Микроструктура сварного соединения

Сварное соединение (рис.1.7) включает в себя сварной шов 1, образующийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления 2, в которой металл при нагреве находился в твёрдо-жидком состоянии, и зону термического влияния 3, являющуюся частью основного металла, подвергавшегося тепловому воздействию, вызывающему изменение структуры и свойств.

Рис.1.7.Схема строения сварного соединения: 1 - сварной шов;
2 - зона сплавления; 3 - зона термического влияния

Сварной шов имеет структуру литого металла, которая сформировалась в результате развития первичной и вторичной кристаллизации.

Первичной кристаллизацией называют переход металла из жидкого состояния в твёрдое, в результате чего образуются кристаллиты (зёрна). Процесс первичной кристаллизации начинается на частично оплавленных зёрнах основного металла, находящихся на дне сварочной ванны. При многослойной сварке центрами кристаллизации являются поверхности кристаллитов предыдущего слоя. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных частиц (атомов) из окружающего расплава. Каждый кристаллит, растущий от отдельного зерна на границе сплавления, представляет собой группу совместно растущих элементарных столбчатых кристаллов, сросшихся общим основанием, то есть с оплавленным зерном основного металла.

В зависимости от формы и расположения кристаллитов затвердевшего металла различают зернистую, столбчатую и дендритную структуру.

При зернистой структуре зерна не имеют определённой ориентации, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для металла шва, выполненного покрытыми электродами, при его довольно быстром охлаждении. При столбчатой и дендритной структурах зёрна вытянуты в одном направлении. В столбчатой структуре они имеют компактную форму, а в дендритной - ветвистую. Такие структуры шов имеет при медленном охлаждении - при сварке под флюсом и электрошлаковой сварке.

Направление роста кристаллов связано с интенсивностью отвода тепла от ванны жидкого металла. Кристаллы растут перпендикулярно границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты (рис.1.8).

При сварке сталей на железной основе кристаллиты имеют аустенитную структуру, представляющую собой твердый раствор углерода в γ-железе. При дальнейшем понижении температуры происходят аллотропические превращения, которые проявляются в переходе γ-железа, имеющего гранецентрированную кубическую решетку, в α-железо, имеющее объемно-центрированную кубическую решетку. Это сопровождается изменением строения металла за счет появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллитов. Кристаллиты, имеющие структуру аустенита, распадаются, образуя механическую смесь почти чистого α-железа (феррита) и карбида железа Fe₃C (цементита). Такое явление называется вторичной кристаллизацией или перекристаллизацией.

Рис.1.8. Схемы направления роста кристаллитов при кристаллизации
шва: а - с глубоким проваром; б - широкого; в - электрошлакового;
1 - медные ползуны

При сварке низкоуглеродистой стали в околошовной зоне различают следующие участки (рис.1.9): сплавления, перегрева, нормализации, неполной перекристаллизации и рекристаллизации. Далее идёт основной металл, не подвергавшийся действию высоких температур.

Зона сплавления (участок неполного расплавления) непосредственно примыкает к сварному шву. На этом участке и происходит сварка. Ширина его в зависимости от источника нагрева и режима сварки находится (ориентировочно) в пределах 0,1 - 0,4 мм.

Участок перегрева. На этом участке, где металл был нагрет примерно от 1100 ⁰С до температуры начала плавления основного металла, развивается крупное зерно, что приводит к образованию игольчатой (видманштетовой) структуры. Механические свойства на участке перегрева понижены. Ширина его изменяется в пределах 1 - 3 мм.

Участок нормализации (перекристаллизации) охватывает часть основного металла, нагретого до температур 900 - 1100 ⁰С. На этом участке создаются благоприятные условия для образования мелкозернистой вторичной структуры, вследствие чего его механические свойства обычно выше механических свойств основного металла, не подвергавшегося нормализации. Ширина участка находится в пределах 1,2 - 4 мм.

Рис.1.9. Структура околошовной зоны при сварке низкоуглеродистой стали

Участок неполной перекристаллизации включает в себя металл, нагретый до 720 - 900 ⁰С и подвергавшийся только частичной перекристаллизации из-за недостатка теплоты для перекристаллизации и измельчения всех зерен. Поэтому здесь наряду с довольно крупными зернами основного металла, не изменившимися при нагреве, имеются мелкие зерна, образовавшиеся в результате перекристаллизации. Механические свойства такой смешанной структуры невелики.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся ранее пластическим деформациям (прокатке, ковке, наклепу), в результате которых часть зерен основного металла сплющилась и вытянулась, а часть раздробилась. На данном участке металл был нагрет до 500 - 720 ⁰С, что вызвало его рекристаллизацию, сущность которой состоит в том, что из обломков зерен зарождаются и растут новые зерна, размер которых значительно увеличивается. При сварке металла, не подвергавшегося пластической деформации (например, литых деталей), процесса рекристаллизации и соответствующего участка не наблюдается.

Общая ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки.

Вид сварки	Ширина зоны термического влияния, мм
Ручная дуговая	3 - 6
В защитных газах	1 - 3
Под флюсом	2 - 4
Электрошлаковая	11 - 14
Газовая*	20 - 30

* При этом виде сварки ширина зоны термического влияния велика вследствие большой зоны разогрева основного металла.