Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

для длины и ширины сварочной ванны [1]. Последние выведены на основе тепловой теории при сварке для быстродвижущихся источников теплоты (табл. 5.1). С помощью этих соотношений можно рассчитать критерий концентрационного переохлажде­ ния Ф и ориентировочно оценить тип первичной структуры и схему кристаллизации Ка или а для заданной точки на оси кри­ сталлита. х0.

Эллиптическая форма сварочной ванны соответствует сварке с небольшими скоростями (приблизительно до 20—25 м/ч), при

талла шва является мик­ рохимическая неоднородность (МХН): внутрикристаллитная и межкристаллитная (или междендритная). Внутрикристаллит­ ная МХН определяется соотношением конвективного и диффузи­ онного отвода примеси от ФК в жидкость. У линии сплавления, где имеет место интенсивное движение расплава в ванне, в ре­ зультате конвекции практически размывается концентрацион­ ное уплотнение, в МНХ формируется по закономерностям, близким к закону «нормальной» ликвации. Концентрация при­ меси в кристаллите по мере его роста непрерывно возрастает и в каждый момент определяется произведением текущей кон­ центрации примеси в объеме жидкости и коэффициента рас­ пределения ств= С)к • k (рис. 5.5). При этом следует учитывать поправку на неравновесность процессов при сварке.

В средней и хвостовой частях ванны отвод примеси от ФК происходит в основном путем диффузии в жидкую фазу. В дан­

ном случае содержание примеси в кристаллите определяется произведением концентрации примеси в концентрационном уп­ лотнении у ФК и коэффициентом распределения ств= Со/£* k, т. е. средним содержанием примеси Со- Внутрикристаллитная МХН при сварке не получает существенного развития.

Заметное влияние на формирование МХН оказывает преры­ вистость процесса кристаллизации, которая характеризуется «микроскопическими» изменениями средней скорости кристал­ лизации окр: замедлением, остановкой и ускорением. При замед­ лении и остановке концентрация примеси ств приближается к равновесной c<yk, при ускорении процесс приближается к бездиффузионной кристаллизации, а концентрация примеси ств — к максимальной в концентрационном уплотнении Co/k (рис. 5.5). Микроскопические изменения окр имеют регулярный характер, связанный с образованием концентрационного переохлаждения, а также нерегулярный характер, обусловленный колебаниями режима сварки, падением капель прцсадочного металла в ванну, механическими колебаниями свариваемого изделия и т. п. От­ меченные микроскопические изменения скорости кристаллиза­ ции являются причиной «слоистости» сварного шва, выявляе­ мой на поверхности шлифов после травления. При нерегулярном характере изменений скорости кристаллизации на поверхности шва, как правило, появляются также геометрические наруше­ ния, наблюдаемые как «чешуйчатость» шва.

Межкристаллитная МХН при ячеистом и дендритном типе кристаллизации образуется путем отвода растворенных приме­ сей от вершины к подножью выступов при их росте в зоне кон­ центрационного уплотнения. Концентрация примесей в межячеистых и междендритных зонах близка к концентрации примесей в зоне концентрационного уплотнения C o / k . Тот же уровень межкристаллитная МХН имеет и в зоне стыка двух смежных кристаллитов, так как в этом случае происходит срастание вы­ ступов стыкуемых кристаллитов. В результате этого в цент­ ральной части сварных швов не образуется зон с повышенной концентрацией примесей.

Распределение примесей, формируемое в процессе кристал­ лизации шва, может существенно отличаться от распределения примесей в конечной структуре шва. В процессе охлаждения получают развитие процессы выравнивающей диффузии, интен­ сивность которой зависит от диффузионной подвижности элемен­ тов, скорости охлаждения, расстояния между зонами с повы­ шенной концентрацией примесей и других факторов.

5.3.2. Фазовые превращения в твердом состоянии

5.3.2.1. Полиморфные превращения. Ряд металлов (Fe, Ti, Со и др.) имеет несколько модификаций кристаллических структур при различных температурах. Термодинамически полиморфные

превращения (переход из одной модификации в другую) обу­ словлены минимумом объемной свободной внутренней энергии той или иной модификации в соответствующих температурных интервалах. Превращения в зависимости от условней охлажде­ ния могут иметь диффузионный или мартенситный характер.

Д и ф ф у з и о н н ы е п р е в р а щ е н и я . Диффузионные пре­ вращения происходят по механизму «образование и рост новой фазы». Образование зародыша происходит с увеличением сво­ бодной энергии системы, равной */з поверхностной энергии заро­ дыша (остальные две трети компенсируются уменьшением объ­ емной свободной энергии). Возникновение зародышей обеспечи­ вается за счет флуктуационного повышения энергии в отдельных группах атомов. При превращении в сплавах для Образования зародыша необходимо также наличие флуктуации концентрации растворенного элемента. Это условие затрудняет образование зародышей новой фазы, особенно если ее состав сильно отлича­ ется от исходной. При превращении в твердом состоянии, обра­ зование зародышей также тормозится упругой деформацией фаз. Последняя обусловлена различием удельных объемов ис­ ходной и образующихся фаз. Энергия упругой деформации уве­ личивает свободную энергию подобно поверхностной энергии.

Среди образовавшихся зародышей способностью к дальней­ шему росту обладают зародыши, размер которых равен или пре­ вышает критический. В этом случае баланс поверхностной и объемной энергий получает отрицательное значение и рост но­ вой фазы происходит с уменьшением свободной энергии си­ стемы. Критический размер зародышей уменьшается с увели­ чением степени переохлаждения (или перегрева) по отношению к равновесной температуре То, при которой объемные свобод­ ные энергии фаз равны. При этом скорость образования заро­ дышей также будет уменьшаться, так как с понижением тем­ пературы снижается диффузионная подвижность атомов, необ­ ходимая для формирования зародыша новой фазы. Зависи­ мость вероятности образования новой фазы от степени пере­ охлаждения будет иметь максимум, при нагреве вероятность будет монотонно возрастать с увеличением степени перегрева.

При росте новой фазы изменение составляющих свободной энергиианалогично изменениям при образовании зародышей. Поэтому зависимость линейной скорости роста новой фазы от степени переохлаждения также имеет максимум, но сдвинутый в сторону меньших переохлаждений. Общая скорость фазового превращения определяется суммой скоростей зарождения и ро­ ста новой фазы.

При постоянной температуре ниже (или выше) Т0 процесс превращения протекает изотермически и количество новой фазы увеличивается со временем. Кинетика фазовых превращений при различных степенях переохлаждения описывается изотермиче­