№86 Кристаллизация металла шва

Кристаллизация металла шва.

Кристаллизацией называется процесс образования зерен из расплавленного металла

при переходе его из жидкого состояния в твердое.

Различают первичную и вторичную кристаллизации. Первичная кристаллизация протекает при высоких скоростях охлаждения и перехода металла из жидкого состояния в твердое. Вторичная кристаллизация начинается с распада первичной структуры в результате структурных превращений и заканчивается при низких температурах образованием устойчивых нераспадающихся микроструктур.

Температуры, при которых происходят первичная и вторичная кристаллизации стали, и характер образующейся при этом структуры металла в зависимости от содержания углерода определяют по диаграмме состояния железо — углерод.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

• образование центров кристаллизации или зародышей (зачатков);

• рост кристаллов вокруг этих центров.

Различают самопроизвольное и несамопроизвольное зарождение кристаллов. В первом случае образование зародышей и позднее кристаллов происходит только в высокочистом жидком металле. Образование зародышей кристаллизации объясняют тем, что при переохлаждении жидкости (имеется разность между температурой плавления и действительной температурой жидкости) самопроизвольно создаются устойчивые группировки атомов, некоторые из которых становятся зародышами кристаллизации. Во втором случае кристаллизация начинается с готовых центров кристаллизации. Такими центрами могут быть мелкие тугоплавкие твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкости (их называют модификаторами) или на стенках, соприкасающихся с кристаллизующейся жидкостью.

Растущие кристаллы в металловедении принято называть кристаллитами. Кристаллиты растут по различным схемам — послойный рост, ячеистый, дендритный и ячеисто-дендритный (рис. 1).

Р ис. 1. Типы кристаллической структуры сварного металла:

а — макроструктура основного и сварного металла,

б — фрагмент структуры части металла шва;

1 — участок послойного роста (гладкий фронт кристаллизации),

2 — ячеистая кристаллизация,

3 — ячеисто-дендритная кристаллизация,

4 — оплавленные зерна основного (свариваемого) металла

В технически чистых металлах швов преобладает ячеистая структура. Ячеистая структура представляет собой ряд параллельных игл (ячеек), вытянутых в направлении кристаллизации (в направлении отвода теплоты) и имеющих поперечный размер ячейки 10^-5 — 10^-6см. Границы ячеек образованы скоплением примеси (рис. 1, б). Продвигаясь в расплав (к центру сварочной ванны) ячейки укрупняются. На ячейках могут появиться ветви второго порядка — ячеистый рост сменяется дендритным.

При дендритной кристаллизации (дендрон по-гречески — дерево) первоначально вырастает ствол (ось первого порядка). От этого ствола под углом к нему возникают и растут ветви (оси второго порядка), от которых могут быть ветви (оси третьего порядка). Одновременно с образованием осей кристаллизации идет заполнение жидким металлом (расплавом) пространства между осями дендрита.

При однопроходной сварке металл шва имеет столбчатое строение. Столбчатый кристаллит в металле шва, выполненном дуговой сваркой за один проход дуги, может представлять собой группу ячеек и дендритов. Образование только ячеистой или дендритной или ячеисто-дендритной макроструктуры зависит от чистоты сварочной ванны, распределения при кристаллизации загрязняющих примесей, скорости охлаждения и т. д.

В случае смешанной структуры ячейки появляются не от самой границы сплавления с основным металлом, а на некотором расстоянии от нее, затем возникает переход от ячеистой структуры к структуре дендритов.

В зависимости от условий сварки размеры столбчатых кристаллитов изменяются в достаточно широких пределах, при дуговой сварке их размер обычно равен 0,3 — 3мм в поперечном сечении. У корня шва расположены наиболее мелкие кристаллиты, ближе к центру шва — крупные со смешанной структурой.

Готовыми центрами кристаллизации металла многослойного шва являются частично оплавленные зерна столбчатых кристаллитов предыдущего слоя шва. Видимая граница между слоями шва исчезает.

Химический состав металла шва внутри каждого кристаллита при сварке сталей является неодинаковым. Участки кристаллитов, образовавшиеся в конце процесса кристаллизации (например, вверху шва при однопроходной сварке), загрязнены примесями в большей степени, чем первые затвердевшие участки кристаллитов (например, расположенные в корне шва). Это называется внутрикристаллитной химической неоднородностью. Межкристаллитная химическая неоднородность — это количественно различное накопление примесей по границам кристаллитов.

Кристаллизация металла сварных швов имеет прерывистый характер.

Рис. 2. Кристаллизационные слои в шве:

а — поперечное сечение стыкового соединения;

б — внешний вид (чешуйчатость) шва.

Под действием сил, появляющихся в процессе сварки и переменной скорости кристаллизации, металл шва имеет слоистый характер расположения примесей при любых условиях сварки (рис. 2).

Чем сильнее теплоотвод и меньше объем жидкого металла, тем тоньше кристаллизационный слой. Кристаллизационные слои в любом сечении шва могут быть рассмотрены на специально подготовленных макрошлифах. Такой вид химической неоднородности называют макрнеоднородностью шва.