В 1.Общие закономерности кристаллизации слитка и сварного шва

Процесс кристаллизации расплавленного металла, как и про­цесс плавления, связан с переходом к состоянию с меньшей сво­бодной энергией. С понижением температуры свободная энергия системы для жидкого и твердого металла различно, что обусловливает существование в определенном интервале температур того или иного состояния металла с наименьшей свободной энергией. Для того чтобы начался процесс кристалли­зации, необходимо отклонение от равновесной температуры — переохлаждение жидкого металла. Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость образо­ваний атомов, создающих центры дальнейшей кри­сталлизации при самопроизвольном процессе. На первых стадиях рост зародыша приводит к увеличе­нию свободной энергии, в связи с чем его существование будет неустойчивым, и только после достижения зародышем определенного критического размера он станет устойчивым, начнет расти, поскольку увеличение его размера вызывает снижение свободной энергии металла.

Критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения, что приводит к созданию ус­ловий для образования большего числа зародышей. Одновременно с появлением зародышей начинается их рост — подстройка атомов с образованием соответствующей кристалли­ческой решетки. Скорость зарождения кристаллови скорость их ростаповышаются с увеличением степени переохлаждения. Однако повышение скорости образования зародышей при пере­охлаждении идет быстрее, чем повышение скорости их роста. Поэтому при малых степенях переохлаждения закристаллизовавшийся металл оказы­вается более крупнозернистым, чем при больших степенях переохлаждения. Приведенная закономерность увеличения скоростей зарожде­ния и роста кристаллов справедлива только до определенной степени переохлаждения, достигнув максимума, скорости начи­нают снижаться. Это связано с тем, что и зарождение, и особенно рост кристаллов требуют непрерывного поступления атомов к ме­стам их образования и роста, а подвижность атомов с понижением температуры уменьшается. Помимо таких естественных очагов кристаллизации, существуют и искусственные очаги — частицы включений, не растворившихся при плавлении или выделившихся из расплава при температуре выше температуры начала кристаллизации металла. Наилучшими частицами такого рода служат вещества, кристаллическая ре­шетка которых по типу и параметрам близка к решетке кристаллизующегося металла. Примеси, не имеющие указанного структур­ного соответствия, также могут стать искусственными центрами кристаллизации, если они находились в расплаве и поверхност­ные силы привели к адсорбции на них атомов расплавленного металла. Поскольку рассмотренные центры кристаллизации су­ществуют и в жидком металле, для кристаллизации на них тре­буется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного.

Рассмотренные общие закономерности кристаллизации опреде­ляют характер строения металлургических слитков, фасонных отливок и металлов сварных швов. Основными элементами строения литого металла являются дендрит и кристаллит. Эти элементы присущи как крупным отливкам и слиткам, так и сварным швам, однако характеры кристаллизации крупных отливок и сварных швов, выполненных сваркой плавлением, существенно отли­чаются.

Образование при кристаллизации дендритов—древовидных кристаллов со стволом и ветвями — определяется двумя положениями. Во-первых, рост первичного образования зародыша кристалла наиболее активно идет в направлении, перпендикулярном плоскостям с наибольшей плотностью упаковки атомов. Во-вторых, там, где отвод теплоты от атома неравномерен, наиболее активно рост идет в направлении, перпендикулярном плоскости отвода теплоты.

В реальных условиях кристаллизация расплавленного металла идет в пространстве, ограниченном твердыми, более холодными поверхностями — стенки и дно изложницы, стенки литейной формы, границы твердого металла в сварочной ванне. В этом случае рост основной оси (ось первого порядка — стволы дендритов), образующейся близко от поверхности кристаллизации, должен идти перпендикулярно к этой поверхности. В этом же направлении в стволе выстраиваются одинаковые кристаллографические плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные плотноупакованным. Подрастающий ствол сам становится элементом отвода теплоты, в связи с чем от него в разных местах в сторону начинают расти ветви — оси второго порядка также с указанной определенной ориентацией кристаллографических плоскостей. Затем от этих осей второго порядка растут оси третьего порядка и т. д.

При столкновении твердых поверхностей растущих осей разных порядков завершается постройка кристаллита. Оси кристаллитов имеют ориентированное кристаллическое строение и анизотропны по свойствам. Если дендрит растет не на холодной плоскости, а от центра кристаллизации в центре расплава, условия его роста определяются только преимущественным наслоением атомов по определенным плоскостям, и он принимает более сферическую форму, в то время как дендрит, растущий на плоскости, вытягивается перпендикулярно плоскости отвода теплоты.

Наличие многих очагов кристаллизации приводит к тому, что при кристаллизации зарождается и растет много дендритов или равновесных кристаллов. Поверхности растущих кристаллов сталкиваются и мешают взаимному развитию. Поэтому форма их становится неправильной, размеры разными, а благодаря различной ориентировке конгломерат — поликристаллический металл теряет анизотропность отдельных осей и становится изотропным. Образовавшиеся при таком росте, потерявшие правильную форму разориентированные дендриты и кристаллы называют кристаллитами.

При рассмотрении дендритного строения литого металла следует иметь в виду еще одну особенность — неоднородность химического состава по сечению дендрита. В связи с тем, что первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые, содержат меньше примесей, оси дендритов значительно меньше загрязнены примесями, чем металл в межосных пространствах. Эту разницу по содержанию примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скорости кристаллизации и скорости охлаждения. Наиболее склонны к ликвации углерод, сера, фосфор. В меньшей степени к ликвации склонны кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам.

С учетом изложенных общих закономерностей кристаллизации, можно рассмотреть металлургические особенности кристаллизации и кристаллического строения слитков и сварных швов, полученных методами дуговой сварки плавлением.

Кристаллизация слитка после заливки жидкого металла в изложницы начинается с образования слоя мелких разориентированных кристаллов в связи с большой скоростью охлаждения жидкости, примыкающей к стенкам изложницы. После того, как между стенкой изложницы и жидким металлом образовался слой закристаллизовавшегося металла с высокой температурой, дальнейшая кристаллизация идет путем образования столбчатых дендритов, медленно растущих на кристаллической подложке первого слоя. Остающийся жидкий металл в центральной части слитка окружен толстым слоем только что закристаллизовавшегося металла, имеющего высокую температуру, близкую к температуре кристаллизации. В связи с отсутствием источника активного, направленного отвода теплоты переход в твердое состояние металла практически подвергается либо законам естественной кристаллизации с зарождением и ростом центров кристаллизации, либо кристаллизации на готовых зародышах в виде различного рода включений. В центре образуется зона разориентированных, близких к равноосным, кристаллов. Размеры зон и величина кристаллитов в каждой из них зависят от размеров изложницы и слитка, природы и температуры залитого в изложницу металла.

В слитке, естественно, имеются ликвационные зоны, связанные с неодновременностью кристаллизации по участкам. В соответствии с этим растворимые примеси оттесняются к центру и к верхней части слитка.

Кристаллизация сварочной ванны происходит гораздо сложнее в связи с многообразием условий ее образования и охлаждения.

В очаге горгния дуги металл сварочной ванны имеет самую высокую температуру ~ 2300°С, значительно выше температуры кристаллизации. С удалением от очага дуги по разным направлениям температура жидкого металла снижается и вблизи кромок, а также вблизи ранее закристаллизовавшегося металла шва становится близкой к температуре кристаллизации. Однако в связи с тем, что в сечении, проходящем через очаг дуги и свариваемые кромки, температура жидкости на границе жидкого и твердого металла выше, чем в сечениях, лежащих ближе к хвостовой части ванны, рост кристаллитов в хвостовой части ванны значительно опережает рост кристаллитов с кромок в зоне максимальных температур.

Если мгновенно прекратить сварку и создать условия для удержания головной части ванны, то рост кристаллов будет идти с закристаллизовавшейся поверхности металла шва. Кристаллы из хвостовой части вытягиваются вдоль оси шва и имеют большую протяженность, кристаллы с боковых поверхностей, зависят от многих факторов — толщины и массы свариваемого металла, его температуры и теплофизических свойств, от скорости сварки, силы сварочного тока, технологии сварки (например, числа сварочных дуг) и др.

Характер кристаллического строения сварного шва в сечении, перпендикулярном его оси, может несколько отличаться при различных условиях сварки. При сварке в разделку перегрев и оплавление свариваемого металла, находящегося на кромках, приводит к тому, что с жидким металлом ванны соприкасаются оплавленные, выросшие зерна основного металла. Эти выросшие зерна на границе сплавления служат зародышевой основой для кристаллизации металла сварочной ванны. На оплавленной поверхности зародышами кристаллизации могут стать также не успевшие раствориться и расплавиться карбиды тугоплавких элементов и неметаллические включения. Эти кристаллы сварочной ванны растут от кромок и имеют вид дендритов разной величины.

При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость сварки Др.) столбчатые кристаллы могут прорасти до встречи в области центральной линии шва. При большой ванне и медленной ее кристаллизации в центральной части шва образуется небольшая зона равноосных кристаллов, возникших в условиях естественной кристаллизации. При сварке на охлаждаемой металлической подкладке на этой подкладке кристаллизуется тонкий слой мелких разориентированных кристаллов, становящихся зародышами для растущих от них столбчатых кристаллов. При многослойной сварке кристаллы каждого предыдущего слоя становятся основой для кристаллизации после дующих слоев. Однако при многослойной сварке скорости охлаждения каждого из слоев обычно больше скорости охлаждения ванны при однослойной сварке металла такой же толщины, поэтому кристаллическое строение отдельных слоев и шва в целом оказывается более мелким и плотным, с менее, выраженной ликвацией примесей по зонам. Говоря о ликвации примесей, необходимо упомянуть еще об одном явлении — прерывности кристаллизации и ликвации примесей по слоям кристаллизации. Было замечено, что рост кристаллов идет не непрерывно, а с периодическими остановками. Явление это связывается с остановками кристаллизации, вызванными тепловым эффектом (выделение теплоты) при переходе из жидкого состояния в твердое и другими обстоятельствами. При таком прерывистом росте слоев кристаллизации сначала застывает наиболее чистый металл, а к концу слоя—металл с повышенным содержанием примесей.

По этим характерным видам и общим законам кристаллизации можно судить о кристаллизации швов и в других случаях.

Поиск по сайту: