Лабораторная работа № 10
Изучение процесса первичной
Кристаллизации сварного шва
Цель работы
Изучение процессов, протекающих при кристаллизации сварочной ванны методом моделирования .
Теоретическое введение
Под воздействием термического цикла сварки происходит процесс образования структуры металла, в котором выделяются две стадии:
первичная кристаллизация при переходе металла из жидкого состояния в твердое;
вторичная кристаллизация в результате превращений в твердом состоянии.
Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого состояния в твердое. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной энергии F материала с понижением температуры. При температуре ниже критической (Тпл) меньшей свободной энергией обладает вещество в твердом состоянии (рис.19).
Рис. 19. Зависимость свободной энергии F от температуры
При критической температуре плавления равновероятно как жидкое, так и твердое состояние. Однако для начала кристаллизации требуется некоторое переохлаждение ΔТ. При кристаллизации протекают одновременно два процесса :
― образование центров кристаллизации или зародышей;
― рост из них кристаллитов .
Образование зародыша возможно, если разность объемной свободной энергии ΔfV больше энергии для образования поверхности зародыша Еσ . Избыток свободной энергии выделяется в виде скрытой теплоты кристаллизации.
В чистых металлах при идеализированной кристаллизации имеет место гомогенная кристаллизация, когда зародыши образуются из флуктуаций жидкой фазы. Для гомогенной кристаллизации требуется достаточно большое переохлаждение. В реальных условиях сварки преобладает гетерогенный тип кристаллизации при малых переохлаждениях, когда готовыми центрами кристаллизации служат оплавленные зерна основного металла, а также тугоплавкие частицы в расплаве.
Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом тепла в основной металл. В результате в сварном шве образуются кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва (рис.20).
Рис. 20. Схема роста кристаллитов в сварочной ванне
Кристаллизация при сварке имеет следующие особенности:
Наличие центров кристаллизации в виде зерен основного металла по границе сплавления.
Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты от источника, скорость движения которого определяет скорость фронта кристаллизации.
Малый объем и время существования ванны, большие скорости роста кристаллитов.
Значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва.
Интенсивное перемешивание расплавленного металла.
Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.
Под влиянием конкретных условий сварки в различных областях шва могут быть получены различные типы первичной структуры – столбчатая или дендритная, а также промежуточные варианты.
Наиболее важные параметры, влияющие на первичную структуру – скорость кристаллизации vкр и градиент температуры gradT. Градиент температуры можно повысить, увеличив тепловую мощность или понизить за счет предварительного подогрева. Скорость кристаллизации пропорциональна скорости сварки .
Г
радиент
температуры и скорость кристаллизации
обобщаются критерием
.
Характер структуры зависит от критерия
Ф и концентрации легирующего элемента
(или примеси) С (рис.21). С увеличением
скорости сварки и степени легирования
возрастает вероятность образования
дендритной структуры.
Рис. 21. Зависимость типа кристаллитов от Ф и С.
Структуры со столбчатыми кристаллитами вызывают анизотропию свойств и в некоторых направлениях возможно ослабление механических свойств. Более предпочтительна равновесная структура.
Подавление столбчатой структуры с целью получения равновесной осуществимо следующими способами :
Введение элементов модификаторов (титан, РЗМ) с целью создания в объеме сварочной ванны дополнительных центров кристаллизации.
Введение элементов, образующих избыточные фазы в твердом растворе (карбиды, α – фаза).
Воздействие на ванну ультразвуковых, механических, электромагнитных колебаний.
Термомеханическая обработка сварных швов.