Неровный В.М. Теория сварочных процессов (841334), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Процесс лристадлизации ратуры ф „ температура кристаллизации) начинает развиваться, если выделяющаяся удельная объемная свободная энергия ~ стан Лз ановится Гюльше энергии, необходимой лля образования поверхности зародыша, а обшая свободная энергия сис- тов является максимальной. При более низких температ р п р турах процесс замедляется вследствие уменьшения диффузионной подвижности атомов.
В е р альных условиях кристаллизации промышленных металлов и сплавов (литье, сварка и т. и.) имеет место гепгерогенная кристиьпыалпя. При этом готовыми центрами кристаллизации служат тугоплавкие твердые частицы в жидком расплаве, а также оплавленные зерна основного металла в сварных соединениях, стенки литейной формы н т. и., имеющие готовую поверхность твердой фазы. Рост зародышей происходит путем присоединения к ней тонкого слоя атомов с незначительной затратой энергии на развитие поверхности. Поэтому гетерогенная кристаллизация происходит при относительно небольшом переохлаждении.
б Кристаллизация при сварке имеет направленный характе, о условленный отводом теплоты в основной металл вследствие наличия градиента температур при локальном действии сварочных Т ФК1 х ФКн ФКз х ФКз х а б в Рис. 12.9. Кристаллизация чистых металлов в условиях термического переохлаждения: а — окончвнне крнозвллнзвцнн слоя; 6 остановка процесса крисзвллнзаинн; к крногвллнзвцня нового слоя; Т„, н Тя - 1ецпература плавления н действительная ож ~ Ась 9 (пли ххй Т, б Т П ~а! ' Тхз Тл С«з АС~~ П П-и а В Д и Л При плоском типе кристаллизации кристаллиты представляют собой монокристаллические образования, отделенные друг от друга большеугловыми границами. Ири ячеистом типе кристачлизации кристаллиты представляют собой совокупность ячеек с гладкими сторонами, а при дендритном — совокупность древовидных участков, разделенных мшзоугловыми границами.
В чистых металлах первичная микроструктура кристаллнтов металлографически выявляется очень трудно. Ее можно фиксировать по рельефу на чистых поверхностях швов или на шлифах по различному селективному отражению элементов первичной микроструктуры. Наличие даже незначительного количества примесей, которые скапливакзтся на границах, существенно повышает степень выявляемости первичной микрострукзуры. Закономерности кристаллизации сплавов в основном определяются концентрационным переохлаждением (сьь рис. 12.10).
Гго ~ АГв ~ кв (12.10б) 12.5.2. Схе ма кристаллизации сварных щввв где Со — концентрация примеси; /~о — коэффициент распределения примеси в твердой и жидкой фазах; А — эмпирический коэффициент, зависящий от о а м равен = 1500). р д еталла (для железоуглеродистых сплавов Если соотношение (12.!06) справедл раведливо при знаке «)», то оба; при знаке «<» - денразуется ячеистая первичная микроструктура; и и . многокомп дритная микроструктура: при знаке «=» — ячеисто-дендритн' . В компонентных сплавах соотношение (12.10б) может ь — дритная. использовано ля о ение .
) может бьп'ь о для ориентировочной оценки применительно к наиболее сильно пикни ю ем рующему элементу, т. е. имеющему наименшее значение яо. мень- кристаллнта представляет собой ортогональную траекторию к семейству изотермических поверхностей кристаллизации, соответствующих Тл, или Тл. Математическое описание оси кристаллита х„при использовании соотношений для изотермических поверхностей кристаллизации х„, полученных методами теории тепловых процессов при сварке, представляет определенные трудности. Для инженерных расчетов изотермическую поверхность хн аппроксимируют уравнением эллипсоида с полуосями С, Р, Н, которые соответствуют длине 1 затвердевающей хвостовой части сварочной ванны, половине ее ширины р и глубине проплавления Ь.
В зависимости от схемы нагреваемого тела и типа источника теплоты изотермическая поверхность х„(рис. 12.12) может быть: 1) эллипсоидом с двумя равными полуосями (точечный источник на поверхности полубесконечного тела, Р = Й); 2) эллиптическим цилиндром (ли.;.,-;:::.,и .;.яз при сварке для быстродвижушихся источников теплоты. С помошью полученных соотношений можно определгпь основные параметры схемы кристаллизации: ! ) уравнение оси кристаллита; 2) угол наклона оси кристаллита к осн шва (также угол срастания противоположно растуШих крнсталлитов в центре шва); 3) интегральный критерий схемы кристаллизации: 4) скорость кристаллизации; 5) размер поперечного сечения кристаллита; 6) градиент температуры в точке пересечения оси кристаллита с нзотермой кристаллизации; 7) тип первичной микроструктуры.
3ллипсоидная форма сварочной ванны соответствует сварке с относительно небольшими скоростями (до 20...25 м!ч); при увеличении скорости сварки ванна приобретает параболоидную, а затем коническую форму. При этом методика получения основных (12.12) (ОЮ) ОИ (12.18) (12.!3) и' ОМ )гз У а р внение семейства эллипсов, сдвинутых влоль оси Ох,можно представить в вияе 2 2 Г(х з с) + ! 0 гле с — параметр семейства (расстояние между соседними эллипсалш вдоль оси Ох). Запишем дифференциальное уравнение ортогональной траектории к семейству эллипсов (12.! 3) 2 Ш = з~(-) з - (п —— )г, Уравнение оси крвстаттнти принимает вид Выразив из уравнения (12.13) значение х + с и подставив его в уравнение (!2.!4), получим выражение для определения тангенса угла а, образованного касательной к оси кристаллита с осью Ох, К., рал 90 '60 Я ~10 1,5 0= 2а, 1,0 0,5 0 1 о, см/с 0,2 0,4 0,6 0,8 !су Рис.
12.14. Зависимость интесрального критерия схемы кристаллизации К, от скорости сварки г 1кривьсе! и 2 соответствуют значениям с))г, равным 4,! 8 и 41,8 кДжIсм) 5''е :ол срастания нротивотулааюна раслрчс)их к!эис тсилсстов в Ншстре шва оценивают по соотношению где о., принято рассчитывать для !с, равного 0,04, так как при меньших значениях !су получается, что ось кристаллита асимптотически приближается к оси шва, а угол наклона стремится к нулю. Для суммарной оценки схемы кристаллизации используют ии- 1 тегРизьиый кРитеРий К = )сссйу 1где сс)су — бесконечно мань й о элемент ширины шва), который позволяет судить о преимущественном направлении осей кристаллитов по ширине шва при данном режиме сварки Рис.
!2.13. Изменение угла а наклона оси кристаллита к оси шва по ширине шва в зависимости от скорости сварки (кривьсе ), 2, 3 и 4 — соответствуют скоростям сварки 1, 2, 3 и 4 см!с при чй = 41,8 кДясссм) Рис. 12.11. Рассчитанная по тепловой теории изотерма кристаллизации (штриховая линия) и аппроксимируюший зллипс (сплошная линия) с полуосями ОМн О'г' си Ох' от источника до рассматриваемой х' — расстояние вдоль оси х от ист и источ- «е», если точка находится впереди ис точки берем со знаком « », ес — а вы ажеРис. 12.1б. Схема определения ширины кристаллнта Ь (ВС') К! ника, а если позади источи ника, ика — то со знаком « — ». Тогда в р.
ние для температурного поля имеет вид С' увеличением скорости сварки г изотермы вытягиваются, (' (у)"( скорость кристаллизации и угол п возрастакзт. У линии сплавле- Т(х', у ) = г(у (12.26) х,'=ОО = (12.30) 2л).'Г зе Отсгода, используя (12.27) и учитывая направление оси Ох' пол 0 О' х;х' (! 2.3! ) Значение ОЛ» находим, подставляя (12.30) ф в формулу (12.29), поскольку ОФ = ун»вк при х = хо'.
Рис. 12.18. Схема расчета градиента температур в точке пересео»7 (1з»2 чения оси кристаллита х„с изотермой кристаллизации х„: нл тк — лействнтельнал температура, и. и — нормаль к нзотерме кристаллизации л „, Л»; Л»' — проекции приращения Ли на осн 0 х 'н О У' .'раененце оси к ис» Зт 7з .'иаллита получаем, используя раж,„, я вг важен»та — !,о При затвердевании расплавленного металла сварочной ванны преобладает гетерогенный процесс кристаллизации; готовыми центрами кристаллизации являются оплавленные зерна основного металла в виде выступов, расположенных на поверхности сплавления, а также твердые тугоплавкие частицы в жидком металле.
В условиях направленного оттока теплоты образуется столбчатая кристаллитная структура. В зависимости от конкретных тепло- вых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического состава сплава, градиента температуры в центральпон части сварного шва возможно образование равноосной структуры. Столбчатая и равноосная структура, в свою очередь, могут быть ячеистыми, яченсто-дендритными, дендритными. Тип структуры а б в определяется содержанием примеси и значением критерия концен- С,% ! трационного переохлаждения Ф (см. ((2.!Оа)). Можно не только получить все эти структуры в шве, но и управлять их развитием, Денлритная больших значений Ф в шве образуется ячеистая структура, при высоком содержании примеси и малом значении Ф вЂ” дендритная. При сварке сплавов часто в зоне сплавления образуется ячеистая структура, в середине шва — ячеисто-дендритная, а в центре шва — дендритная структура (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
