Кристаллизация металла шва

Строение и кристаллизация сварного шва

Кристаллизация металла в зоне сварки

Сварочная ванна представляет собой участок расплавленного метала, перемещающийся вместе со сварочной дугой вдоль шва со скоростью сварки. Она имеет в продольном сечении форму, показанную на рисунок справа. В головной части ванна глубже, так как здесь жидкий металл находится под давлением дуги РД, обусловленным давлением газов, ударами заряженных частиц о поверхность металла и электромагнитным дутьем дуги. Глубина ванны зависит от плотности тока и скорости сварки, возрастая с повышением плотности и уменьшением скорости.

Жидкий металл ванны находится в непрерывном движении и перемешивании. Давлением дуги он вытесняется со дна ванны на ее боковые поверхности, образуя кратер.

Жидкий металл откладывается отдельными порциями и давление дуги периодически изменяется, отчего при затвердевании металла шва на его поверхности образуются волны (чешуйки). Чем толще слой шлака над расплавленным металлом шва, тем чешуйки будут тоньше, а поверхность шва — более ровной и чистой. Особенно чистой поверхность шва получается при автоматической сварке под флюсом.

При ручной дуговой сврке размеры ванны примерно следующие, мм: длина = 20-30, ширина = 8-12, глубина = 2-3 мм

При сварке под флюсом размеры ванны примерно следующие, мм: длина = 80-120, ширина = 20-30, глубина = 15-20.

Время, в течение которого металл ванны находится в жидком состоянии, зависит от способа и скорости сварки. Например, при ручной сварке током 150—200 а со скоростью от 3 до 11 м/ч это время составляет от 24 до 6,5 сек при автоматической под флюсом со скоростью 50 м/ч — 4,4 сек.

По линии АБВ ванны (см. рис. 32) протекает процесс плавления основного металла, а по линии ВГА — кристаллизации металла шва.

Кристаллизацией называется процесс образования зерен (кристаллитов) расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Это, так называемая, первичная кристаллизация. Существует еще вторичная кристаллизация, при которой происходит изменение структуры уже затвердевшего металла. Первичная кристаллизация металла шва начинается в результате его охлаждения при отводе тепла в толщу твердого металла, окружающего сварочную ванну. Сначала возникают отдельные центры кристаллизации, а от них начинают расти уже сами кристаллы, образующие зерна металла.

Первичная кристаллизация зарождается в первую очередь по линии сплавления I—II (рис. 33, а), на границах частично оплавленных зерен твердого металла, так как именно здесь начинается охлаждение ванны. Кристаллы растут в сторону толщи металла шва, как показано стрелкой, перпендикулярно плоскости отвода тепла. Количество, форма и расположение зерен зависят от места зарождения центров кристаллизации, скорости роста зерен, скорости охлаждения и направления отвода тепла, а также от наличия в расплавленном металле посторонних включений. При затвердевании металла сварочной ванны (рис. 33, б) сначала возникают быстрорастущие кристаллы вследствие интенсивного отвода тепла в основной металл. Между ними появляются более мелкие и медленнее растущие кристаллы, поскольку от них тепло отводится не так быстро. Затем зерна смыкаются и из них продолжают расти только те, которые расположены перпендикулярно поверхности раздела между твердым и жидким металлом. При уменьшении скорости охлаждения центры кристаллизации возникают более равномерно по всему объему металла, а зерна растут во все стороны. Первичная кристаллизация металла шва протекает периодически и при специальном травлении в нем можно различить слоистое строение.

Металл шва в результате первичной кристаллизации получает или гранулярную (зернистую) структуру, при которой зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники, или столбчатую и дендритную структуру, при которой зерна вытянуты в одном направлении (рис. 33, в). При столбчатой структуре зерна имеют компактную вытянутую форму, при дендритной — ветвистую, напоминающую дерево. Дендриты обычно располагаются в столбчатых зернах, являясь их основой.

Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение. Столбчато-дендритная структура с крупными зернами (см. рис. 33, в) характерна для сварки под флюсом, где охлаждение металла шва происходит медленнее, чем при ручной сварке. Гранулярная структура присуща сварке покрытыми электродами. Она может быть крупной и мелкой, в зависимости от условий охлаждения и кристаллизации. Мелкозернистая гранулярная структура повышает механические свойства наплавленного металла.

Зерна основного металла отличаются по форме от зерен металла шва тем, что они деформированы и вытянуты в направлении прокатки.

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зерен, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства.

Форма шва имеет значение для направления кристаллизации и расположения неметаллических включений. При широких швах (рис. 33, г) эти включения вытесняются наверх и могут быть легко удалены; при узких швах (рис. 33, д) включения часто остаются в середине шва между зернами.

Читайте также:
Круг для шлифовки металла

Строение сварного шва

Рассмотрим вопрос о строении сварного шва на примере сварки низкоуглеродистой стали, имеющей наибольшее применение в сварных конструкциях.

На тщательно отшлифованной поверхности разреза сварного шва, протравленной специальным раствором, можно ясно видеть отдельные участки, имеющие различное строение зерен и называемые зонами сварного шва. Эти зоны следующие.

Основной металл, который в процессе сварки нагревается и частично расплавляется. Чем выше температура нагрева, тем большие изменения будет претерпевать металл. В той зоне основного металла, где температура нагрева углеродистой стали не превышает 720° С, сталь сохраняет те же свойства, которыми она обладала до сварки.

Металл шва образуется в результате кристаллизации расплавленных основного и электродного (присадочного) металла. Доля электродного металла шва составляет при ручной дуговой сварке от 50 до 70%, при сварке под флюсом от 30 до 40%. Химический состав металла шва может значительно отличаться от состава основного металла вследствие химических реакций и перемешивания, происходящих в сварочной ванне. На химический состав металла шва влияет также состав покрытия, флюса, режим сварки, защита дуги от окружающей атмосферы и пр.

Зона сплавления, расположенная на границе между основным и наплавленным металлом. Если зерна основного и наплавленного металла хорошо срослись и как бы проникают друг в друга, то такие швы обладают наибольшей прочностью. Зона сплавления имеет очень малую ширину и трудно различима, так как сливается с границей шва. Если между зернами основного металла и металла шва имеется пленка окислов, то в этом месте шов обладает пониженной прочностью из-за нарушения сцепления частиц основного и наплавленного металла.

Зона влияния. За зоной сплавления располагается участок основного металла, где он не изменяет своего первоначального химического состава. Однако структура основного металла, на этом участке меняется под влиянием нагревания при сварке. Этот участок носит название зоны термического (теплового) влияния или просто зоны влияния.

Строение зоны влияния при ручной дуговой сварке низкоуглеродистой стали схематически показано на рис. 34, а. Рядом с металлом шва расположена зона сплавления, с которой граничит участок перегрева. Здесь основной металл уже не нагревается до температуры плавления, хотя температура его достаточно высока и лежит в пределах 1100—1500° С, что вызывает значительный рост зерен на данном участке, и почти всегда сопровождается образованием игольчатой (видманштеттовой) структуры. Эта часть шва обычно является наиболее слабым местом и металл здесь обладает наибольшей хрупкостью, хотя это существенно не влияет на прочность сварного соединения в делом, за исключением тех случаев, когда перегрев значителен.

По мере удаления от оси шва температура металла понижается. В пределах температур 900—1100°С находится участок нормализации, характеризующийся наиболее мелкозернистым строением, так как здесь температура нагрева лишь незначительно превышает критическую* температуру. На участке нормализации металл сварного соединения обладает наибольшей прочностью и пластичностью.

Следующий участок основного металла, лежащий в пределах температур 720—900° С, подвержен лишь частичному изменению структуры и потому называется участком неполной перекристаллизации. В нем наряду с довольно крупными зернами имеются скопления мелких зерен. В этой части металла подведенного тепла уже оказалось недостаточно для перекристаллизации и измельчения всех зерен. Участок, соответствующий нагреву от 500 до 720°С, называется участком рекристаллизации; в нем структура стали не изменяется, а происходит лишь восстановление прежней формы и размеров зерен, разрушенных и деформированных при прокатке металла. При дальнейшем понижении температуры от 500° С и ниже нельзя заметить признаков теплового воздействия на основной металл.

Наименьшую ширину (около 2,5 мм) зона термического влияния имеет при ручной дуговой сварке голыми и тонкопокрытыми электродами. При ручной сварке толстопокрытыми’ электродами зона влияния больше и составляет 5—6 мм. При газовой сварке она наибольшая и достигает 25—27 мм. Ширина зоны влияния зависит от основных условий процесса сварки, определяемых толщиной и видом свариваемого металла (величины тока, скорости сварки, условий отвода тепла от места сварки). Так, например, при автоматической сварке низкоуглеродистой стали толщиной 40 мм, со скоростью 10—12 м/ч, током 2000—2500 а ширина зоны влияния достигает 8—10 мм; при автоматической сварке этой же стали толщиной 2 мм, током 1200—1400 а, при скорости 360 м/ч ширина зоны влияния всего 0,5—0,7 мм.

При сварке среднеуглеродистых и низкоуглеродистых сталей, склонных к закалке, структура металла в зоне влияния будет несколько иной (рис. 34, б). В этом случае за участком сплавления будут расположены (в направлении слева — направо): 8 — участок закалки, 9 — участок неполной закалки, 10— зона отпуска, 11 — основной металл.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Особенности кристаллизации металла шва

Кристаллизацией называется процесс образования зерен (кристаллитов) расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Это, так называемая, первичная кристаллизация. Существует еще вторичная кристаллизация, при которой происходит изменение структуры уже затвердевшего металла. Первичная кристаллизация металла шва начинается в результате его охлаждения при отводе тепла в толщу твердого металла, окружающего сварочную ванну. Сначала возникают отдельные центры кристаллизации, а от них начинают расти уже сами кристаллы, образующие зерна металла.

Читайте также:
Марки нержавеющей стали для пищевой промышленности

Первичная кристаллизация зарождается в первую очередь по линии сплавления I—II (рис. 33, а), на границах частично оплавленных зерен твердого металла, так как именно здесь начинается охлаждение ванны. Кристаллы растут в сторону толщи металла шва, как показано стрелкой, перпендикулярно плоскости отвода тепла. Количество, форма и расположение зерен зависят от места зарождения центров кристаллизации, скорости роста зерен, скорости охлаждения и направления отвода тепла, а также от наличия в расплавленном металле посторонних включений. При затвердевании металла сварочной ванны (рис. 33, б) сначала возникают быстрорастущие кристаллы вследствие интенсивного отвода тепла в основной металл. Между ними появляются более мелкие и медленнее растущие кристаллы, поскольку от них тепло отводится не так быстро. Затем зерна смыкаются и из них продолжают расти только те, которые расположены перпендикулярно поверхности раздела между твердым и жидким металлом. При уменьшении скорости охлаждения центры кристаллизации возникают более равномерно по всему объему металла, а зерна растут во все стороны. Первичная кристаллизация металла шва протекает периодически и при специальном травлении в нем можно различить слоистое строение.

Металл шва в результате первичной кристаллизации получает или гранулярную (зернистую) структуру, при которой зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники, или столбчатую и дендритную структуру, при которой зерна вытянуты в одном направлении (рис. 33, в). При столбчатой структуре зерна имеют компактную вытянутую форму, при дендритной — ветвистую, напоминающую дерево. Дендриты обычно располагаются в столбчатых зернах, являясь их основой.

Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение. Столбчато-дендритная структура с крупными зернами (см. рис. 33, в) характерна для сварки под флюсом, где охлаждение металла шва происходит медленнее, чем при ручной сварке. Гранулярная структура присуща сварке покрытыми электродами. Она может быть крупной и мелкой, в зависимости от условий охлаждения и кристаллизации. Мелкозернистая гранулярная структура повышает механические свойства наплавленного металла.

Зерна основного металла отличаются по форме от зерен металла шва тем, что они деформированы и вытянуты в направлении прокатки.

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зерен, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства.

Форма шва имеет значение для направления кристаллизации и расположения неметаллических включений. При широких швах (рис. 33, г) эти включения вытесняются наверх и могут быть легко удалены; при узких швах (рис. 33, д) включения часто остаются в середине шва между зернами.

Структура шва и ЗТВ

Теплота, выделяемая сварочным источником нагрева, распространяется на прилегающие ко шву участки основного металла. При нагреве и последующем остывании в этих участках изменяются структура и свойства металла. Участок основного металла, подвергающийся в процессе сварки нагреву до температуры, при которой происходят видимые или невидимые структурные изменения, называют зоной термического влияния (околошовной зоной). Наряду с тепловым воздействием основной металл околошовной зоны, как правило, претерпевает и пластическую деформацию.

Температура нагрева различных участков зоны термического влияния находится в пределах от точки плавления металла (у шва) до начальной температуры основного металла. Строение и размеры зоны термического влияния зависят от химического состава и теп-лофизических характеристик свариваемого материала, а также от термического цикла сварки.

Зона термического влияния является обязательным спутником шва при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее изменяется в достаточно широких пределах в зависимости от способа и режима сварки, состава и толщины основного металла и ряда других факторов. Меньшая ширина зоны относится к условиям сварки, характеризуемым большим перепадом температур.

На рис. 2-47 приведена схема строения зоны термического влияния при сварке однослойного стыкового шва на конструкционных сталях. Рассмотрим на этом примере структурные превращения в околошовной зоне. Первый участок зоны примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке находится в твердо-жидком состоянии. Здесь и происходит собственно сварка, т. е. формирование кристаллитов шва на частично оплавленных зернах основного металла. Участок имеет небольшую ширину. По своему составу и структуре он отличается от соседнего участка основного металла. За время контакта жидкой и твердой фаз в нем протекают диффузионные процессы и развивается химическая неоднородность.

Совокупность первого участка околошовной зоны и пограничного участка металла шва именуют зоной сплавления или переходной зоной. Свойства переходной зоны оказывают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции. На этом участке часто образуются трещины, ножевая коррозия, усталостные разрушения при вибрационной нагрузке, хрупкие разрушения и т. п. Поэтому дальнейшее изучение свойств переходной зоны представляет первостепенный интерес. Ширина переходной зоны зависит от природы источника нагрева, теплофи-зических свойств, состава и толщины (до определенных пределов) основного металла, режима сварки и других факторов.

Читайте также:
Мини горн своими руками

Второй участок околошовной зоны, получивший название участка перегрева (участка крупного зерна), включает металл, нагретый до температуры примерно 1200° С до температуры плавления. Металл на этом участке претерпевает аллотропические превращения. При нагреве сс-железо переходит в у-железо, причем в результате значительного перегрева происходит рост аусте-нитного зерна.

Характер вторичной структуры металла на этом участке зависит от его состава и термического цикла сварки. Например, при электрошлаковой сварке низкоуглеродистой стали образуется крупнозернистая видманштеттова структура. Обычно, особенно в тех случаях, когда перегрев сочетается с последующей закалкой, металл на втором участке околошовной зоны обладает худшими свойствами (меньшая пластичность, меньшая стойкость против перехода в хрупкое состояние), чем основной металл вне зоны термического влияния. Задача выбора рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств металла на этом участке.

Третий участок околошовной зоны получил название участка перекристаллизации (нормализации). Он включает металл, приобретший в процессе нагрева полностью аустенитную структуру.

Четвертый участок околошовной зоны, получивший название участка неполной перекристаллизации, включает металл, нагретый от температуры, при которой во время нагрева начинаются аллотропические превращения (

720° С), до температуры около 880° С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации. Изменения структуры металла на этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения углеродистых конструкционных сталей, чем изменения, происходящие в первых трех участках.

На пятом участке околошовной зоны, именуемом участком старения при рекристаллизации, металл нагревается от температуры примерно 500° С до температуры несколько ниже температуры 720° С. Здесь происходит сращивание раздробленных при нагартовке (ковке, прокатке) зерен основного металла и некоторое разупрочнение его по сравнению с исходным состоянием. Снижение прочности наблюдается также при сварке основного металла, подвергшегося упрочняющей термообработке. На этом же участке околошовной зоны при сварке углеродистых конструкционных сталей с содержанием до 0,3% С при некоторых условиях наблюдается снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла. Можно предположить, что это обусловливается старением после закалки и дисперсионным твердением.

Кристаллизация металла сварного шва

Кристаллизация является, как правило, фазовым переходом первого рода и представляет собой процесс образования кристаллов из газа, раствора, расплава, аморфного тела (стекла) или из кристалла другой структуры.

В зависимости от исходного состояния кристаллизующегося вещества (расплав, кристалл) выделяют первичную и вторичную кристаллизации. Под п е р в и ч н о й кристаллизацией понимают рост кристаллов из расплава при затвердевании сварочной ванны. У металлов и сплавов, претерпевающих полиморфные превращения, в процессе охлаждения в твердом состоянии протекает в т о р и ч н а я кристаллизация, или п е р е к р и с т а л л и з а ц и я.

Первичная кристаллизация сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации и у с а д к о й – уменьшением объема кристаллизующегося металла. Чистые металлы затвердевают при постоянной температуре, называемой т е м п е р а т у р о й к р и с т а л л и з а ц и и. Сплавы кристаллизуются в температурном интервале от температуры ликвидуса до температуры солидуса.

Кристаллизация расплавленного металла протекает в хвостовой части сварочной ванны (см. рис.2.20) и включает в себя процессы возникновения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

Центры кристаллизации (зародыши) образуются из кластеров жидкости. Кластеры (дозародыши) представляют собой случайно возникающие в жидкости и существующие непродолжительное время комплексы из упорядоченно расположенных атомов. Чем ниже температура жидкости, тем больше величина (радиус) дозародышей и время их жизни. Кластер, имеющий радиус r, превышающий критический rкр, становится устойчивым и превращается из дозародыша в зародыш, т.е. в центр кристаллизации.

Образование центров кристаллизации может протекать по гомогенному или гетерогенному механизму.

Гомогенная кристаллизация характерна для чистых и сильно переохлажденных жидкостей. П е р е о х л а ж д е н и е м DT называют понижение температуры расплава T ниже температуры термодинамического равновесия T кристалла с расплавом: . Температура T соответствует температуре равновесного ликвидуса и определяется из диаграммы состояния.

Переохлажденная жидкость находится в метастабильном состоянии и может сохранять свое агрегатное состояние сколь угодно долго, если в ней не возникли центры кристаллизации. По достижении определенной степени переохлаждения DT в жидкости возникают кластеры с r > rкр и начинается процесс кристаллизации.

Читайте также:
Наводораживание металла это

Для гомогенной кристаллизации требуются большие переохлаждения. Например, подвергнутая глубокой очистке вода может сохранять жидкое состояние до – 40 о С, а для начала кристаллизации чистых металлов требуется переохлаждение (в К).

Гомогенная кристаллизация может развиваться в сварочной ванне только при отсутствии условий для протекания процесса гетерогенной кристаллизации.

Гетерогенная кристаллизация осуществляется путем зарождения зародышей на подплавленных зернах основного металла и неметаллических включениях. В данном случае образование центров кристаллизации обусловливается незначительными переохлаждениями, оставляющими несколько градусов.

Гетерогенный механизм образования центров кристаллизации реализуется при сварке промышленных сплавов и технически чистых металлов.

При гетерогенной кристаллизации сплавов кроме термического переохлаждения существенное значение имеет концентрационное переохлаждение.

К о н ц е н т р а ц и о н н ы м п е р е о х л а ж д е н и е м называется эффект снижения температуры ликвидуса на фронте кристаллизации. Такое явление происходит из-за накопления легирующих элементов или легкоплавких примесей перед фронтом кристаллизации (рис.2.30). Вклад концентрационного переохлаждения в образовании центров кристаллизации растет с увеличением скорости затвердевания металла, например, при контактной точечной сварке.

Рост кристаллов в сварочной ванне происходит путем наращивания атомов на зародыши. Процесс роста кристаллов идет прерывисто. После затвердевания некоторого объема металла выделившаяся скрытая теплота кристаллизации отводится как в твердый металл, так и в расплав. Это обусловливает увеличение температуры жидкой фазы около фронта кристаллизации и кратковременную остановку ее затвердевания.

В зависимости от условий протекания процесса кристаллизации (скорости кристаллизации, градиентов температурного поля в сварочной ванне, степени переохлаждения, теплофизических характеристик расплава и т.д.) из зародышей могут образоваться равноосные кристаллиты, ячеистые кристаллиты, столбчатые кристаллиты и дендриты.

Рис. 2.30. Схема концентрационного переохлаждения

К р и с т а л л и т а м и, или з е р н а м и, называют мелкие монокристаллы, не имеющие явно выраженной огранки. Д е н д р и т ы – это ветвистые кристаллы, но не монокристаллические, а двойниковые (т.е. части которых находятся в положениях, зеркально-симметричных или повернутых относительно оси второго порядка) или сростки многих кристаллов. В первом случае дендриты иногда также называют кристаллитами.

В объеме сварочной ванны рост кристаллов удобно рассматривать как перемещение фронта кристаллизации. Фронт кристаллизации возникает в результате роста кристаллов от центров кристаллизации на частично оплавленных зернах основного металла (рис.2.31). Наиболее быстро кристаллы растут перпендикулярно к изотермическим граничным поверхностям и параллельно направлениям наиболее интенсивного теплоотвода. В результате образуются ориентированные столбчатые кристаллиты (рис.2.32).

а б

Рис. 2.31. Схема роста столбчатых кристаллитов (а)

и столбчатые кристаллиты при плазменной сварке меди (б), ´100

Рис. 2.32. Столбчатые кристаллиты в шве стального изделия, сваренного дуговой сваркой

В соответствии с объемным распределением градиентов температур и скоростей кристаллизации концентрационное переохлаждение возрастает от границы сплавления к середине шва. В этой зоне велика вероятность образования зародышей кристаллизации на неметаллических включениях, в результате чего может возникнуть второй фронт кристаллизации.

Кристаллиты второго фронта кристаллизации, образующиеся из зародышей кристаллизации в результате концентрационного переохлаждения, являются равноосными (рис.2.33).

Рис. 2.33. Усиление шва из алюминиевого сплава АМг3, сваренного аргонодуговой сваркой неплавящимся (вольфрамовым) электродом, протравленное для выявления макроструктуры

Чистые металлы образуют (особенно при большой скорости затвердевания и малых температурных градиентах) кристаллы, которые с боковой поверхности ограничены сравнительно плоскими поверхностями. Такой рост кристаллов является ячеистым (рис.2.34). Ячеистые кристаллиты занимают промежуточное положение между равноосными и столбчатыми кристаллитами.

Рис. 2.34. Ячеистые кристаллиты сварного шва из вольфрама, сваренного контактной точечной сваркой в сечении, параллельном главному направлению роста, ´100

При малых скоростях охлаждения и больших переохлаждениях, а также при повышенном содержании ликвирующих примесей граничные поверхности кристаллов отличаются значительными неровностями. Рост кристаллитов приобретает дендритный характер (рис.2.35). Вершины кристаллов прорастают в зону концентрационного переохлаждения. Разветвление дендритов происходит в направлениях предпочтительной ориентации бокового роста (направлениях, имеющих наибольшую плотность упаковки атомов).

а б

Рис. 2.35. Дендриты сварного шва из высокохромистой стали,

сваренного аргонодуговой сваркой плавящимся электродом,

в сечениях, параллельном (а) и непараллельном (б) их продольным осям, ´100

Поскольку при сварке сварочная ванна перемещается, то оси растущих кристаллов смещены по оси шва (рис.2.36).

а б

Рис. 2.36. Направление осей кристаллитов при малой (а) и большой (б)

скоростях кристаллизации

Формирование структуры сварного шва обусловливается процессами первичной и вторичной кристаллизации. Структура (макроструктура и микроструктура) металла шва, сформировавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации, называется, соответственно, первичной или вторичной.

Для ряда металлов – алюминий, медь, никель и их сплавы и др. – первичная структура при дальнейшем охлаждении сварного шва, не изменяется или изменяется незначительно.

Читайте также:
Мини металлоискатель своими руками

У металлов и сплавов с аллотропическими модификациями, например у сталей, в процессе охлаждения в твердом состоянии протекает вторичная кристаллизация (перекристаллизация). В этом случае свойства вторичной структуры обусловливаются структурными составляющими, стабильными при температуре эксплуатации сварного соединения.

Существует определенная связь между первичной и вторичной структурами. В частности, вторичная структура имеет тем более мелкое зерно, чем меньше первичное зерно.

На практике обычно стремятся к получению возможно более мелкозернистой разориентированной структуры металла шва. Это достигается путем использования ряда технологических приемов, вызывающих измельчение первичной структуры.

Измельчение первичной структуры осуществляют модифицированием, электромагнитным перемешиванием сварочной ванны или воздействием на нее ультразвуковыми колебаниями, вибрациями и т.д.

Модификаторы 1-го рода, например цирконий, редкоземельные элементы и др., создают дополнительные центры кристаллизации.

Модификаторы 2-го рода (алюминий, титан, ванадий и др.), являясь поверхностно-активными веществами, снижают скорость роста кристаллов.

Ультразвуковые колебания достаточной мощности или интенсивные локальные течения металла в сварочной ванне, возникающие при ее электромагнитном перемешивании, обламывают окончания ряда растущих кристаллов. Такие обломки становятся новыми центрами кристаллизации.

Все рассмотренные воздействия управляют процессом кристаллизации, приводя к увеличению общего количества кристаллов, приходящихся на единицу объема сварного шва и, соответственно, к уменьшению размера зерен первичной структуры. Металл шва с мелкозернистой структурой имеет высокие показатели пластичности, вязкости и прочности.

Химическая неоднородность металла шва (ликвация, сегрегация) может развиваться на макро- и микроскопическом уровне.

Микрохимическая неоднородность подразделяется на внутрикристаллитную (внутридендритная) и межкристаллитную (междендритную).

Внутрикристаллитная неоднородность наиболее часто возникает в дендритах и проявляется в виде различного содержания примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита.

Межкристаллитная химическая неоднородность более характерна для ячеистых и столбчатых кристаллитов. Такие кристаллиты имеют относительно чистую от примесей центральную часть и грани, обогащенные легкоплавкими элементами.

Основным фактором, обусловливающим возникновение микрохимической неоднородности, является накопление легирующих элементов и легкоплавких примесей на фронте кристаллизации (см. рис.2.30) называемое к о н ц е н т р а ц и о н н ы м у п л о т н е н и е м.

Макрохимическая неоднородность может проявляться в виде неодинакового распределения примесей по сечению шва (зональная ликвация) и вдоль линии сплавления (кристаллизационные или диффузионные прослойки).

Зональная ликвация вызывается неодновременной кристаллизацией периферийных зон и средней части сварного шва. Из-за постоянного накапливания примесей перед фронтом кристаллизации (см. рис.2.30), средняя часть шва оказывается более загрязненной ликвирующими элементами и примесями (С, S, Р, Si и др.) и образует так называемую зону слабины шва. Зональная ликвация (рис. 2.37) проявляется, как правило, по оси или в усилении сварного шва.

В швах, полученных сваркой плавлением, зональная ликвация развита значительно слабее, чем внутридендритная.

Рис. 2.37. Зональная ликвация серы 1 в усилении сварного шва

Кристаллизационные (диффузионные) прослойки образуются при сварке разнородных сталей и разнородных металлов и, как правило, имеют переходный химический состав от основного металла к металлу шва. При сварке некоторых сочетаний металлов (например, титана со сталью) в диффузионных прослойках образуются хрупкие интерметаллидные фазы, делающие сварное соединение непригодным для эксплуатации.

Химическая неоднородность ухудшает механические свойства металла шва, снижает его коррозионную стойкость, способствует образованию горячих трещин и т.д.

Возникшая при кристаллизации микрохимическая неоднородность может уменьшиться в ходе охлаждении сварного соединения в результате протекания диффузионных процессов, выравнивающих неравномерность распределения легирующих элементов и примесей.

Папиллярные узоры пальцев рук – маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Введение

При сварке происходит ряд достаточно сложных физико-химических процессов, определяющих качество сварного соединения. Источники сварочного нагрева оказывают тепловое и химическое воздействие на основной и присадочный металлы, от чего зависят состав и свойства металла шва и околошовной зоны. В процессе сварки металл плавится, образуя сварочную ванну, а затем затвердевает в виде сварного шва. В зоне сварки происходит взаимодействие жидкого металла с окружающей средой (шлаком и газом). Названные процессы являются общими для всех способов сварки плавлением. Знание закономерностей процессов, протекающих при сварке, и умение ими управлять – основа рациональной технологии сварки.

Под физическими понимают процессы, которые не меняют строения элементарных частиц и не приводят к изменению химических свойств основного металла. К таким процессам относятся: прохождение электрического тока и тепловые колебания кристаллической решетки; переход основного и электродного вещества из твердого состояния в жидкое (плавление), перемешивание их между собой, кристаллизация металла в зоне сварочной ванны; напряжения и деформации, возникающие в кристаллической решетке сварочного шва и прилегающей к нему зоны основного металла.

Химические процессы меняют свойства основного металла, в результате чего получаются новые соединения, имеющие отличные свойства. К основным химическим процессам относятся: химические реакции, возникающие в газовой и жидкой фазах и на их границах; образование оксидов, шлаков и других соединений, отличающихся своими химическими свойствами от основного металла.

Читайте также:
Металлическая гофрированная труба для водопровода

В своей работе я более подробно остановилась на таких процессах как: кристаллизация сварного шва; меры предотвращения сварочных напряжений и деформаций; определение эквивалентного содержания углерода.

Общие положения кристаллизации сварного шва

Сварной шов формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристаллизацией называется процесс образования зерен (кристаллитов) расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Это, так называемая, первичная кристаллизация. Существует еще вторичная кристаллизация, при которой происходит изменение структуры уже затвердевшего металла.

Первичная кристаллизация металла шва начинается в результате его охлаждения при отводе тепла в толщу твердого металла, окружающего сварочную ванну. Сначала возникают отдельные центры кристаллизации, а от них начинают расти уже сами кристаллы, образующие зерна металла. Первичная кристаллизация зарождается в первую очередь по линии сплавления, на границах частично оплавленных зерен твердого металла, так как именно здесь начинается охлаждение ванны. Кристаллы растут в сторону толщи металла шва перпендикулярно плоскости отвода тепла. Количество, форма и расположение зерен зависят от места зарождения центров кристаллизации, скорости роста зерен, скорости охлаждения и направления отвода тепла, а также от наличия в расплавленном металле посторонних включений. При затвердевании металла сварочной ванны сначала возникают быстрорастущие кристаллы вследствие интенсивного отвода тепла в основной металл. Между ними появляются более мелкие и медленнее растущие кристаллы, поскольку от них тепло отводится не так быстро. Затем зерна смыкаются и из них продолжают расти только те, которые расположены перпендикулярно поверхности раздела между твердым и жидким металлом. При уменьшении скорости охлаждения центры кристаллизации возникают более равномерно по всему объему металла, а зерна растут во все стороны. Первичная кристаллизация металла шва протекает периодически и при специальном травлении в нем можно различить слоистое строение.

Металл шва в результате первичной кристаллизации получает или гранулярную (зернистую) структуру, при которой зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники, или столбчатую и дендритную структуру, при которой зерна вытянуты в одном направлении. При столбчатой структуре зерна имеют компактную вытянутую форму, при дендритной – ветвистую, напоминающую дерево. Дендриты обычно располагаются в столбчатых зернах, являясь их основой.

Чем быстрее охлаждение металла, тем больше образуется центров кристаллизации и тем мельче будут зерна. При медленном охлаждении в процессе затвердевания металл приобретает крупнозернистое строение. Столбчато-дендритная структура с крупными зернами характерна для сварки под флюсом, где охлаждение металла шва происходит медленнее, чем при ручной сварке. Гранулярная структура присуща сварке покрытыми электродами. Она может быть крупной и мелкой, в зависимости от условий охлаждения и кристаллизации. Мелкозернистая гранулярная структура повышает механические свойства наплавленного металла.

Находящиеся в жидком металле примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл, и при застывании располагаются по границам зерен, ухудшая их сцепление между собой. Это снижает прочность и пластичность наплавленного металла. Чем чище наплавленный металл, тем выше его механические свойства. Форма шва имеет значение для направления кристаллизации и расположения неметаллических включений. При широких швах эти включения вытесняются наверх и могут быть легко удалены; при узких швах включения часто остаются в середине шва между зернами.

С затвердеванием металла шва структурные превращения в нем не заканчиваются, т.е. наступает стадия вторичной кристаллизации. Например, при сварке стали первичные кристаллиты сразу после их образования состоят из аустенита – твердого раствора углерода и легирующих элементов в г-железе, существующего при высоких температурах (750… 1500 0 С). В процессе охлаждения аустенит распадается, превращаясь в зависимости от состава стали и скорости охлаждения в другие фазы: пластичный феррит, более прочный перлит, но малопластичный мартенсит.

Скорость охлаждения зоны сварки обычно велика, и структурные превращения не успевают произойти до конца. Следовательно, меняя скорость охлаждения сварного соединения, подогревая или искусственно охлаждая его, можно в некоторых пределах управлять вторичной кристаллизацией металла шва и его механическими свойствами.

Теплота, выделяемая источником нагрева, при сварке распространяется в основной металл. Его участки нагреваются до температуры плавления на границе сварочной ванны и имеют температуру окружающей среды вдали от нее. Это не может не сказаться на структуре металла. Зону основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения металла происходят изменения структуры и свойств, называют зоной термического влияния (ЗТВ). Каждая точка в ЗТВ в зависимости от расстояния до оси шва достигает различной максимальной температуры, нагревается и охлаждается с различными скоростями. Изменение температуры данной точки во времени называют термическим циклом. Каждая точка ЗТВ имеет при сварке свой термический цикл. Значит, металл в ЗТВ подвергается в результате сварки нескольким видам термической обработки. Поэтому в ЗТВ наблюдаются четко выраженные участки с различной структурой и свойствами. У каждого свариваемого материала в ЗТВ будут свои, характерные для этого материала, структурные участки.

Читайте также:
Литье пластика своими руками

Сварочные работы: Практическое пособие для электрогазосварщика (9 стр.)

Исходя из этой формулы устанавливаем, что поперечное сечение однопроходного или многопроходного шва (валика), выполненного дуговой сваркой, будет находиться в прямой зависимости от ее погонной энергии.

Контрольные вопросы:

1. По какой формуле можно определить эффективную тепловую мощность?

2. Что характеризует коэффициент в формуле тепловой мощности сварочной дуги?

3. Что вы знаете об эффективном КПД нагрева изделия?

4. При каком виде сварки наиболее рационально используется теплота, выделяемая в дуге?

5. Какая температура нагрева электрода является оптимальной для формирования качественного сварного шва?

6. Что такое погонная энергия сварки и на что она влияет?

7. Формирование и кристаллизация металла шва, строение зоны термического влияния

Дуга в процессе сварки оказывает давление на сварочную ванну. Это приводит к тому, что жидкий металл из-под основания дуги вытесняется, дуга несколько погружается. При ручной сварке толстопокрытыми электродами глубина погружения дуги составляет 3-4 мм, при сварке под флюсами – 8-10 мм. По мере продвижения дуги в хвостовой части зоны плавления металла происходит интенсивный отвод тепла в массу холодного металла. Кристаллиты растут в направлении, перпендикулярном к поверхности теплоотвода. Кристаллизация металла шва, т. е. переход из жидкого состояния в твердое, протекает с остановками. После охлаждения первого слоя происходит некоторая задержка кристаллизации из-за ухудшения теплоотвода и выделения скрытой теплоты кристаллизации первого слоя. После некоторой задержки вследствие непрекращающегося теплоотвода в глубь основного металла начинает кристаллизоваться второй слой и т. д. Таким образом, периодически происходит кристаллизация по всему продольному и поперечному сечению металла шва.

Толщина кристаллизационных слоев может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Закристаллизовавшийся металл однопроходного шва имеет столбчатое строение, это обусловлено тем, что в направлении отвода теплоты (перпендикулярно границе плавления) кристаллиты растут быстрее, чем в других направлениях. Наибольшая толщина кристаллизационных слоев наблюдается в металле шва при электрошлаковой сварке. Ось каждого кристаллита обычно не прямая, она несколько изогнута в направлении вершины шва (рис. 17).

Рис. 17. Направление столбчатых кристаллитов в швах, выполненных электрошлаковой сваркой: а – разрез вдоль шва; б – разрез поперек шва

При сварке под флюсом уменьшается скорость охлаждения шва, это создает благоприятные условия для удаления газов из металла шва и всплывания шлаковых включений, но размер кристаллитов резко увеличивается, что ухудшает прочностные свойства металла шва. Чтобы избежать ухудшения свойств, необходимо измельчить структуру шва. Для этого в жидкий металл вводятся добавки (модификаторы) – алюминий, титан или ванадий. В процессе кристаллизации металла шва возникает неравномерное распределение составляющих сплава. Это в металловедении называют ликвацией.

Ликвация – это прежде всего неоднородность по химическому составу. Ликвация зональная характеризуется различием химического состава периферийной зоны и центральной части металла шва.

Дендритная (внутрикристаллическая) ликвация характеризуется неоднородностью химического состава отдельных кристаллов. Центральная часть дендритов состоит, как правило, из чистого твердого раствора, а граница между дендритами наиболее загрязнена вредными примесями, поэтому разрушение металла шва чаще всего происходит по границам зерен. Чтобы избежать вредного влияния ликвации (особенно при сварке легированных сталей) необходимо производить термическую обработку для выравнивания химического состава металла. На свойства сварного соединения наряду с химическим составом металла шва значительное влияние оказывает и структура металла шва, а также структура зоны термического влияния околошовной зоны. В процессе сварки нагревается основной металл и в нем происходят структурные изменения под воздействием высоких температур.

Область нагрева называют зоной термического влияния. В дальнейшем применяется сокращенное название ЗТВ. Температура, до которой нагреваются отдельные участки ЗТВ, изменяется от температуры плавления до окружающей температуры. Рассмотрим структуры ЗТВ для сталей, наиболее распространенных при сварке конструкций (до 0,20 % углерода) (рис. 18).

Рис. 18. Схема изменения структур околошовной зоны однопроходного шва:

а – температурные границы участков околошовной зоны; б – часть диаграммы состояния сплавов Fe-C

В зависимости от температуры нагрева, структурных и физико-механических изменений в ЗТВ различают следующие участки: 1) неполного расплавления; 2) перегрева; 3) нормализации; 4) неполной перекристаллизации; 5) рекристаллизации; 6) синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному, его часто называют переходной зоной. В процессе сварки этот участок находится в твердожидком состоянии, и поэтому переходная зона отличается по химическому составу как от основного, так и от наплавленного металла. Свойства этого участка оказывают в большинстве случаев решающее влияние на работоспособность сварной конструкции.

Участок перегрева определяется температурными границами: от температуры участка неполного расплавления до температуры около 1100 °С. В некоторых случаях при ручной сварке в зоне перегрева сталей с повышенным содержанием углерода образуется крупнозернистая структура, которая заметно снижает пластичность металла и увеличивает его хрупкость.

Читайте также:
Муфельная печь своими руками

Ударная вязкость снижается на 25 % и более.

Участок нормализации охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки от температуры несколько выше линии критических превращений до температуры ниже 1000 °С. На этом участке происходит образование мелкозернистой вторичной структуры. Механические свойства металла на участке нормализации обычно выше свойств основного металла в его исходном состоянии.

Участок неполной перекристаллизации для низкоуглеродистой стали определяется температурным диапазоном от 725 до 850 °С. Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Наряду с зернами, образовавшимися в результате перекристаллизации, присутствуют зерна исходного металла.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергшейся пластической деформации (прокат). На этом участке в интервале температур 450-700 °С наблюдается некоторое измельчение зерен, что не изменяет механических свойств ЗТВ металла.

Участок синеломкости охватывает температурный диапазон от 200 до 400 °С. На этом участке наблюдаются синие цвета побежалости на поверхности металла. При сварке низкоуглеродистых сталей на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости из-за снижения пластичности. Это происходит в тех случаях, когда в сталях содержится кислород, азот и водород в несколько избыточном количестве.

Размеры отдельных участков ЗТВ и общая ширина ее зависят от условий нагрева, охлаждения и способов сварки.

Контрольные вопросы:

1. Расскажите о формировании и структуре шва в момент перехода металла из жидкого состояния в твердое.

2. Чем вызвано направление роста кристаллов в процессе охлаждения?

3. Каково влияние скорости охлаждения на структуру шва?

4. Каково влияние химического состава на структуру шва?

5. Что такое зона термического влияния и ее основные участки?

6. Дайте краткую характеристику участков зоны термического влияния.

8. Старение и коррозия металла сварных соединений

Старением металла называют процесс изменения структуры и, как следствие, механических свойств металла со временем. Он проявляется в повышении твердости и хрупкости металла. Если процесс старения происходит при комнатной температуре, то он называется естественным старением. Если процесс старения происходит при нагреве до заданной температуры с последующим охлаждением – искусственным старением.

Искусственному старению подвергают в основном сплавы титана и алюминия для повышения прочности этих сплавов. Повышение прочности при искусственном старении оценивается при испытании на ударную вязкость металла шва.

Коррозией называется процесс физико-химического разрушения металла под влиянием внешней среды.

Коррозионная стойкость сварных соединений в различных средах и при различных температурах имеет большое значение, так как сварные швы и соединения часто работают в средах, способных вызвать разрушающую коррозию, таких как атмосферная влага, морская вода, растворы кислот и щелочей; совместное действие этих факторов.

По характеру процесса различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия есть процесс окисления металла при непосредственном воздействии окружающей среды без присутствия электрического тока. Окисление железа и его сплавов происходит на воздухе, в дистиллированной воде, в концентрированных агрессивных средах и т. д.

Электрохимическая коррозия характеризуется тем, что она протекает в электролитах (растворах солей, кислот, щелочей) и сопровождается появлением электрического тока.

Кристаллизация металла шва

Кристаллизация сварочной ванны

Металл сварочной ванны при кристаллизации находится одновременно под воздействием теплоты сварочной дуги и холодного нерасплавленного металла детали. Дуга вводит теплоту, окружающий металл отводит теплоту.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией. Кристаллизация сварного шва идет непрерывно в течение сварочного процесса – расплавления основного и присадочного металлов.

Сварной шов имеет структуру литого металла. В процессе сварки расплавляются кромки основного металла и электродная проволока, непрерывно подаваемая в сварочную ванну (рис. 6.2). Сварочная ванна может быть условно разделена на две части: переднюю (головную) 1 и хвостовую 2. В передней части происходит плавление, а в хвостовой – кристаллизация и формирование сварного шва. Различают первичную и вторичную кристаллизацию.

Первичной кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое, в результате чего образуются кристаллы.

Вначале каждый кристаллик, образовавшийся в жидком металле, растет свободно и имеет правильную геометрическую форму. Одновременно развиваются и другие кристаллы. Когда они, увеличиваясь, начинают соприкасаться друг с другом, их правильная форма нарушается, они приобретают округленную форму в виде зерна. Такие кристаллы принято называть зернами.

В зависимости от того как протекал процесс кристаллизации, зерна могут быть крупными, видимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только с помощью микроскопа.

Кристаллическое строение металла или сплава называют структурой. Строение металлов, видимое невооруженным глазом или в лупу, называют макроструктурой,

Рис. 6.2. Строение сварочной ванны строение же металлов, которое можно увидеть только с помощью микроскопа, называют микроструктурой.

Кристаллизация сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями, поскольку после интенсивного нагрева сварочной ванны происходит быстрый отвод теплоты в свариваемое изделие.

Процесс кристаллизации происходит в отдельных тонких слоях. После образования первого кристаллизационного слоя наблюдается некоторая задержка охлаждения металла из-за выделения скрытой теплоты его кристаллизации. В дальнейшем начинает кристаллизоваться второй слой и т.д. до полного затвердевания сварочной ванны. Толщина кристаллизационных слоев лежит в пределах от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров и зависит от объема сварочной ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллы каждого последующего слоя являются продолжением кристаллов предыдущего слоя. Таким образом, образующиеся кристаллы как бы перерастают из слоя в слой.

Читайте также:
Материалы для производства мягкой мебели

Для первичной кристаллизации жидкого металла необходимо образование центров кристаллизации (зародышей) и их непрерывный рост. В начале кристаллизации центрами ее являются оплавленные зерна основного металла, находящиеся на дне сварочной ванны. В процессе кристаллизации, кроме центров в виде растущих кристаллов, могут появиться и новые центры кристаллизации – как самопроизвольно возникающие из жидкости, так и в виде отдельных тугоплавких частиц, обломков зерен и т.п. При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности кристаллов предыдущего слоя. Рост кристаллов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных частиц (атомов) из окружающего расплава. Каждый кристалл, растущий от отдельного зерна на границе сплавления, представляет собой группу совместно растущих элементарных столбчатых кристаллов, сросшихся одним концом с общим основанием, т.е. с оплавленным зерном основного металла. В зависимости от формы и расположения кристаллов затвердевшего металла различают зернистую, а также столбчатую и дендритную (древовидную) структуры.

При зернистой структуре зерна не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для основного металла, а также для металла сварного шва, выполненного покрытыми электродами, при его быстром охлаждении. В случае столбчатой и дендритной структур зерна вытянуты в одном направлении. Причем в столбчатой структуре они имеют компактную форму, а в дендритной – ветвистую, елочную. Дендриты обычно располагаются в столбчатых зернах, являясь их основой. Такие структуры шов имеет при медленном охлаждении, т.е. при сварке под флюсом и электрошлаковой сварке.

Направление роста кристаллов связано с интенсивностью отвода теплоты от ванны жидкого металла. Кристаллы растут перпендикулярно к границе сплавления в направлении, противоположном направлению отвода теплоты. Кристаллизация шва с глубоким проваром без теплоотвода снизу формирует дендриты, растущие навстречу друг другу, в результате чего по оси шва в стыке кристаллов из-за плохого срастания концов дендритов образуется полость слабины, где могут возникнуть шлаковые и газовые включения. При кристаллизации же широкого шва с теплоотводом снизу дендриты изгибаются вверх, оттесняя в его верхнюю часть неметаллические включения и обеспечивая свободный выход шлаков и газов на поверхность.

Большой объем сварочной ванны и малая скорость охлаждения обеспечивают увеличение размеров кристаллов, что снижает механические свойства шва. Образованием столбчатых кристаллов заканчивается процесс первичной кристаллизации сварочной ванны.

При сварке сталей на железной основе кристаллы имеют аустенитную структуру, представляющую собой твердый раствор углерода в у-железе. С дальнейшим понижением температуры происходят аллотропические превращения, которые проявляются в переходе у-железа, имеющего гранецентрированную кубическую решетку, в a-железо, имеющее объемно-центрированную кубическую решетку. Это сопровождается изменением строения металла за счет появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллов. Кристаллы, имеющие структуру аустенита, распадаются, образуя механическую смесь почти чистого a-железа (феррита) и карбида железа FegC (цементита). Такое явление называется вторичной кристаллизацией или перекристаллизацией.

Кристаллизация сварочной ванны

Сварной шов при дуговой сварке формируется путем кристаллизации расплавленного металла сварочной ванны. Кристаллизацией называют процесс образования кристаллов металла из расплава при переходе его из жидкого в твердое состояние. Образующиеся при этом кристаллы металла принято называть кристаллитами.

Сварочная ванна условно может быть разделена на две области: переднюю (головную) и заднюю (хвостовую). В передней части горит дуга и происходит нагревание и расплавление металла, а в хвостовой – охлаждение и кристаллизация расплава. В процессе образования шва различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичной кристаллизацией называют непосредственный переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием первичных кристаллитов (зерен). Она происходит при высоких скоростях охлаждения и затвердевания. Теплота отводится в основной металл, окружающий сварочную ванну. В общем виде процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации (зародышей) и роста кристаллов от этих центров. При первичной кристаллизации металла шва в качестве центров кристаллизации являются поверхности оплавленных зерен основного металла, окружающих сварочную ванну. При этом между основным металлом и металлом шва возникают общие зерна. Условную поверхность раздела между зернами основного металла и кристаллитами шва называют зоной сплавления при сварке.

В процессе затвердевания в расплаве могут появляться и новые центры кристаллизации -тугоплавкие частицы примесей, обломки зерен и т.п.

При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности выросших кристаллитов предыдущего слоя. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных атомов из окружающего расплава. В зависимости от формы и расположения кристаллитов в строении затвердевшего металла шва различают столбчатую и зернистую структуру. При столбчатой структуре кристаллиты имеют определенную ориентированность – вытянуты в одном направлении, противоположном направлению теплоотвода. В свою очередь, столбчатые кристаллиты сами могут иметь ячеистое, ячеисто-дендритное или дендритное строение. При ячеистом строении столбчатый кристаллит растет от поверхности общего центра в виде пачки тонких кристаллов, расположенных в пределах одного зерна и ориентированных в одном направлении. Это наблюдается при высокой скорости отвода теплоты. По мере снижения скорости теплоотвода характер строения его изменяется, переходя к ячеисто-дендритной и дендритной форме. При дендритном строении в кристаллите помимо осей первого порядка получают развитие и оси второго и третьего порядков.

Читайте также:
Лерыч к изготовление резцов по дереву

При зернистой структуре металла шва кристаллиты не имеют определенной ориентировки, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для основного металла, а также может встречаться в швах с большим объемом сварочной ванны и при малых скоростях охлаждения расплава. Поэтому за кристаллизовавшийся металл шва в большинстве случаев имеет столбчатое строение. В зависимости от условий сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в широких пределах. При дуговой сварке их размер в поперечном сечении обычно порядка 0,3 – 3,0 мм.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны носит прерывистый характер. После начала кристаллизации через некоторое время происходит задержка в росте кристаллитов в связи с выделением скрытой теплоты плавления металла. По мере отвода теплоты процесс роста вновь убыстряется до следующей задержки. Так повторяется до полного затвердевания всей ванны. В результате этого сварные швы имеют характерное слоистое строение (рис. 2). Толщина кристаллизационных слоев измеряется в пределах от Десятых долей от нескольких миллиметров в зависимости от объема ванны и условий теплоотвода. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя являются продолжением кристаллитов предыдущего слоя. В итоге образующиеся кристаллиты как бы прорастают из слоя в слой.

Рис. 2. Схема кристаллизации расплава в сварочной ванне: 1 – зона сплавления, 2 – зерна основного метала, 3 – кристаллизационные слои, 4 – растущие кристаллиты

Характер получаемой структуры и расположения кристаллитов в металле шва во многом определяются формой сварочной ванны и схемой ее кристаллизации. Кристаллиты растут перпендикулярно границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты. При кристаллизации сварочной ванны с узким, глубоким проплавлением кристаллиты растут от противоположных стенок навстречу друг другу. При этом перед фронтом кристаллизации накапливаются различного рода примеси. В результате по оси шва, в месте стыка вершин кристаллитов, растущих с противоположных сторон ванны, образуется область ослабления, в которой могут располагаться разные включения (рис. 3, а).

При затвердевании широкой сварочной ванны с небольшим проплавлением схема кристаллизации существенно отличается — кристаллиты соприкасаются не вершинами, а боковыми гранями, а примеси, концентрирующиеся перед фронтом кристаллизации, вытесняются на поверхность шва в виде шлаков. Такие швы более устойчивы против образования трещин (рис. 3, б).

В процессе кристаллизации состав жидкого металла ванны непрерывно изменяется. Поэтому одновременно с кристаллизацией в нем развиваются диффузионные процессы, стремящиеся к однородному составу металла как внутри кристаллитов, так и между затвердевшими кристаллитами и еще оставшимся жидким расплавом. Однако из-за различия скоростей роста кристаллитов и процессов диффузии, являющихся более медленными, полного выравнивания состава не происходит.

Рис. 3. Схема кристаллизации расшива в зависимости от формы сварочной ванны: а – узкая сварочная ванна с глубоким проплавлением, б – широкая сварочная ванна

Это приводит к возникновению неравномерности в распределении элементов сплава свариваемого шва – химической неоднородности металла шва. Различают макроскопическую и микроскопическую неоднородность. Первый вид характеризуется неравномерностью состава в отдельных областях металла по сечению шва (зональная ликвация). При микроскопической неоднородности наблюдается неравномерность состава металла в пределах отдельных кристаллитов (микроскопическая ликвация). За счет ликвации создается химическая неоднородность металла шва. Преимущественное развитие в сварных швах обычно имеет внутридендритная неоднородность. Интенсивность проявления ликвационных процессов зависит от условий сварки. Чем больше скорость затвердевания металла, тем в меньшей степени проявляется ликвация. Вид и степень химической неоднородности оказывают существенное влияние на свойства металла шва, стойкость его против образования трещин и др.

Изучение и анализ строения металла шва проводят путем выявления его кристаллического строения на специально приготовленных шлифах поперечных и продольных сечений. При этом различают понятия «макроструктура» и «микроструктура». Макроструктурой называют строение металла шва, выявляемое при осмотре невооруженным глазом или при небольших увеличениях с помощью луп или бинокулярных микроскопов. При этом удается выявлять общий характер строения металла (столбчатое, зернистое), форму провара, наличие дефектов (поры, трещины, включения и т. п.). Микроструктура металла шва характеризует его тонкое строение, выявляемое на шлифах с помощью металлографических микроскопов с высокой степенью увеличения (строение кристаллитов, наличие внутридендритной ликвации, микродефектов).

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
gmnu-nazarovo.ru
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: