Основные закономерности процесса кристаллизации расплавленного металла в сварочной ванне. Понятие о первичной и вторичной кристаллизации металлов. Ликвация примесей и ее причины

Кристаллизация - это переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое с образованием зерен из расплава. Кристаллизация ванны начинается от готовых центров, зародышей кристаллизации - в основном от оплавленных зерен основного металла. Размер зерен зависит от объема жидкого металла, скорости охлаждения (величины теплоотвода). Чем быстрее охлаждение ванны, тем тоньше кристаллический слой и меньше размеры зерен. При газовой сварке нагрев и охлаждение происходят медленней, поэтому зерна больше по размеру. Металл шва имеет более выраженное столбчатое строение, так как состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу. Центрами кристаллизации могут быть мелкие тугоплавкие твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии. Растущие кристаллы называют в металловедении кристаллитами.

Сварочная ванна Объем расплавленного металла, образующийся при сварке плавлением под воздействием источника тепла, называют сварочной ванной. Различают сварочную ванну первого типа, образующуюся, например, при дуговой или газопламенной сварке, и второго типа, образующуюся при электрошлаковой сварке. Рассмотрим подробнее сварочную ванну первого типа, поскольку она встречается чаще.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванныПроцесс кристаллизации металла состоит из трех стадий. Это переохлаждение жидкого металла, образование центров кристаллизации и рост кристаллитов от этих центров.

Переохлаждение — это охлаждение жидкого металла до температуры ниже температуры его плавления. От наличия переохлаждения зависит вторая стадия процесса кристаллизации: образование центров кристаллизации, зародышей будущих кристаллитов. Атомы расплавленного металла не могут самопроизвольно сложиться в кристаллиты. Необходимо, чтобы в расплаве была готовая твердая поверхность, на которой будут откладываться атомы из жидкого металла, нужны твердые зародыши будущих кристаллитов - центры кристаллизации

Вторичная кристаллизация и строение сварного соединенияС затвердеванием металла шва структурные превращения в нем не заканчиваются. Например, при сварке стали первичные кристаллиты сразу после их образования состоят из аустенита - твердого раствора углерода и легирующих элементов в γ-железе, существующего при высоких температурах (750... 1500 ⁰С ). В процессе охлаждения аустенит распадается, превращаясь в зависимости от состава стали и скорости охлаждения в другие фазы: пластичный феррит, более прочный перлит и прочный, но малопластичный мартенсит. Скорость охлаждения зоны сварки обычно велика, и структурные превращения не успевают произойти до конца. Следовательно, меняя скорость охлаждения сварного соединения, подогревая или искусственно охлаждая его, можно в некоторых пределах управлять вторичной кристаллизацией металла шва и его механическими свойствами. Теплота, выделяемая источником нагрева, при сварке распространяется в основной металл. Его участки нагреваются до температуры плавления на границе сварочной ванны и имеют температуру окружающей среды вдали от нее. Это не может не сказаться на структуре металла. Зону основного металла, в которой в результате нагрева и охлаждения металла происходят изменения структуры и свойств, называют зоной термического влияниия (ЗТВ). Каждая точка в ЗТВ в зависимости от расстояния до оси шва достигает различной максимальной температуры, нагревается и охлаждается с различными скоростями. Изменение температуры данной точки во времени называют термическим циклом. Каждая точка ЗТВ имеет при сварке свой термический цикл. Значит, металл в ЗТВ подвергается в результате сварки нескольким видам термической обработки. Поэтому в ЗТВ наблюдаются четко выраженные участки с различной структурой и свойствами.

Общие принципы расчета трубопроводов

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Расчет трубопровода начинается, как пра­вило, с выбора трубы, т.е. с определения мате­риала, из которого она должна быть изготов­лена, ее диаметра и типа (отношение D/δ).

Материал трубы выбирают в зависимости от его химической стойкости, температуры транс­портируемой среды, вида прокладки, гигиени­ческих требований, категории помещения и т.д. Диаметр трубы определяется ее пропускной способностью.

Тип трубы определяют, исходя из расчетных нагрузок и воздействий. Так, для напорных сис­тем тип трубы выбирают по первому предель­ному состоянию, для безнапорных - по второму.

После определения типа выбранные трубы проверяют с учетом конструкции и назначения трубопровода: по продольной устойчивости, прогибу горизонтальных участков, устойчивости круговой формы и т.д. По результатам проверочных расчетов выбирают конструктив­ное решение системы трубопроводов (расстоя­ния между опорами, конструкции опор или подвесок, способ укладки в траншее и т.д.). Лишь в крайнем случае, если конструктивными методами нельзя найти удовлетворительного решения, повышают тип трубы и снова делают проверочные расчеты.

В настоящее время общепринятым методом расчета конструкций из различных материалов является расчет по предельным состояниям. Отличием метода расчета по предельным состояниям от методов допускаемых напряже­ний и разрушающих усилий является введение нескольких предельных состояний, лимитиру­ющих работу конструкций.

Вместо единого коэффициента запаса проч­ности вводится ряд коэффициентов, раздельно учитывающих влияние на несущую способность конструкций изменения нагрузки, прочностных свойств материалов, условий работы и других факторов.

Под предельным понимается такое состоя­ние конструкции, при котором ее дальнейшая нормальная эксплуатация невозможна. Предельное состояние трубопроводов характе­ризуется следующим:

появлением в конструкции под действием статических нагрузок напряжений, при которых нарушается целостность трубопровода в течение проектируемого срока службы;

развитием чрезмерных деформаций, исклю­чающих возможность дальнейшей эксплуатации трубопровода.

Расчет трубопровода по первому предель­ному состоянию (несущей способности) про­изводится по формуле

nNⁿ =Ф(m,K,Rⁿ,s)(1)

где Ф - функция, соответствующая виду усилия (растя­жение, сжатие, изгиб и т. д.); Nⁿ - усилие от норматив ных нагрузок; п - коэффициент перегрузки; К - коэф­фициент, учитывающий рассеяние прочностных свойств материала; Rⁿ - нормативное сопротивление материала; т - коэффициент условий работы; s - геоме­трические характеристики сечения.

Условие (1) содержит требование, чтобы максимально возможное с учетом перегрузки усилие в трубопроводе не превышало его мини­мальной несущей способности, определяемой с учетом изменчивости показателей прочности материала и условий работы.

Расчет по второму предельному состоянию производится по формуле

∆≤f (2)

где ∆ -деформация, являющаяся функцией геометри­ческой формы конструкции и модуля упругости материала; f- предельно допустимая деформация.

Отличием термопластов от неполимерных материалов является существенное изменение во времениихпрочностных и деформационных характеристик при непрерывном действии внешних силовых факторов.

На прочностные и деформационные харак­теристики термопластов в значительной степени влияет температура. В связи с этим расчет трубо­проводов из термопластов должен произво­диться с учетом указанных особенностей этих материалов, т.е. нормативные прочностные и деформационные характеристики должны на­значаться в зависимости от срока службы кон­струкции и температуры ее эксплуатации.