Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Границы между кристаллитами, формирующиеся по мере продвижения в расплав кристаллических решеток твердой фазы, обычно также вытянуты в направлении роста. В отличие от слитков в сварных швах оси роста кристаллитов в общем случае представляют собой пространственные кривые, что обусловлено изменением формы сварочной ванны в плоскостях о кости свариваемого листа, и перемещением теплового по о тях, параллельных плового поля в направлении сварки (рис. 2, а). При сварке тонких листов встык (рис. 2, б), когда сварочный источник можно считать линейным а сварочную ванну — " ф толщине листа, пространственная схема кристаллизации сменяется плоской, т. е.
криволинейные оси роста кристаллитов оказываются расположенными в па аллельных плоскостях (41. сположенными в парал- Малый объем сварочной ванны и большая кривизна оплавляемой поверх- иент ности — причина того, что столбчатые кристаллиты в сварном ш б р ированы, чем в слитках. Так, углы разориентации между столбчатыми к исталлитами в сварных швах на листах толщиной 1 — 1 5 мм ( лнзации) составляют 5 — 20'(11.
При сварке с глубоким проплавлением или п и наплавке, когда кривизна ванны больше, разориентация столбчатых к истал может оказаться еще более заметной. ст емят С целью повышения технологической прочности н пластичнос ти соединении р мятся подавить образование в сварных швах крупнозернистой столбчатой структуры, Это достигается: введением н металл шва в достаточных концентрациях элементов, способствующих образованию высокотемпературных избыточных фаз типа твердого раствора (например, ферритной фазы в швах аустенитной стали), эвтектик (например, в швах из сплавов алюминия с кремнием, медью и т.
п.), первичных карбидов (например, карбидов ниобия; ниобиевой карбидно-аустенитной эвтектики в швах аустенитной стали типа Х!ЗН18, Х15Н25. Х15Н35 и никелевых сплавов) или первичного графита и др,; введением в сварочную ванну модификаторов в виде твердых частиц тугоплавких металлов или соединений (например, молибдена и титана при сварке цветных сплавов) либо поверхностно-активных элементов (например, стронция и церия при сварке никелевых сплавов, аустенитной стали и пр.); воздействием на сварочную ванну ультразвуковых колебаний или механических вибраций. Все эти меры направлены к тому, чтобы создать перед фронтом растущих столбчатых кристаллитов новые центры кристаллизации, подавив тем самым их дальнейший рост. В центре сварных швов сплавов часто появляется зона равноосных кристаллитов, свидетельствующая о развитии в этой части сварочной ванны концентрационного переохлаждения и присутствии инородных частиц, действующих как катализаторы зарождения.
Кристаллиты этой зоны зарождаются в объеме расплава независимо от уже существующего фронта кристаллизации и ориентированы хаотично. Таким образом, литая зона сварного шва представляет собой поликристаллический агрегат, состоящий из сильно разориентированных кристаллитов с больше- угловыми границами между ними.
Внутри кристаллитов наблюдаются некоторые отклонения в ориентации от главного направления роста вследствие образования ячеистой субструктуры, однако эти отклонения не могут превышать нескольких град сов. нутрикристаллическое строение металла сварных швов характеризуется структурами трех видов — ячеистой, дендритной и смешанной, которые отличаются друг от друга степенью развития ликвации легирующих элементов и дисперсностью их распределения. При рассмотрении особенностей формирования ячеистой и дендритной неоднородностей основываются как на общей термодинамической теории, определяющей условия равновесия между жидкой и твердой фазами в соответствии с типом диаграмм состояния сплавов, так и на кинетической теории, устанавливающей степень неравновесности процесса, исходя из взаимодействия тепловых и диффузионных потоков при кристаллизации [1). В процессе кристаллизации сплавов прилегающие к твердому металлу слои жидкой фазы обогащаются растворенными элементами, имеющими более низкую температуру плавления, Если в результате диффузионных процессов или воздействия конвекционных потоков жидкости растворенный элемент будет отводиться от поверхности раздела в жидкую фазу, то вследствие стремления системы к равновесию часть атомов жидкой фазы будет переходить в твердую фазу, восстанавливая пограничные концентрации и обеспечивая рост кристаллов твердого раствора.
Чем интенсивнее отводится растворенный элемент от поверхности раздела в жидкую фазу, тем быстрее происходит рост твердой фазы. Подобный процесс принято называть избирательной или диффузионной кристаллизацией. Рост кристаллов при избирательной кристаллизации лимитируется скоростью диффузионных процессов в жидкой фазе. Процессы диффузии в твердой фазе имеют при этом второстепенное значение. При кристаллизации чистых металлов состав твердой фазы не отличается от состава исходной жидкой. В этом случае для роста кристаллов твердой фазы не требуется перераспределения состава между фазами.
Такой процесс кристаллизации называется бездиффузионным. Однако процесс бездиффузионной кристаллизации возможен не только в чисты» металлах, но и в сплавах, образующих непрерывный ряд твердых растворов, Кристаллизация ванны, фазовые из,иенения и режим сварки Кристаллизация сварочной ванны а также н в эвтектических сплавах, но наиболее часто она проявляется в сплавах составы которых значительно отличаются от эвтектического. Форма фронта кристаллизации н структур твердой фазы зависит от условий охлаждения при затвердевании.
При отсутствии в расплаве переохлаждения рост кристаллов твердой фазы контролируется процессами переноса, иными словами, скоростью отвода примесей и скрытой теплоты превращения от фронта кристалли- зации. В этих условиях поверхность раздела фаз гладкая (если пренебречь шеро- ховатостью, образованной ступенями и террасами) и занимает положение изотермы кристаллизации. Однако в реальных условиях затвердевания расплав перед фронтом кристал- лизации оказывается переохлажденным.
В присутствии слоя переохлажденного расплава гладкая поверхность раздела фаз становится неустойчивой и сменяется по- с,т' верхностью с выступами. Переохлаждение, обеспечивающее ускоренный рост выступов, (е Кониенчр примеси Темпера еалдерде г 0 ВО Сбе З40 (суя'~~ с ~~ем~~ Рис. 4. Критические условия затвердевания, прн которых ячеистая форма кристаллизации переходит в ден. дритную (сплав олова со свинцом) гееядая р Рис.
3. Схема образования в расплаве перед фронтом кристаллизации области концентрационного переохлаждения: 1 — соствв расплава; 2 — температура ликвидуса; 3 — фактическая температура; Ь Т вЂ” величина переохлаждения може~ быть двоякого рода — термическим и концентрационным. В условиях термического переохлаждения проходит дендритная кристаллизация сверхчистых металлов, а также начинается кристаллизация сплавов. Выделяющаяся при этом скрытая теплота постепенно снимает начальное термическое переохлаждение. Будет ли расплав термически переохлажден па более поздних стадиях затвердевания, зависит о1 геометрии изложницы или сварочной ванны и внешних условий, определяющих теплоотвод.
В слое жидкости перед фронтом кристаллизации возникает градиент концентрации растворенного компонента — положительный нлн отрицательный — в зависимости от того повышает или понижает этот компонент температуру кристаллизации. Градиенту концентрации соответствует определенный градиент температур ликвидуса (рис. 3). Однако фактическая температура расплава, зависящая от установившихся условий кристаллизации, может не совпадать с равновесной температурой и быть ниже последней. Перед фронтом кристаллизации появляется область концентрационного переохлаждения, обусловленная изменением состава расплава.
Чем больше концентрация примеси и меньше температурный градиент в расплаве, тем шире область концентрационного переохлаждения; ширина этой области обычно 1 (10 з — 10 4) см (Ц. При наличии концентрационного переохлаждения всякий участок поверхности фронта кристаллизации, выдавшийся вперед, оказывается в более благоприятных для роста условиях, чем соседние. На гладкой поверхности раздела фаз появляются выступы. Боковые диффузионные потоки, возникающие в расплаве около выступов, обедняют примесями вершины выступов и обогащают боковые грани.
Такое распределение концентраций формирует в твердой фазе гексагональную ячеистую структуру, состоящую из параллельных элементов (ячеек), вытянутых в направлении кристаллизации. Границы ячеек образованы скоплением примеси у боковых стенок выступов. Критическое состояние, при котором осуществляется переход от плоского фронта кристаллизации к ячеистому, определяется условием равенства градиентов фактической температуры расплава и ликвидуса, которое устанавливает линейную связь между начальной концентрацией примеси Со и отношением градиента температуры О в расплаве у фронта кристаллизации к скорости й роста кристаллов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
