Сварка в машиностроении.Том 1 (1041435), страница 24

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 24)

В сплаве определенного сцстава образование ячеек можно подавить замедлением скорости роста или же повышением температурного градиента. Продвигаясь в расплав, ячейки укрупняются, так как расширяется область концентрационного переохлаждения и уменьшается скорость кристаллизации. При достаточно большой протяженности зоны переохлажденного расплава на ячейках появляются ветви второго порядка, характерные для деидритного роста. Как видно из рис. 4, дендритному росту способствуют большие концентрации примесей, большие скорости кристаллизации и малые температурные градиенты.

За счет преимущественного разрастания дендритов, ориентированных по тепловому потоку, в литом металле формируется волокнистая текстура. Изменение размеров дендритов в зависимости от условий кристаллизации аналогично изменению размеров ячеек, т. е. с продвижением фронта твердой фазы в расплав дендриты увеличиваются, При этом общее количество примеси, сегрегировавшей в междуосных пространствах дендритов, уменьшается, а концентрация примеси в расплаве перед фронтом возрастает. На некоторой стадии роста столбчатых дендритов весь оставшийся расплав оказывается настолько концентрационно переохлажденным, что в нем зарождаются новые кристаллы.

Последующий быстрый рост этих кристаллитов в радиальных направлениях предотвращает дальнейшее развитие столбчатых дендритов. Таким образом, в центре слитков и сварных швов формируется равноосная структура. При обсуждении механизма образования ячеисто-дендритных структур обычно рассматривают системы типа твердых растворов. Однако подобные же структуры обнаруживаются и в сплавах с эвтектическим типом диаграммы состояния неэвтектического состава. Вначале затвердевание таких сплавов происходит с образованием ячеисто-дендритной структуры, При достижении расплавом перед фронтом кристаллизации эвтектического состава в междендритных пространствах и по границам кристаллитов образуется эвтектика. Исключительно многофазная кристаллизация характерна для сплавов эвтектического состава.

Существует множество структурных разновидностей, единственной обшей чертой которых является наличие двух фаз нли более. Если при эвтектической кристаллизации первичная фаза облегчает зарождение вторичной, то образуются, пластинчатая структура или — в присутствии примесей — ее модификации: колонийная и стерженьковая структуры. В противном случае образуются несплошные эвтектики с беспорядочной ориентацией второй фазы. Ячеистые, дендритные, а также смешанные — ячеисто-дендритные структуры характерны для внутрикристаллнческого строения сварных швов технически чистых металлов, сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, а также большого числа сплавов с эвтектическим типом диаграммы состояния (рис, 5).

Ячейки появляются не от самой границы оплавления рекристаллизованных зерен околошовной зоны, а на некотором расстоянии от нее, необходимом для образования концентрационного переохлаждения. Скрытая теплота кристаллизации и теплоотвод в твердую фазу уменьшают градиент температур к центру шва Одновременно возрастает концентрация примеси перед фронтом кристаллизации. 104 Кристаллиза!!ия ванны, фазовые изтяенения и режии сварки 105 Следствием э~ого является расширение зоны концентрационного переохлаждения и увеличение размера ячеек. На некоторой, более поздней стадии затве затвердеи ен ячейки разветвляются — ячеистый рост сменяется дендритным, Я е" с а д дриты в св рных швах, как и в слитках, характерны для зоны столбчатых кристаллитов, дендриты — преимущественно для центральной зоны равноосных кристаллитов.

Однако по сравнению со слитками и крупными л пными отливками при свар- Рис. 5. Примеры ячеистой (а — сплав железа с 3,5% кремния; 500'); дендритной (б — сплав титана ВТ15 с 11% хрома, 7,5% молибдена и 3,5% алюминия; 150') и смешанной (в — сплав ниобия с 5% хрома; 300') структур сварных швов ке в силу более резкого теплоотвода область существования ячеистых и смешанных структур шире, при этом величина ячеек меньше и дисперсность участков обогащения примесью выше.

т В результате перераспределения примесей при затвердевании литые струуры оказываются химически неоднородными. Сегрегацию примесей, образовав-' рукшуюся при затвердевании, можно разделить на несколько видов. В микроскопическом масштабе развивается нормальная сегрегация, или увеличение концентрации примеси в направлении затвердевания. С увеличением протяженности зоны затвердевания роль нормальной сегрегации становится все более важной. В сварных швах сегрегация этого вида выражена менее заметно, чем в слит- металла, ках.

Нормальная сегрегация проявляется не только в объеме все всего литого затве ева но и в каждом отдельном кристаллите, а именно: часть криста рд ающая в первую очередь, содержит меньше примеси, чем часть, за- ллита, гвсрдевающая гюзже. Наибольшее количество примеси скапливается в цен!Ре Кристаллизация сварочной ванны слитков или сварных швов, где встречаются растущие навстречу друг другу кристаллиты. Межзерепная сегрегация, или скопление примеси у межзеренных границ, связана с образованием канавки на фронте кристаллизации в месте выхода к фронту границы между растущими бок о бок кристаллитами. Механизм обогащения границы примесью такой же, как и при образовании границ ячеек.

В неравновесных условиях затвердевания внутри кристаллитов образуется ячеистая или дендритная сегрегация. Этот внд химической неоднородности обусловлен соответствующими формами роста кристаллов. Исследования с применением радиоактивных изотопов показывают, что в условиях развития ячеистой и дендритной кристаллизации сегрегация примесей в пограничных зонах ячеек и междуосных пространствах дендритов примерно равна сегрегации по границам кристаллитов. Преимущественного обогащения примесью границ между соседними кристаллитами не обнаружено. Степень развития ячеисто-дендритной неоднородности определяется составом сплавов и условиями затвердевания.

При сварке внутрикристеллическая неоднородность в подавляющем большинстве случаев проявляется менее заметно, чем К 2 э уйч <и при кристаллизации слитков и отливок (даже в металлической изложнице). 1 В слитках и отливках в зоне столбчатых кристаллитов, охлаждаемой наиболее ! ! быстро, ячеисто-дендритная сегрегация ! ! ! развита слабее, чем в зоне равноосных ! ! ! кристаллитов, которая охлаждается более !! сус медленно. Ка ественный анализ зависимости Рис. 6. Влияние скорости о охлажвнутрикристаллической неоднородности деиия сплава при кристаллизации от скорости охлаждениЯ при кристаллиза- на пе ь проя .

е ия внутрикрции показал, что при небольших скоРо- сталчи еской . и:вации стах охлаждения увеличение интенсивности охлаждения до определенного предела приводит к усилению внутрикристаллической сегрегации в соответствии с диффузионным механизмом кристаллизации. С дальнейшим увеличением скорости охлаждения внутрикристаллическая сегрегация уменьшается вследствие того, что диффузионный механизм кристаллизации сменяется бездиффузионным.

Таким образом, зависимость внутрикристаллической неоднородности от скорости охлажде. ния выражается кривой с максимумом (рис. 6). На основании принятой схемы уменьшение внутрикристаллической сегрегации в швах по сравнению со слитками и в зоне столбчатых кристаллитов по сравнению с зоной равноосных кристаллитов объясняли сменой диффузионного механизма кристаллизации на бездиффузионный.

Однако исследования последнего времени показали, что в диапазоне скоростей охлаждения от нескольких градусов до сотен градусов в секунду, т. е. реальных скоростей охлаждения слитков и сварных швов, бездиффузионный механизм кристаллизации не осуществляется. Состав осей и пограничных зон ячеек и дендритов остается при этих скоростях неизменным и определяется приблизительно положением солидуса при соответствующей температуре затвердевания.

Уменьшение степени химической неоднородности с увеличением скоростей охлаждения связано с измельчением элементов ячеисто-дендритной структуры, в результате которого состав литого металла усредняется. При малых скоростях охлаждения ячеисто-дендритная сегрегация убывает вследствие выравнивающей диффузии в твердой фазе непосредственно при кристаллизации, а также в ходе остывания после затвердевания. Еще один вид микроскопической сегрегации — обратная сегрегация — проявляется на последних стадиях затвердевания, когда обогагценная примесью жидкая 107 К исталлизацин сварочнои ванны Р !05 Кристаллизация ванны, фазсвые изтиенения и релки.и сварки фаза устремляется в межяченстые или междуосные промежутки, где в результате затвердевання произошла усадка. Помимо названных видов сегрегаций, в макрообъемах сварных швов наолюдается распределение примесей слоями, расположенными эквидистантно поверхности оплавления. Это явление вызвано изменением скорости роста кристаллнтов вследствие неравномерного поступления теплоты в сварочную ванну, периодически нарушающей баланс поступления и отвода теплоты н изменяющей скорость охлаждения.

Прн этом возможны остановка процесса кристаллизации и даже частичное оплавление фронта твердой фазы. Слои с повышенным содержанием примеси хорошо заметны в металле шва прн дуговой сварке плавящимся электродом и обусловлены каплеобразным поступлением электродного металла, неравномерной толщиной слоя покрытия электродов или флюса и т. д. При автоматических способах сварки и наплавкн, когда жидкая ванна имеет большой объем, слои расположены главным образом вблизи границы сплавления, а прн ручной сварке, когда ванна сравнительно малого объема,— по всему сечению шва. Еще более ярко слонстость в строении металла шва выражена при использовании импульсных источников теплоты (например, сварка электронным лучом в импульсном режиме), когда происходит прерывистое плавление и затвердевание.

Слоистость не нарушает характера н направления крнстал. лнзацнн, так как даже в случае периодического оплавления фронта твердой фазы поверхности нерасплавнвшихся частей кристаллитов служат двухмерными зародышами, обеспечивающими рост кристаллитов с прежней крнсталлографнческой ориентировкой. Одним из наиболее опасных дефектов сварного шва н прилегающей к нему зоны частичного расплавления основного металла являются горячие трещины, образующиеся по границам крнсталлитов на завершающем этапе затвердевания (кристаллизационные трещины) нли ниже температуры солндуса при последующем охлаждении (подсолидусные трещины). В связи с этим принципиальное значение имеет механизм формирования границ зерен в литых металлах.

Характеристики

Список файлов книги