Структурные превращения в сплавах при нагреве и охлаждении

Основными структурными превращениями при сварке являются:

1. Образование границ зерен.

2. Выравнивание границ зерен и рост зерна.

3. Перераспределение атомов химических элементов.

4. Перераспределение дефектов кристаллической решетки.

Образование границ зерен – структурное превращение, присущее литому металлу в период завершения кристаллизации. Границы образуются при срастании кристаллитов с произвольно ориентированными решетками и представляют собой граничные поверхности, насыщенные дефектами кристаллического строения. Зоны срастания выявляются как обогащенные примесями ликвационные участки. Эти участки отличаются от центральных по степени травимости химическими реактивами. В низколегированных и чистых металлах эффект избирательного химического травления ослабевает и границы зерен выявляются термическим травлением. За счет пластической деформации от нагрева различно ориентированных кристаллических решеток на их границах образуются ямки термического травления.

В процессе охлаждения расположение границ зерен меняется. В большинстве случаев границы зерен не совпадают с зонами срастания первичных кристаллитов.

Выравнивание границ зерен и рост зерна связаны со стремлением системы к более равновесному состоянию с меньшей свободной энергией, при этом площадь общей поверхности зерен стремится к минимуму. Волнистая поверхность границ выравнивается, число зерен уменьшается, размер зерен увеличивается. Этот процесс называется вторичной рекристаллизацией.

Степень миграции границ определяется движущими силами миграции и временем пребывания при температурах высокой диффузионной подвижности. Чем более искривлены границы зерен, тем далее система от положения равновесия, тем интенсивней идет рекристаллизация. Движение границ представляет собой обмен атомами и вакансиями.

Наличие примесей тормозит движение границ зерен, поэтому процессы рекристаллизации наиболее выражены для однофазных сплавов и чистых металлов.

В холоднодеформированном металле получил развити процесс первичной рекристаллизации. Движущей силой миграции границ зерен служит энергия пластической деформации, которая уменьшается с ростом зерна. Первичная рекристаллизация начинается при нагреве до температур рекристаллизации Т_рек , причем Т_рек < 0,4Т_пл .С увеличением степени пластической деформации Т_рек уменьшается.

Перераспределение примесей и легирующих элементов происходит в период их пребывания в температурных областях их существенной диффузионной подвижности. При этом возможны два варианта процесса :

а) гомогенизация – выравнивание концентраций по объему;

б) сегрегация – концентрация примесей по границам зерен или накопление их на отдельных фазах.

Фазовые и структурные превращения при сварке сталей Превращения при нагреве основного металла

Ориентируясь на максимальную температуру нагрева, в сварном соединении сталей можно выделить несколько характерных зон.

1а 1б 1в 2

Зона 1 – зона фазовых α↔γ превращений.

Зона 2 – зона превращений метастабильного металла (рекристаллизация, отпуск, старение).

В свою очередь зона 1 разделяется на участки первичной и вторичной кристаллизации 1а, полной 1б и неполной 1в перекристаллизации.

На участке перекристаллизации при нагреве происходит переход α→γ или аустенизация. Превращение начинается образованием зародышей аустенита на границах феррит-цементит. Т.к. на межфазных поверхностях возникает несколько зародышей аустенита, аустенизация на первых стадиях ведет к измельчению зерна. Чем дисперсней исходная структура, тем больше образуется зародышей и тем мельче размер начального аустенитного зерна.

Нагрев до высоких температур ведет к росту зерна аустенита. Интенсивный рост зерна начинается после достижения некоторой критической температуры роста зерна Т_рз (930-1100^оС). Т_рз зависит от состава сталей, наличия примесей, методов раскисления и т.д. Легирование элементами, образующими труднорастворимые карбиды, нитриды и другие соединения , способствует торможению процесса роста зерен и увеличивает Т_рз .

Другим процессом, имеющим место при аустенизации, является гомогенизация аустенита. На ранних стадиях аустенизации внутри зерен аустенита имеет место неравномерное распределение углерода, который концентрируется в местах первоначальных участков цементита. За счет диффузии происходит выравнивание концентраций по углероду и другим элементам. Степень г8омогенизации зависит от диффузионной подвижности атомов и времени пребывания при высоких температурах .

На участке неполной перекристаллизации (T_AC1 < T_max < T_AC3 ) происходит частичное или полное превращение участков перлита в аустенит и растворение цементита при сохранении феррита. Если основной металл был в состоянии закалки или отпуска , то происходит разупрочнение.