Кристаллизация металла сварного шва

Кристаллизация является, как правило, фазовым переходом первого рода и представляет собой процесс образования кристаллов из газа, раствора, расплава, аморфного тела (стекла) или из кристалла другой структуры.

В зависимости от исходного состояния кристаллизующегося вещества (расплав, кристалл) выделяют первичную и вторичную кристаллизации. Под п е р в и ч н о й кристаллизацией понимают рост кристаллов из расплава при затвердевании сварочной ванны. У металлов и сплавов, претерпевающих полиморфные превращения, в процессе охлаждения в твердом состоянии протекает в т о р и ч н а я кристаллизация, или п е р е к р и с т а л л и з а ц и я.

Первичная кристаллизация сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации и у с а д к о й – уменьшением объема кристаллизующегося металла. Чистые металлы затвердевают при постоянной температуре, называемой т е м п е р а т у р о й к р и с т а л л и з а ц и и. Сплавы кристаллизуются в температурном интервале от температуры ликвидуса до температуры солидуса.

Кристаллизация расплавленного металла протекает в хвостовой части сварочной ванны (см. рис.2.20) и включает в себя процессы возникновения центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

Центры кристаллизации (зародыши) образуются из кластеров жидкости. Кластеры (дозародыши) представляют собой случайно возникающие в жидкости и существующие непродолжительное время комплексы из упорядоченно расположенных атомов. Чем ниже температура жидкости, тем больше величина (радиус) дозародышей и время их жизни. Кластер, имеющий радиус r, превышающий критический r_кр, становится устойчивым и превращается из дозародыша в зародыш, т.е. в центр кристаллизации.

Образование центров кристаллизации может протекать по гомогенному или гетерогенному механизму.

Гомогенная кристаллизация характерна для чистых и сильно переохлажденных жидкостей. П е р е о х л а ж д е н и е м DT называют понижение температуры расплава T ниже температуры термодинамического равновесия T₀ кристалла с расплавом: . Температура T₀ соответствует температуре равновесного ликвидуса и определяется из диаграммы состояния.

Переохлажденная жидкость находится в метастабильном состоянии и может сохранять свое агрегатное состояние сколь угодно долго, если в ней не возникли центры кристаллизации. По достижении определенной степени переохлаждения DT в жидкости возникают кластеры с r > r_кр и начинается процесс кристаллизации.

Для гомогенной кристаллизации требуются большие переохлаждения. Например, подвергнутая глубокой очистке вода может сохранять жидкое состояние до – 40 ^оС, а для начала кристаллизации чистых металлов требуется переохлаждение (в К).

Гомогенная кристаллизация может развиваться в сварочной ванне только при отсутствии условий для протекания процесса гетерогенной кристаллизации.

Гетерогенная кристаллизация осуществляется путем зарождения зародышей на подплавленных зернах основного металла и неметаллических включениях. В данном случае образование центров кристаллизации обусловливается незначительными переохлаждениями, оставляющими несколько градусов.

Гетерогенный механизм образования центров кристаллизации реализуется при сварке промышленных сплавов и технически чистых металлов.

При гетерогенной кристаллизации сплавов кроме термического переохлаждения существенное значение имеет концентрационное переохлаждение.

К о н ц е н т р а ц и о н н ы м п е р е о х л а ж д е н и е м называется эффект снижения температуры ликвидуса на фронте кристаллизации. Такое явление происходит из-за накопления легирующих элементов или легкоплавких примесей перед фронтом кристаллизации (рис.2.30). Вклад концентрационного переохлаждения в образовании центров кристаллизации растет с увеличением скорости затвердевания металла, например, при контактной точечной сварке.

Рост кристаллов в сварочной ванне происходит путем наращивания атомов на зародыши. Процесс роста кристаллов идет прерывисто. После затвердевания некоторого объема металла выделившаяся скрытая теплота кристаллизации отводится как в твердый металл, так и в расплав. Это обусловливает увеличение температуры жидкой фазы около фронта кристаллизации и кратковременную остановку ее затвердевания.

В зависимости от условий протекания процесса кристаллизации (скорости кристаллизации, градиентов температурного поля в сварочной ванне, степени переохлаждения, теплофизических характеристик расплава и т.д.) из зародышей могут образоваться равноосные кристаллиты, ячеистые кристаллиты, столбчатые кристаллиты и дендриты.

Рис. 2.30. Схема концентрационного переохлаждения

К р и с т а л л и т а м и, или з е р н а м и, называют мелкие монокристаллы, не имеющие явно выраженной огранки. Д е н д р и т ы – это ветвистые кристаллы, но не монокристаллические, а двойниковые (т.е. части которых находятся в положениях, зеркально-симметричных или повернутых относительно оси второго порядка) или сростки многих кристаллов. В первом случае дендриты иногда также называют кристаллитами.

В объеме сварочной ванны рост кристаллов удобно рассматривать как перемещение фронта кристаллизации. Фронт кристаллизации возникает в результате роста кристаллов от центров кристаллизации на частично оплавленных зернах основного металла (рис.2.31). Наиболее быстро кристаллы растут перпендикулярно к изотермическим граничным поверхностям и параллельно направлениям наиболее интенсивного теплоотвода. В результате образуются ориентированные столбчатые кристаллиты (рис.2.32).

а	б

Рис. 2.31. Схема роста столбчатых кристаллитов (а)

и столбчатые кристаллиты при плазменной сварке меди (б), ´100

Рис. 2.32. Столбчатые кристаллиты в шве стального изделия, сваренного дуговой сваркой

В соответствии с объемным распределением градиентов температур и скоростей кристаллизации концентрационное переохлаждение возрастает от границы сплавления к середине шва. В этой зоне велика вероятность образования зародышей кристаллизации на неметаллических включениях, в результате чего может возникнуть второй фронт кристаллизации.

Кристаллиты второго фронта кристаллизации, образующиеся из зародышей кристаллизации в результате концентрационного переохлаждения, являются равноосными (рис.2.33).

Рис. 2.33. Усиление шва из алюминиевого сплава АМг3, сваренного аргонодуговой сваркой неплавящимся (вольфрамовым) электродом, протравленное для выявления макроструктуры

Чистые металлы образуют (особенно при большой скорости затвердевания и малых температурных градиентах) кристаллы, которые с боковой поверхности ограничены сравнительно плоскими поверхностями. Такой рост кристаллов является ячеистым (рис.2.34). Ячеистые кристаллиты занимают промежуточное положение между равноосными и столбчатыми кристаллитами.

Рис. 2.34. Ячеистые кристаллиты сварного шва из вольфрама, сваренного контактной точечной сваркой в сечении, параллельном главному направлению роста, ´100

При малых скоростях охлаждения и больших переохлаждениях, а также при повышенном содержании ликвирующих примесей граничные поверхности кристаллов отличаются значительными неровностями. Рост кристаллитов приобретает дендритный характер (рис.2.35). Вершины кристаллов прорастают в зону концентрационного переохлаждения. Разветвление дендритов происходит в направлениях предпочтительной ориентации бокового роста (направлениях, имеющих наибольшую плотность упаковки атомов).

а	б

Рис. 2.35. Дендриты сварного шва из высокохромистой стали,

сваренного аргонодуговой сваркой плавящимся электродом,

в сечениях, параллельном (а) и непараллельном (б) их продольным осям, ´100

Поскольку при сварке сварочная ванна перемещается, то оси растущих кристаллов смещены по оси шва (рис.2.36).

а	б

Рис. 2.36. Направление осей кристаллитов при малой (а) и большой (б)

скоростях кристаллизации

Формирование структуры сварного шва обусловливается процессами первичной и вторичной кристаллизации. Структура (макроструктура и микроструктура) металла шва, сформировавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации, называется, соответственно, первичной или вторичной.

Для ряда металлов – алюминий, медь, никель и их сплавы и др. – первичная структура при дальнейшем охлаждении сварного шва, не изменяется или изменяется незначительно.

У металлов и сплавов с аллотропическими модификациями, например у сталей, в процессе охлаждения в твердом состоянии протекает вторичная кристаллизация (перекристаллизация). В этом случае свойства вторичной структуры обусловливаются структурными составляющими, стабильными при температуре эксплуатации сварного соединения.

Существует определенная связь между первичной и вторичной структурами. В частности, вторичная структура имеет тем более мелкое зерно, чем меньше первичное зерно.

На практике обычно стремятся к получению возможно более мелкозернистой разориентированной структуры металла шва. Это достигается путем использования ряда технологических приемов, вызывающих измельчение первичной структуры.

Измельчение первичной структуры осуществляют модифицированием, электромагнитным перемешиванием сварочной ванны или воздействием на нее ультразвуковыми колебаниями, вибрациями и т.д.

Модификаторы 1-го рода, например цирконий, редкоземельные элементы и др., создают дополнительные центры кристаллизации.

Модификаторы 2-го рода (алюминий, титан, ванадий и др.), являясь поверхностно-активными веществами, снижают скорость роста кристаллов.

Ультразвуковые колебания достаточной мощности или интенсивные локальные течения металла в сварочной ванне, возникающие при ее электромагнитном перемешивании, обламывают окончания ряда растущих кристаллов. Такие обломки становятся новыми центрами кристаллизации.

Все рассмотренные воздействия управляют процессом кристаллизации, приводя к увеличению общего количества кристаллов, приходящихся на единицу объема сварного шва и, соответственно, к уменьшению размера зерен первичной структуры. Металл шва с мелкозернистой структурой имеет высокие показатели пластичности, вязкости и прочности.

Химическая неоднородность металла шва (ликвация, сегрегация) может развиваться на макро- и микроскопическом уровне.

Микрохимическая неоднородность подразделяется на внутрикристаллитную (внутридендритная) и межкристаллитную (междендритную).

Внутрикристаллитная неоднородность наиболее часто возникает в дендритах и проявляется в виде различного содержания примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита.

Межкристаллитная химическая неоднородность более характерна для ячеистых и столбчатых кристаллитов. Такие кристаллиты имеют относительно чистую от примесей центральную часть и грани, обогащенные легкоплавкими элементами.

Основным фактором, обусловливающим возникновение микрохимической неоднородности, является накопление легирующих элементов и легкоплавких примесей на фронте кристаллизации (см. рис.2.30) называемое к о н ц е н т р а ц и о н н ы м у п л о т н е н и е м.

Макрохимическая неоднородность может проявляться в виде неодинакового распределения примесей по сечению шва (зональная ликвация) и вдоль линии сплавления (кристаллизационные или диффузионные прослойки).

Зональная ликвация вызывается неодновременной кристаллизацией периферийных зон и средней части сварного шва. Из-за постоянного накапливания примесей перед фронтом кристаллизации (см. рис.2.30), средняя часть шва оказывается более загрязненной ликвирующими элементами и примесями (С, S, Р, Si и др.) и образует так называемую зону слабины шва. Зональная ликвация (рис. 2.37) проявляется, как правило, по оси или в усилении сварного шва.

В швах, полученных сваркой плавлением, зональная ликвация развита значительно слабее, чем внутридендритная.

Рис. 2.37. Зональная ликвация серы 1 в усилении сварного шва

Кристаллизационные (диффузионные) прослойки образуются при сварке разнородных сталей и разнородных металлов и, как правило, имеют переходный химический состав от основного металла к металлу шва. При сварке некоторых сочетаний металлов (например, титана со сталью) в диффузионных прослойках образуются хрупкие интерметаллидные фазы, делающие сварное соединение непригодным для эксплуатации.

Химическая неоднородность ухудшает механические свойства металла шва, снижает его коррозионную стойкость, способствует образованию горячих трещин и т.д.

Возникшая при кристаллизации микрохимическая неоднородность может уменьшиться в ходе охлаждении сварного соединения в результате протекания диффузионных процессов, выравнивающих неравномерность распределения легирующих элементов и примесей.