Материал: Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

лением какой-либо фазы, а с сегрегацией растворенного эле­ мента на дислокациях, образовавшихся в процессе деформа­ ции. На них образуются облака Коттрелла. При последующей пластической деформации для движения дислокаций необхо­ димо вырывание их из облаков Коттрелла. Последнее требует повышения усилий для деформирования, что и служит причиной упрочнения сплава.

Старение, вызванное предварительной пластической дефор­ мацией, называется статическим деформационным старением. Старение, развивающееся в процессе пластической деформации, называется динамическим. Условием динамического старения является определенное соотношение между скоростями дефор­ мации и диффузионным перемещением растворенных атомов. В данном случае происходит блокировка растворенными ато­ мами дислокаций, движение которых при деформировании по каким-либо причинам замедляется, что служит причиной упроч­ нения. Указанное выше соотношение устанавливается при оп­ ределенных температурах, например для низкоуглеродистой стали в диапазоне 250—400 °С. Частичное охрупчивание стали при этих температурах называется синеломкостью.

Выделение фаз характерно при отпуске закаленных на мар: тенсит углеродистых и легированных сталей. По мере нагрева стали до температур в интервале 100—700 °С происходит распад метастабильного пересыщенного «-твердого раствора с по­ следовательным выделением е-карбида (вероятно РегС) и це­ ментита Fe3C. Повышение температуры отпуска приводит к ко­ агуляции и сфероидизации карбидов. При температурах, близ­ ких к Ас\, образуется грубая ферритно-карбйдная структура. При нагреве сплавов в виде смеси фаз выше температуры, при которой концентрация растворенного элемента становится меньше предела растворимости, происходит фазовое превраще­ ние, заключающееся в растворении избыточной фазы. Этим пре­ вращениям подвержены сплавы с переменной ограниченной рас­ творимостью, образующие при высоких температурах ненасы­ щенные твердые растворы. На температуру и интенсивность растворения оказывают влияние размеры и форма частиц избы­ точной фазы. Чем дисперснее частицы, чем больше радиус кри­ визны поверхности частиц, тем быстрее они растворяются. Пло­ ские иглообразные частицы растворяются скорее, чем сфериче­ ские. В условиях ускоренного нагрева, например при сварке, температуры начала и конца растворения существенно повы­ шаются.

5.4. Структурные превращения

Основными структурными превращениями в металлах в про­ цессе нагрева и охлаждения при сварке являются: 1) образова­ ние границ зерен; 2) выравнивание границ зерен и их рост;

четкой тонкой линии шириной ~ 10-1 мкм, т. е. на два порядка меньшей, чем ширина зон срастания. Эффект травления границ связан со скоплением примесей в результате процесса их сегре­ гации в приграничных зонах с искаженной решеткой. В случае малого количества примесей в металле или быстрого охлажде­ ния, когда диффузионный процесс сегрегации не успевает про­ изойти, эффект травления ослабевает или исчезает полностью. На свободной поверхности, чистой от оксидов, границы зерен выявляются в виде канавок термического травления. Канавки образуются в результате местной пластической деформации, вызванной уравновешиванием сил граничного и поверхностного натяжения. Термическое травление не связано с Сегрегацией примесей, поэтому оно выявляет границы в низколегированных сплавах и чистых металлах, а также в случае больших скоро­ стей охлаждения после затвердевания литого металла. В про­ цессе охлаждения положение границ зерен, как правило, изме­ няется в результате процесса их миграции. После завершения охлаждения в большинстве случаев границы не совпадают с зо­ нами срастания первичных кристаллитов (рис. 5.8).

5.4.2. Рост зерен

Рост зерен связан со стремлением системы к более равновес­ ному состоянию с меньшей свободной энергией. В соответствии с этим в литом металле шва после завершения кристалли­ зации и в металле ЗТВ при нагреве происходят изменения в по­ ложении границ зерен, приводящие к снижению их поверхност­ ной энергии. Последнее достигается за счет уменьшения сум­ марной поверхности зерен. Она уменьшается в результате выравнивания волнистых участков на границах и уменьшения количества зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 5.9). Этот процесс называется собирательной или вторичной рекристалли­ зацией. Рекристаллизация реализуется в результате смещения или миграции отдельных участков или полностью границ зерен.

Степень миграции границ зерен определяется движущими силами миграции, подвижностью границ и временем пребыва­ ния металла в области температур высокой диффузионной под­ вижностью атомов. Движущая сила миграции определяется раз­ ницей свободных энергий границ в данном неравновесном и рав­ новесном (после полного завершения миграции) состояниях. При прочих равных условиях движущая сила зависит главным образом от конфигурации граничных поверхностей, характери­ зуемой количеством участков с повышенной кривизной в макро- и микроскопическом плане. Движущая сила на отдельных участках границы пропорциональна их суммарной кривизне l//?i + l/R2, где R\ и /?2 — радиусы кривизны в двух взаимопер­

пендикулярных направлениях. Мигрирующая граница движется обычно к центру максимальной кривизны-(рис. 5.9).

Подвижность границ является функцией строения границ, а также концентрации на них примесей. По современным пред­ ставлениям, миграция границ происходит в результате элемен­ тарных актов переноса единичных атомов через границу. Миг­ рация границ является термически активируемым процессом. Для перехода от одного зерна к другому атом должен обла­ дать некоторым избытком энергии, т. е. энергией активации. При этом частота перехода атомов, а следовательно, и ско­ рость миграции -увеличиваются с повышением температуры.

Близость энергии активации миграции к энергии активации самодиффузионных процессов свидетельствует о том, что миг­ рация границ контролируется направленным перемещением ва­ кансий. Другими словами движение границы представляет процесс обмена атомов и вакансий (рис. 5.10). По мере разориентации границы и увеличения степени искажения решеток в Приграничных зонах доля энергии активации, связанная с об­ разованием и перемещением вакансий, будет уменьшаться. Об­ щая энергия активации миграции будет приближаться к энер­ гии активации самодиффузий по границам. В соответствии с этим большеугловые границы более подвижны, чем малоугло­ вые. В условиях неравномерного распределения температуры, например при сварке, отмечают, что наиболее интенсивная ми­ грация границ происходит в направлении тепловых потоков. ЭпГ вероятно, обусловлено направленным потоком вакансий от

в чистых металлах. При переходе от чистых металлов к слабым растворам (содержание примесей менее 0,001 %) скорость

миграции резко уменьшается. При больших концентрациях при­ меси перестают существенно влиять на дальнейшее уменьшение скорости движения границ.

Существенное торможение движущихся границ имеет место при наличии нерастворимых примесей, частиц второй фазы или неметаллических включений. При приближении границы к ча­ стицам между ними возникают силы притяжения, в результате чего радиус кривизны соответствующего участка границы изме­ няет свое направление (рис. 5.11). Это уменьшает общую дви­ жущую силу границы, что приводит к понижению скорости ее

изменение размера и формы зерен имеют свои специфические особенности. В этом случае получает развитие процесс рекри­ сталлизации обработки или первичной рекристаллизации. Дви­ жущей силой процесса является накопленная при пластической

При этом свободная энергия рекристаллизованного металла становится меньше, чем деформированного, вследствие умень­ шения плотности дислокаций (до 106—10® см-2). Процесс со­ стоит из образования зародышей новых зерен и их роста. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия де­ формации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ. Поэтому рекристаллизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их количе ства по сравнениню с деформированным металлом.