Рекристаллизация начинается при нагреве свыше темпера туры рекристаллизации Тр, составляющей 0АТпл К, т. е. когда становится заметной скорость самодиффузии. Процесс является термически активированным. Поэтому процесс получает разви тие в металле, претерпевшем определенную критическую пла стическую деформацию (около 5—10%), т. е. после накопле ния в металле некоторого минимума энергии. С увеличением степени деформации снижается энергия активации рекристал лизации и несколько понижается Тр. Это приводит к увеличе нию скорости рекристаллизации.
5.4.3. Перераспределение примесей.
Перераспределение примесей происходит в период их пребыва ния в температурных областях, когда имеет место заметная диф фузионная подвижность этих элементов. При этом возможны два противоположных процесса: выравнивание концентрации элементов по объему — гомогенизация или их накопление на отдельных структурных составляющих, границах зерен и скоп лениях дефектов кристаллической решетки — сегрегация. Гомо генизация приводит к устранению микрохимической неоднород ности (МНХ), возникшей при первичной кристаллизации сплавов.
Для двухкомпонентных сплавов движущей силой выравни вающей диффузии является градиент концентрации, а ее ско рость пропорциональна коэффициенту диффузии .растворен ного элемента. Заметное развитие гомогенизация получает в об ласти температур свыше О.вГпл К как в процессе нагрева, так и охлаждения. Скорость гомогенизации резко возрастает с по вышением температур и временем пребывания при них. По мере развития гомогенизации ее скорость постепенно затухает, поскольку уменьшается градиент концентрации. Процесс гомо генизации получает существенное развитие при сварке в ОШЗ сварных соединений.
В многокомпонентных системах, какими являются современ ные технические сплавы, движущей силой диффузионного пере распределения элементов является не градиент концентраций, а градиент его химического потенциала. Последний определяет изменения свободной энергии локального объема твердого рас твора или фазы данного состава при добавлении одного моля диффундирующего элемента. В свою очередь химический по тенциал будет зависеть от термодинамической активности эле мента, определяемой его концентрацией и взаимодействием с другими элементами, находящимися в растворе. Одни из них могут повышать, другие — понижать активность диффундирую щего элемента. Диффузия элемента идет от зон, где его актив ность выше, в зоны, где она ниже. В этом случае возможна
так называемая восходящая диффузия, при которой поток эле мента направлен против градиента концентраций, т. е. в сто рону ее увеличения. При этом на первом этапе пребывания сплава при высоких температурах возможно усиление МХН некоторых элементов, а затем, после перераспределения других элементов,— его выравнивание по объему.
Сегрегация обусловлена перераспределением элементов между объемом зерен и их границами, имеет сложный харак тер и зависит от температуры. Для двухкомпонентных твердых
Рис. 5.12. Схема развития неравновесной сегрегации примесей на границах зерен при нагреве (а) и охлаждении (б):
c3 t сгр — равновесная концентрация в зерне |
и на границе; |
сг н, |
сг н — неравновес |
||
ная концентрация на границах соответственно для малой и |
большой |
скорости нагрев.). |
|||
гг.о— концентрация примесей на |
оплавленных |
границах; |
Г д, |
7'с н—температуры начала |
|
диффузии примеси и неравновесного солидуса; |
^ т а х * |
^ та х |
— различные м&ксималь |
||
|
ные температуры нагрева |
|
|
||
растворов движущей |
силой процесса |
является тенденция |
|||
к уменьшению энергии упругих искажений решетки при перс ходе растворенных элементов из зон зерна, не имеющих дефек тов кристаллического строения, в зоны скопления несовершенств строения решетки, которыми в первую очередь являются гра ницы зерен. Предельное развитие процесса — образование так называемой равновесной сегрегации элементов на границах зерен, которая оценивается отношением равновесных концент раций элементов на границе сг.р и в объеме зерна с3. Согласно теоретическим представлениям сг.р возрастает по мере сниже ния температуры (рис. 5.12). В условиях нагрева или охлаж дения при сварке действительная или неравновесная сегрега ция на границах сг.„ начинает развиваться при температурах выше температуры заметной диффузионной подвижности рас творенного элемента Тд. По мере повышения температуры ст.» будет возрастать вплоть до достижения сг. Р. Интенсивность
изменений сР.н и степень приближения ее к сг. р будут тем больше, чем больше коэффициент диффузии растворенного эле мента и меньше скорости нагрева и охлаждения. При дальней шем возрастаний температуры сг.„ будет снижаться, согласуясь с зависимостью изменения сг. р от температуры. Начнется про цесс «рассасывания» сегрегата на границах, т. ё. гомогенизация, помимо внутренних объемов зерна, распространится на пригра ничные области. При охлаждении процесс развивается в сто рону повышения сг.„ до достижения сг. р. Концентрация приме сей на границах может также уменьшаться в результате ми грации границ при росте зерен, если она сопровождается термическим отделением границы от примеси.
При нагреве участка ОШЗ около линии сплавления свыше температуры неравномерного солидуса 7С.Н происходит оплав ление приграничных участков зерен. Если растворенный элемент понижает температуру плавления сплава, то сегрегация его на границах приводят к более раннему расплавлению пригранич ных участков при Тс.а < Т с (равновесного солидуса). При этом границы зерен как поверхности раздела исчезают. Появление жидкой фазы приводит к появлению нового «ликвационного» механизма перераспределения растворенного элемента между твердым телом зерна и оплавленными приграничными участ ками. Он подобен ликвационному механизму образования меж дендритной МХН при первичной кристаллизации. Более высокая растворимость легирующих элементов и примесей в жидком металле обусловливает насыщение ими оплавленных участков в результате направленной диффузии из твердой в жидкую фазу до концентрации сг.0- Степени МХН в данном случае со измеримы с МХН в литом металле.
5.4.4. Перераспределение дефектов кристаллической решетки
В металле, находящемся в неравновесном состоянии после бы строго охлаждения с высоких температур (сварка, закалка) или холодной пластической деформации (основной металл), ха рактерна высокая плотность дефектов кристаллического строе ния решетки: вакансий, дислокаций, межузельных атомов и др. Плотность дислокаций изменяется в широких пределах — от Ю8 см-2 У отожженного металла до 1012 см-2 у металла после закалки или большой степени деформации. Дислокации обра зуют замкнутые сплетения, которые разделяют металл на от дельные ячейки размером порядка одного микрона. Внутри ячеек плотность дислокации сравнительно не велика. Повы шение общей плотности дефектов в металле приводит к повы шению прочностных свойств (наклеп после холодной деформа ции)1 и изменению некоторых физических свойств, например к увеличению электросопротивления.
При нагреве металла с неравновесной концентрацией де фектов кристаллической решетки свыше температуры Тв« « 0 ,2 Тпл К (Тпл — температура плавления) в нем развиваются процесы возврата. Первая его стадия, протекающая без изме нения ячеистой структуры, называется отдыхом, вторая — свя занная с формированием и миграцией малоугловых границ — полигонизацией.
При отдыхе наиболее важным процессом является уменьше ние избыточной концентрации вакансий (от св.н до св. Р). Ва кансии мигрируют к дислокациям, границам зерен и внешним поверхностям и там аннигилируют. Межузельные атомы ан нигилируют на краевых дислокациях и при встрече с ваканси ями. Скорость отдыха зависит от энергии активации самодиффузии и температуры. При одинаковых относительно Твя темпе ратурах (так называемых гомологических 0 = 7’/7’пл) скорость отдыха у разных металлов примерно одинакова. При этом аб солютные температуры сильно отличаются. Так, при комнатной температуре избыточные вакансии полностью исчезают у неклепанного алюминия, частично —у меди. Для начала движения вакансий у никеля требуется нагрев до 370 К, а у железа до 420—470 К. Другими процессами при отдыхе являются частич ная перегруппировка дислокаций и аннигиляция дислокаций разного знака. Результатом отдыха является восстановление таких физических свойств, как электросопротивление, а также смягчение пиков внутренних микронапряжений.
Полигонизация — процесс образования субзерен, разделен ных малоугловыми границами. Полигонизация является разви тием возникшей при пластической деформации ячеистой струк туры. Размытые, объемные сплетения дислокаций вокруг ячеек становятся более узкими и плоскими и превращаются в суб границы, ячейки и субзерна. Процесс развивается при темпера турах более высоких, чем температуры отдыха. Тело субзерен практически очищается от дислокаций. Решетки соседних суб зерен получают небольшую взаимную разориентировку (до не скольких градусов). При продолжительной выдержке и повы шении температуры происходит укрупнение (коалесценция) субзерен, так как при этом снижается энергия субграниц.
Глава 6. СВАРИВАЕМОСТЬ И ЕЕ ПОКАЗАТЕЛИ
(Макаров Э. Л., Якушин Б. Ф.)
6.1. Понятие свариваемости
6.1.1. Физическая и технологическая свариваемость
В сварочной практике понятие свариваемости имеет несколько аспектов. Первоначально использовались понятия физической и технологической свариваемости [1]. Первое характеризовало
принципиальную возМ°жность получения монолитных сварных соединений и главны^ образом относилось к разнородным ма териалам. Второе рассматривалось как свойство материалов, характеризующее их реакцию на сварочный термодеформацион ный цикл. Степень этой реакции оценивалась по отношению отдельных механичес,<их свойств металла сварных соединений к одноименным свойствам основного металла (например, твер дости, ударной вязкости и др.).
Понятие технологической свариваемости, или просто свари ваемости, часто используется в лабораторной практике при сравнительной оценке существующих и разработке новых ма териалов без их прямой привязки к конкретному виду сварных изделий.
В настоящее время получил широкое применение приклад ной аспект понятия свариваемости материалов, учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций [2, 3]. Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001—84: «свариваемость — свойство металлов или со четания металлов образ°вывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия».
6.1.2. Факторы, определяющие свариваемость
Исходя из вышеприведенного определения, свариваемость за висит с одной стороны от материала, технологии сварки, кон структивного оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной .конструкции.
Эксплуатационные свойства сварных конструкций опреде ляются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или комплекс свойств в зависи мости от назначения конструкции. Если требования к эксплуа тационным свойствам сварных соединений с принятыми допу щениями удовлетворяются, то свариваемость материалов счи тается достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала счи тается недостаточной. Следует отметить, что при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть раз лично оценена от назначения изделия.
6.1.3. Степени свариваемости
В сварочной практике традиционно принято различать не сколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удо влетворительная, ограниченная и плохая [4]. Однако четко не определены признаки, характеризующие ту или иную степень свариваемости. По одной из классификаций они подразделя ются по следующим признакам.