендикулярном плоскостям с наибольшей плотностью упаковки атомов. Во-вторых, там, где отвод теплоты неравномерен, наиболее активно рост идет в направлении, перпендикулярном плоскости отвода теплоты. [c.33] В реальных условиях кристаллизация расплавленного металла идет в пространстве, ограниченном твердыми, более холодными поверхностями — стенками и дном изложницы, стенками литейной формы, твердым металлом в сварочной ванне. В этом случае рост основной оси (ось первого порядка — ствол дендрита), образующейся близко от поверхности кристаллизации, должен идти перпендикулярно этой поверхности. В этом же направлении в стволе выстраиваются одинаковые кристаллографические плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные плотноупакованным. Подрастающий ствол сам становится элементом отвода теплоты, в связи с чем от него в разных местах начинают расти ветви — оси второго порядка также с определенной ориентацией кристаллографических плоскостей. Затем от осей второго порядка растут оси третьего порядка и т. д. (рис. 3.6). [c.33] Наличие многих очагов кристаллизации приводит к тому, что при кристаллизации зарождается и растет много дендритов или равновесных кристаллов. Поверхности растущих кристаллов сталкиваются и мешают взаимному развитию, поэтому их форма становится неправильной, а благодаря различной ориентировке конгломерат (поликристаллический металл) теряет анизотропность отдельных осей и становится изотропным. Разориентиро-ванные дендриты и кристаллы неправильной формы называют кристаллитами. [c.33] С учетом изложенных общих закономерностей кристаллизации можно рассмотреть металлургические особенности кристаллизации и кристаллического строения сварных швов, полученных методами дуговой сварки плавлением. [c.34] Если мгновенно прекратить сварку и создать условия для предотвращения растекания головной части ванны, то характер кристаллизации можно представить так, как это изображено на рис. 3.9. Рост кристаллов начинается с закристаллизовавшейся поверхности металла шва. Кристаллы из хвостовой части вытягиваются вдоль оси шва, они имеют большую протяженность кристаллы с боковых поверхностей, растущие с кромок в задней части ванны, составляют с осью шва определенный угол. Размеры кристаллов, растущих с боковых поверхностей, и угол их наклона к оси шва зависят от многих факторов — толщины и массы сварив аемого металла, его температуры и теплофизических свойств, от скорости сварки, силы сварочного тока, технологии сварки (например, числа сварочных дуг) и др. При рассмотренном характере кристаллизации ванны кристаллическое строение сварного шва имеет вид, показанный на рис. 3.10. [c.35] Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другой в соответствии с минимумом свободной энергии, отвечающем тому или иному расположению атомов (см. рис. 3.1). Такой переход при нагреве или охлаждении металла называют аллотропическим или полиморфным превращением. Процессы аллотропических изменений подчиняются законам кристаллизации (для их протекания требуется перенагрев или переохлаждение), рост зерен новой фазы (кристаллов с другой атомной решеткой) подчиняется законам образования и роста зародышей. [c.37] После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кристаллизация (перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет кристаллическое строение — возникают и растут новые зерна, появляются новые границы зерен. Характерной особенностью перекристаллизации в твердом состоянии при охлаждении является то, что она может происходить при различных, даже очень больших, степенях переохлаждения. Поэтому вторичная кристаллизация может быть диффузионной, связанной с перемещением атомов (малые степени переохлаждения) и бездиффузион-ной (большие степени переохлаждения). [c.37] Полиморфные превращения как при нагреве, так и при охлаждении имеют большое значение, они влияют на кристаллическую структуру, зернистость, свойства металлов и сплавов. [c.38] При перекристаллизации зародыши новых зерен возникают, как правило, на границах старых. Число зародышей и скорость их роста зависят от скорости нагрева и величины перенагрева, скорости охлаждения и переохлаждения. Это позволяет влиять на размер зерен металлов и сплавов. [c.38] Особое значение процессов вторичной кристаллизации для сварных швов имеет несколько аспектов. Во-первых, при охлаждении после сварки, если металл сварного шва (закристаллизовавшейся сварочной ванны) подвергается вторичной кристаллизации, нарушается неблагоприятное строение в виде вытянутых столбчатых кристаллов и возникает новая, более мелкозернистая структура, часто и мелких равноосных зерен. Во-вторых, перегретые при сварке плавлением или давлением зоны основного металла можно вновь сделать мелкозернистыми в результате дополнительного нагрева с малым перенагревом выше температуры полиморфного превращения о последующим охлаждением с той или иной скоростью. [c.38] В-третьих, при сварке металлов давлением в твердом состоянии после обеспечения надлежащего контакта и создания активных центров при перекристаллизации в твердом состоянии, сопровождающейся образованием и ростом новых зерен, происходит их прорастание через бывшую границу раздела и повышение качества и свойств сварного соединения. Немаловажную роль играют и процессы диффузии, которые существенно ускоряются, особенно при некоторых видах полиморфных превращений. Такой эффект улучшения свойств сварного.соединения при полиморфном превращении иногда используют, подвергая сварное соединение при сварке давлением многократным циклическим нагревам и охлаждениям с переходом через температуру превращения. [c.38] В промышленности чаще всего применяют не чистые металлы, а сплавы двух или нескольких элементов на основе какого-либо одного металла. Так, стали — сплавы на основе железа содержат углерод, марганец, кремний, а в специальных случаях никель, хром, молибден и другие элементы. Содержание железа составляет обычно более 90 % и только у отдельных сталей со специальными свойствами — более 60 %. [c.38] Путем термообработки можно в широких пределах изменять физические и механические свойства большей части промышленных сплавов. Возможность изменения свойств сплавов путем термообработки, их свариваемость, структура и свойства сварных соединений и, что очень важно, возможность получения надежного соединения при сварке сплавов на основе разных металлов определяются природой сплавов, их строением, фазовым состоянием и составом, изменениями, происходящими при нагреве и охлаждении как в процессе термообработки, так и в процессе сварки. [c.39] Вернуться к основной статье