Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 72
Текст из файла (страница 72)
В металлах и сплавах при технологических воздействиях (термообработке, сварке, литье и др,) фазовые превращения происходят при изменении агрегатного состояния (переход из жидкого в твердое состояние), полиморфных превращениях, растворении нли выделении фаз из твердых растворов в связи с изменением взаимной растворимости компонентов. Движущей силой превращений служит положительная разность свободных энергий исходной фазы и образующихся фаз.
При изменении температуры выше или ниже определенного критического значения свободная энергия 573 об ной азы. разующейся фазы становится меньше свободной энерги й энергии исходно фазы. Выделяющийся избыток энергии расходуется на создав ние зародьппей образующейся фазы. Прн этом могут происходит д а отличающихся своим механизмом типа превращ и": ффходить ращении: дияирузионное и бездиффузнонное (мартенситное).
пон Под структурнымн превращениями (переходами П ) имают изменения формы, размеров и тонкой структуры с щерода ств ющих фа у фаз, которые сопровождаются перераспределением ~кт~ 'ы сущелегирующих элементов, примесей и дефектов кристаллической решетки. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и энтальпии, а также скачкообразным изменением теплоемкостн. Теплота пр ота при структурных превращениях не вьщеляегся.
12.4.2. Особенность превращений в металлах при сва ке Особенность фазовых и структурных превращений при аварке по сравнению со многими процессами термической обработки заключается в том, что они протекают в неравновесных условиях сварочного термодеформацнонного цикла, т. е. в условиях нагрева вплоть до температур ликвидуса, при высоких скоростях нагрева и охлаждения и в условиях одновременного развития сварочных деформаций и напряжений.
Превращения в неравновесных условиях характеризуютая их незавершенностью при каждой текущей температуре по сравнению с равновесным состоянием, соответствующим этой температу . Зго приводит к сохранению части исходной фазы при определенной степени пере~рева или переохлаждения. При больших степенях перегрева илн переохлаждения возможно изменение типа превращения (например, прн быстром охлаждении диффузионный тип превраиюния изменяется на мартенситный) и даже сохранению (частично или при которых она не полностью) исходной фазы при температурах, при которых может существовать в условиях равновесного процесса. Характе и ревращеннй зависят от состава сплава, максимальной р и температуры нагрева, а их завершенность определяется скоростными н деформационными параметрами сварочного цикла 12.5.
Рспбен .. Рспбенностн крнстяллнзацнн металла сварного шва 12.5,1. Об ...Общие положения теории первичной кристаллизации П ервичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого в твердое соспжние. В соответствии с законами термодинамики этот переход обусловлен повьпцением свободной 574 внутренней энергии материала с по- г" ннжением температуры (рис. ) 2.8). При этом ниже определенной равновесной температуры Т„,з энергия твердого состояния становится меньше энергии жидкого состояния. Для начала кристаллизации необходимо Т обРазование или наличие готовых рвс 12й 3 заРодышей твеРдой Фа™ (илн цен ной энергии твердого (П и тров кристаллизации) и их устойчи- жидкого (2) металла от темпевый рост.
Процесс кристадлнзаиии ратурм (Тв. — фактическая начинаег развиваться„если выде- те" пература кристаллизации) дающаяся удельная объемная свободная энергия Лф становится больше энергии, необходимой для образования поверхности зародыша, а общая свободная энергия системы г" проявляет устойчивую тенденцию к понижению. Прн этом избыток внутренней энергии выделяется в виде теплоты кристаллизации (Д„). В зависимости от способа образования зародышей различают гомогенную (самопроизвольную) и гетерогенную (несамопроизвольную) кристаллизацию.
В чистых металлах при идеализированных условиях затвердевания, т. е. при отсутствии инородных тугоплавких частиц в расплаве и внешних воздействий на крнсталлизукяцийся объем (например, кристаллизация капли расплава, взвешенной в магнитном поле) имеет место гамогеннал крислкьэлмзаиал. При этом необходимым условием является самопроизвольное образование зародышей твердой фазы. В этом случае требуется существенное пере- охлаждение ниже Тая до фактической температуры кристаллизации Тбл для достижения значительной разности удельных объемных свободных энергий жидкого и твердого состояний фг. При образовании зародышей твердой фазы критического размера, способных к дальнейшему росту, 2/3 необходимой для этого энергии поступает от выделившейся удельной объемной свободной энергии и !/3 — компенсируется энергией флуктуаций.
Чем больше переохлаждение, тем меньше критический размер зародышей и выше скорость кристаллизации. Существует определенная степень переохлаждения, при которой скорость зарождения и роста крнсталли- тов является максимальной. Прн более низких температурах процесс замедляется вследствие уменьшения диффузионной подвижности атомов. В реальных условиях кристаллизации промышленных металлов н сплавов (литье, сварка и т. ц.) имеет место гетерогенная ктзисталлизаимя.
При зтом готовыми центрами кристаллизации служат тугоплавкне твердые частицы в жидком расплаве„а также оплавленные зерна основного металла в сварных соединениях, стенки литейной формы и т. ц., имеющие готовую цоверхность твердой фазы. Рост зародышей происходит путем присоединения к ней тонкого слоя атомов с незначительной затратой знергни на развитие поверхности. Позтому гетерогенная кристаллизация происходит лрн относительно небольшом переохлаждении. Кристаллизация црн сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом теплоты а основной металл вследствие наличия градиента температур при локальном действии сварочных источников теплоты. В результате в сварном шве, как правило, образуются столбчатые кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва.
При зтом основанием кристаллита в шве, как правило, служит оплавленное зерно основного металла, хотя возможны случаи, когда кристаллнт растет от нескольких зерен, имеющих близкую кристаллографическую ориентацию. В определенных условиях в центральной части шва возможно образование равноосных кристаллнтов. Рост крнсталлитов прона- ходит прерывисто вследствие периодического образования у фронта кристаллизации со стороны жидкой фазы зон термического переохлаждения (у чистых металлов) нлн зон концентрационного переохлаждения (у сплавов).
Прн нацравленной кристаллизации чистых металлов один из вариантов образования зоны термического переохлаждения связан с выделенном Дк (рис. ! 2.9). Посл» затвердевания некоторого объема металла выделившаяся теплота кристаллизации Дк у фронта кристаллизации ФК отводится как в твердую, так н в жидкую фазу, Последнее приводит к образованию инка на кривой действительной температуры (Т ) в районе ФК н к появлению в жидкости участка с положительным градиентом температуры (положительным углом наклона кривой Тд(х)). В результате процесс кристаллизации останавливается, при зтом возможно частичное оцлавление уже закристаллизовавшейся твердой фазы. По мере отвода теплоты от удаляющегося сварочного источника температура жидкой фазы на некотором расстоянии от ФК становится ниже 57б Тй Ж ФК, х ФК,,ФК, х ФКз х И 6 в Рис. 12.9.
Кристаллизация чнсплх металлов в условиях термического переохлажлеиия: а — окончание кристаллизации слоя; 6 - остановка процесса кристаллизации: екрис галлизацня нового слоя; 7'„„и Т„- температура плавления и деаствитезгаиая температура; ЬЗ„- теплота кристаллизации; х, — зона термического переоялаидеиия; Тд и Ж - твердая и иилкая фазах ФК вЂ” фронт кристаллизации; оса .т- трасятория дяииеиия саарОчиого источника температуры плавления Т„„, т.
е. образуется зона термического переохлаждения (х,). После того, как Т„на ФК станет равной или несколько ниже Тпл, происходит быстрый рост твердой фазы на расстоянии хт. В дальнейшем также идет прерывистый рост твердой фазы с той же периодичностью. Значение х„зависит от Дк, от условий отвода теплоты из района ФК (от градиента действитель- дТд ной температуры 6 = — д ) и других факторов, дх По мере увеличения х, возможны плоский, ячеистый илн дендритный типы цервичной кристаллизации.
На поверхности фронта кристаллизации все~да имеются микровыступы, обусловленные выходом под углом к его цоверхностн кристаллических плоскостей, обладающих тенденцией к преимущественному росту. Если нротяженность зоны хт мала, то в период роста очередного слоя фронт кристаллизации остается квазиплоским.
При относительно большой зоне х, происходит потеря устойчивости плоского фронта кристаллизации и процесс кристаллизации идет путем развития н роста выступов. При развитии осей первого порядка, перпендику- При плоском типе кристаллизации кристаллиты представляют собой монокристаллические образования, отделенные друг от друга большеугловыми границами.
При ячеистом типе крист»ь»иизации кристаллиты предстааляк»т собой совокупность ячеек с гладкими сторонами, а при дендритном — совокупность древовидных участков, разделенных малоугловыми границами. В чистых металлах первичная мнкроструктура кристаллитов металлографически выявляется очень трудно. Ее можно фиксировать по рельефу на чистых поверхностях ШВОВ или на шлифах ПО Различному селективиому отражению злементов первичной микроструктуры. Наличие даже незначительного количества примесей, которые скапливаются на границах, существенно повышает степень выявляемостн первичной микроструктуры. Закономерности кристаллизации сплавов в основном определяются концентрационным переох»»вждеиием (см. Рис. 12.!О). Его образование обусловлено диффузионным перераспределением примесей у фронта кристаллизации и скопленном их со стороны жидкой фазы вследствие болыцей их растворимости в жидкой фазе, чем в твердой (см.
Разд. 12.6,1). Позтому в зоне концентрационного уплотнения Ь„имеет место понижение температуры ликвидуса Т„. Протяженность зоны Ьх зависит от интенсивности диффузионного отвода примеси от фронта кристаллизации в жидкость (Вж) и скорости криста»иизации (т»кр): 6к» .4С'6 1-1 4Ъ, йо (ИРИ х,п) 6 аз лСС вЂ” с— (прн х„з) В Рнс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
