Фазовые превращения при сварке Первичная кристаллизация

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 в твердое состояние. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной энергии (F=U-TS) материала с понижением температуры. При температуре ниже критической (Тпл) меньшей свободной энергией обладает вещество в твердом состоянии.

F

Δf_V

ΔT

Тв

Ж

Т

Т_пл

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 Δf_V больше энергии для образования поверхности зародыша Е_σ . 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 столбчатые кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва.

Рост кристаллитов происходит прерывисто вследствие периодического образования у фронта кристаллизации со стороны жидкой фазы термического переохлаждения или зон кристаллизационного переохлаждения.

В чистых металлах после затвердевания некоторого объема металла выделившаяся скрытая теплота кристаллизации отводится как в жидкую, так и в твердую фазу. В результате на кривой действительной температуры появляется пик и процесс кристаллизации останавливается.

По мере отвода тепла с удалением источника энергии температура жидкой фазы становится ниже температуры плавления и образуется зона термического переохлаждения протяженностью х_Т . Происходит быстрый рост твердой фазы и далее процесс повторяется.

Тв Ж

х

Т

Т_пл

х_Т

Величина х_Т зависит от величин скрытой теплоты кристаллизации, градиента температур, теплопроводности металла и условий теплоотдачи в окружающую среду. В зависимости от величины х_Т возможны плоский, ячеистый или дендритный типы первичной кристаллизации.

При малых х_Т ФК квазиплоский, при росте х_Т происходит потеря устойчивости плоского ФК с образованием выступов. При достаточно больших х_Т образуются оси роста кристаллитов второго и больших порядков, т.е. ФК разветвляется с образованием дендритов.

Закономерности кристаллизации сплавов определяются концентрационным переохлаждением. Его появление обусловлено диффузионным перераспределением примесей у ФК и скоплением их в жидкой фазе вследствие лучшей растворимости по сравнению с твердой фазой. В результате в зоне концентрационного уплотнения протяженностью δ_к имеет место понижение температуры ликвидуса Т_L . Величина δ_к определяется соотношением

δ_к = D/Vкр ,

где D – коэффициент диффузии,

Vкр – скорость кристаллизации.

П

С

ротяженность зоны концентрационного переохлаждения х_к определяется в зависимости от распределений действительной температуры Тд вблизи ФК и температуры ликвидуса Т_L .

С₀

δ_к

х

Т

х_к

Т_д

Т_L

х

Влияние х_к на тип структуры аналогично закономерностям для х_Т .

Схема кристаллизации сварных швов

В результате воздействия сварочного источника теплоты свариваемый металл расплавляется, образуя сварочную ванну. Сварочная ванна перемещается вместе с источником теплоты. После кристаллизации образуется сварной шов. Площадь поперечного сечения шва условно делится на площади наплавки F_н и проплавления F_пр .

Очертания зоны проплавления оцениваются коэффициентами формы проплавления ψ_пр=b/h и полноты проплавления μ_пр=F_пр /bh.

Г лубина и форма зоны проплавления зависят от мощности и концентрации источника.

Кристаллизация при сварке имеет следующие особенности:

1. Наличие центров кристаллизации в виде зерен основного металла по границе сплавления.

2. Одновременный с кристаллизацией ввод теплоты от источника, скорость движения которого определяет скорость фронта кристаллизации.

3. Малый объем и время существования ванны, большие скорости роста кристаллитов.

4. Значительный градиент температур в ванне, большой перегрев металла в центре шва.

5. Интенсивное перемешивание расплавленного металла.

6. Воздействие на кристаллизующийся металл термодеформационного цикла сварки.

Пространственный ФК широкого класса сварочных ванн можно описать уравнением эллипсоида

г де i,p и h – длина, полуширина и глубина ФК.

Для точечного источника на поверхности полубесконечного тела

Направление роста кристаллитов всегда нормально к ФК. Т.к. сварочная ванна перемещается, то ось кристаллитов является ортогональной траекторией к семейству фронтов кристаллизации.

Кристаллит

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 v_кр и градиент температуры gradT. Градиент температуры можно повысить, увеличив тепловую мощность или понизить за счет предварительного подогрева. Скорость кристаллизации пропорциональна скорости сварки .

Градиент температуры и скорость кристаллизации обобщаются критерием

.

Характер структуры зависит от критерия Ф и концентрации примеси С

С

Дендритная

Ячеисто-дендритная

Ячеистая

Ф

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 :

1. Введение элементов модификаторов (титан, РЗМ) с целью создания в объеме сварочной ванны дополнительных центров кристаллизации.

2. Введение элементов, образующих избыточные фазы в твердом растворе (карбиды, α – фаза).

3. Воздействие на ванну ультразвуковых, механических, электромагнитных колебаний.

4. Термомеханическая обработка сварных швов.