Кристаллизация металла сварочной ванны и его химическая и физическая неоднородность

Условия кристаллизации металла сварных швов значительно отлича­ются от условий кристаллизации металла в отливках и слитках. Ха­рактерными особенностями кристаллизации металла шва являются:

а) сравнительно малый объем жидкого металла сварочной ванны, его высокая температура и интенсивное охлаждение;

б) наличие на дне, по бокам и в хвостовой части сварочной ванны готовых центров кристалли­зации в виде крупных полуоплавленных зерен основного металла, вы­росших вследствие воздействия высокой температуры дуги;

в) одновре­менные нагрев металла передней части сварочной ванны перемещающей­ся дугой и охлаждение хвостовой ее части со стороны твердого металла, что обусловливает прямую зависимость скорости кристаллизации ван­ны от скорости сварки;

г) зависимость направленности кристаллизации металла сварочной ванны от формы криволинейной поверхности раздела расплавленного и твердого металлов (т. е. от формы провара), что в свою очередь зависит от режима сварки:

д) замедленное охлаждение верхней части сварочной ванны при сварке под флюсом и в некоторой степени при сварке толстопокрытыми электродами;

е) воздействие на кристаллизующийся и остывающий (затвердевший) металл более значительных соб­ственных (сварочных) поперечных и продольных напряжений.

Некоторые из этих особенностей являются благоприятными, а не­которые - отрицательными с точки зрения структуры и свойств ме­талла шва. Так, например, в противоположность слиткам и отливкам, сварные швы вследствие большей скорости кристаллизации имеют бо­лее тонкую структуру (мельче дендриты и кристаллиты) и, что весьма важно, отличаются меньшей зональной и внутрикристаллитной (денд­ритной) ликвацией (химической неоднородностью). Благодаря этому, а также вследствие меньшего содержания газов и вредных примесей сварные швы в большинстве случаев обладают более высокими механи­ческими свойствами, чем металл отливок и слитков такого же состава.

Наряду с этим, из-за ряда специфических условий сварки, в частно­сти из-за воздействия сварочных напряжений, не всегда удается полу­чить качественные швы без дефектов металлургического происхождения (например, трещин), не прибегая к специальному легированию наплав­ленного металла, а иногда и к специальным приемам сварки.

Сварные швы имеют транскристаллитную (направленную) макроструктуру. Столбчатые кристаллиты каждого последующего слоя кристаллизации и каждого последующего валика шва при многопроходной (многослойной) сварке являются продолжением кристаллитов нижеле­жащего слоя. В результате образуются кристаллиты, как бы перера­стающие из слоя в слой, и вместе с тем в большей или меньшей степени изогнутые (в зависимости от скорости сварки) и приобретающие в центре шва параллельную или, наоборот, встречную направленность с кристал­литами, растущими от противоположной боковой стенки ванны. При встречной направленности кристаллитов в центре затвердевшего шва образуется так называемая зона слабины, в которой обычно сосредото­чено наибольшее количество ликвирующих элементов и наиболее развита дендритная химическая неоднородность. Размеры кристаллитов металла шва или наплавки зависят от длительности пребывания металла сва­рочной ванны в перегретом состоянии и от исходного состояния основного металла (литой, горячекатаный, прокованный). Зависимость размеров дендритов метал­ла шва от структуры свариваемого металла особенно заметна, если шов и основной металл имеют близкие химические составы.

Каждый из столбчатых кристаллитов металла шва состоит из боль­шого количества одинаково ориентированных первичных ячеек, или дендритов, вследствие специфического ячеистого характера кристалли­зации. Такое строение кристаллитов обусловлено тем, что каждый из растущих дендритов сравнительно быстро развива­ется одновременно с соседними преимущественно за счет роста главных осей, т. е. в одном направлении, обратном теплоотводу.

Лишь при замедленном охлаждении металла сварочной ванны, повышении в нем концентрации примесных атомов и понижении тем­пературного градиента (например, в верхней части шва или при сварке высоколегированной стали с предварительным подогревом) кристаллиты приобретают дендритное или смешанное ячеисто-дендритное строение с большим или меньшим развитием осей второго порядка. При этом в направлении к центру и верхней части шва ячейки и дендриты зна­чительно утолщаются.

Ориентировка ячеек (ден­дритов) смежных кристалли­тов не одинакова, а состав­ляет некоторые углы, созда­вая таким образом между смежными кристаллитами своеобразные границы сра­стания. Характерно, что эти границы кристаллитов метал­ла шва, охватывающие не­сколько ячеек или дендритов, у линии сплавления являют­ся продолжением границ зе­рен основного металла, при­чем поперечные размеры пер­вых соответствуют размерам вторых. При практически оди­наковых сечениях всех ячеек (дендритов) у линии сплавле­ния больший размер (сечение) кристаллита, растущего на более крупном зерне основ­ного металла, имеет большее число входящих в него ячеек.

Направленность кристаллитов (ориентировка групп дендритов или ячеек, входя­щих в один кристаллит) и их размер определяются ориен­тировкой кристаллической ре­шетки и величиной зерна ос­новного металла в околошовной зоне, на котором растет данная группа дендритов. Некоторое отличие ориентировки группы дендритов, вхо­дящих в состав одного кристаллита, от ориентировки группы дендритов соседнего кристаллита обусловлено различием в ориентировке кристал­лических решеток соседних полуоплавленных зерен основного металла, служащих подкладками для кристаллизации этих кристаллитов. На­помним, что направление роста ячеек (дендритов) соответствует кри­сталлографическим осям кристаллизующегося металла.

Микроскопическая химическая неоднородность. Образование зон обогащения ликвирующими элементами и примесями в пограничных слоях ячеек и дендритов обусловлено зубчатым характером фронта кристаллизации (рис. 3). При затвердевании металла шва на частично оплавленных зернах основного металла в первую оче­редь кристаллизуется наиболее чистый от примесей металл в виде твердого раствора неограниченно растворимых атомов элементов с некоторым количеством ограниченно растворимых примесей.

Кристаллит Рис.3 Схема зубчатого фронта крис­таллизации.

Вещества, обладающие меньшей растворимостью в твердом металле, чем в жидком, и более низкой температурой плавления, вытесняются в жидкий расплав, обогащая его. Вследствие ограниченной диффузии впереди фронта кристаллизации создается обогащенный этими веществами слой жидкости с температурой плавления, более низкой, чем основы расплава. Это переохлаждение, обусловленное изменением состава жидкого слоя перед фронтом кристаллизации, называют концентрационным переох­лаждением. Степень переохлаждения этого слоя жидкого расплава сва­рочной ванны зависит от общего количества примесей в жидком метал­ле, их коэффициентов диффузии и распределения между твердым и жид­ким металлом, а также от их физических свойств. Чем вы­ше общее содержание в ме­талле второго элемента или примесей, снижающих темпе­ратуру плавления сплава, меньше коэффициенты диф­фузии этого элемента и при­месей в жидкости и меньше коэффициент распределения их между твердым и жидким металлом, тем больше накап­ливается этого элемента или примесей перед фронтом крис­таллизации и, соответственно, тем более концентрационное переохлаждение и химиче­ская дендритная неоднород­ность.

При некоторой критичес­кой скорости кристаллизации в металле сварочной ванны на первом затвердевшем слое появляются выступы в виде зубьев. Высота выступов соответствует интервалу кристаллизации обогащен­ного примесями жидкого металла и находится в обратной зависи­мости от скорости кристаллизации. Следовательно, вершины зубьев соответствуют изотерме ликвидуса металла данного состава, а основания — линии температуры наиболее возможного кон­центрационного переохлаждения.

Благодаря боковой диффузии растворенные в жидком металле при­меси отводятся от вершины выступов к основаниям (рис. 3), образуя в пограничных слоях ячеек при кристаллизации обогащенный твердый раствор, а при количествах примесей, превышающих рас­творимость их в твердом металле данного состава,— включения эвтек­тического типа по границам ячеек или дендритов (рис.4). Такими включениями могут быть различного рода силикаты, соединения никеля с серой Ni₃S (температура плавления 644° С), эвтектика Ni-Ni₃S (температура плавления 625° С), эвтектика хромоникелевый аустенит-карбонитрид ниобия (температура плавления 1175 С), легкоплавкие соединения никеля с кремнием, бором, ниобием и др., а также оксисульфидные соединения, выделение которых обусловлено уменьшением растворимости кислорода и серы в жидком металле с понижением температуры.

С увеличением высоты выступа h (см. рис.3) возрастает обога­щение примесями жидкости у основания выступа и увеличивается хи­мическая неоднородность в твердом растворе по этим примесям либо повышается количество эвтектических соединений по границам ден­дритов.

Рис. 4. Схема, иллю­стрирующая выделение по зонам между дендритами легкоплавких со­единений.

Рис. 5 Угол диаграммы состояния сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, у которых второй элемент (примесь) снижает температуру плавления сплава.

Возникновение переохлаждения впереди фронта кристаллизации жидкого металла и, следовательно, большее или меньшее обогащение примесями жидкого слоя и степень химической дендритной неоднород­ности металла шва по этим примесям связаны не только с концентра­ционным переохлаждением, но и с общей температурой (перегревом) металла сварочной ванны и характером распределения температур у фронта кристаллизации (в хвостовой части ванны), т. е. и с термиче­ским переохлаждением. Толщина и плотность обогащенного примесями жидкого металла перед фронтом кристаллизации, т. е. степень концен­трационного и термического переохлаждения, соответствует области между кривой начала равновесной кристаллизации (определяемой по кривой ликвидуса диаграммы состояний и сохраняющейся неизменнойдля данного сплава) и линией фактического распределения температур (градиента температур) жидкого металла в хвостовой части сварочной ванны. Чем меньше градиент температур в ванне перед фронтом кристаллизации, тем больше концентрационное переохлаждение и химическая дендритная неоднородность.

Градиент температур сварочной ванне можно изменять искусст­венным способом (например, электромагнитным воздействием на дугу и сварочную ванну, введением в хвостовую часть ванны холодной приса­дочной проволоки и др.). При этом возрастание градиента температур сопровождается некоторым снижением переохлаждения металла и сте­пени химической его дендритной неоднородности.

Измельчение дендритов и дезориентирование структуры металла шва уменьшает степень дендритной неоднородности и нейтрализует влияние выделившихся включений, повышая при этом механические и технологические свойства металла. Установлено, что швы с рав­ноосной структурой обладают значительно более высокой пластично­стью в высокотемпературном интервале хрупкости (см. дальше) по сравнению с металлом такого же химического состава, но со столбчатой структурой. При этом снижается также верхняя граница температурно­го интервала хрупкости.

Полное или частичное подавление столбчатой структуры, либо уменьшение размеров (сечения) кристаллов при сварке сталей может быть достигнуто следующими методами:

а) легированием металла шва, обеспечивающим образование высокотемпературных избыточных фаз типа твердых растворов (например,
δ-феррита в аустенитных швах), первичных карбидов или боридов
(при сварке аустенитных жаропрочных сталей и сплавов), а также туго­
плавких оксидов (Сг₂Оз, ZrO₂);

б) введением в сварочную ванну модификаторов (титана, алюминия
и др.) при сварке углеродистых и низколегированных, а также высоко­
хромистых мартенситных и мартенситно-ферритных сталей; поверх­ностно активных элементов (циркония, стронция, церия, лантана) при
сварке аустенитных сталей и никелевых сплавов;

в) воздействием на сварочную ванну электромагнитного переменного поля, ультразвуковых колебаний, механических вибраций и др.;

г) охлаждением металла сварочной ванны, например введением
присадочной проволоки в хвостовую ее часть при сварке аустенитных
сталей и др.

Таким образом, в реальных сварных швах наблюдается развитая в большей или меньшей степени микроскопическая химическая внутрикристаллитная (дендритная) неоднородность по элементам и примесям, обладающим меньшей растворимостью в твердом металле, чем в жид­ком, и изменяющим температуру плавления сплава.

В поликристаллических металлах всегда наблюдается нарушение сплошности кристаллической решетки по границам кристаллитов, обусловливающее различные виды межкристаллитного разрушения металла. В металле сварных высоколегированных швов с однофазной аустенитной структурой в процессе охлаждения, непо­средственно после завершения кристаллизации может под действием возникающих к этому моменту растягивающих сварочных и усадочных напряжений дополнительно развиться физическая неоднородность — концентрация (упорядочение) дефектов кристаллической решетки (рис. 6) в виде новых (вторичных), так называемых полигонизационных, границ, вследствие чего снижаются высокотемпературная проч­ность и пластичность металла.

Наряду с химической дендритной неод­нородностью такая концентрация дефектов кристаллической решетки является причиной многих видов межкристаллитного разрушения ме­таллов: горячих трещин в сварных швах, растрескивания металла при горячем деформировании (про­катке, ковке, штамповке), понижения сопротивляемости ползучести металла, межкристаллитной коррозии. С уве­личением плотности дефектов кристаллической решет и (ва­кансий и дислокаций) на но­вых границах степень не­сплошности металла в этих местах возрастает, а высоко­температурная пластичность и прочность снижаются.

а

Рис. 6 Схема расположения дислока­ций в литых однофазных металлах: а — неупорядоченное, б — упорядоченное.

Новые границы охватыва­ют большое количество дендритов или ячеек и проходят как вдоль зон срастания кристаллитов и обо­гащения дендритов, так и пересекая их. В участках совпадения вторич­ных границ с зонами обогащения ячеек (дендритов), т. е. в местах сов­падения химической и физической неоднородности металла шва, происхо­дит наибольшее снижение его высокотемпературной пластичности и проч­ности. Поэтому преимущественно в этих местах зарождаются различного рода высокотемпературные межкристаллитные разрушения металла. Зафиксировать равномерное распределение дефектов кристалли­ческой решетки, т. е. предотвратить полигонизацию металла шва, мож­но быстрым охлаждением его от высоких температур, обеспечением обра­зования в нем второй фазы (феррита, карбидов, весьма дисперсных ту­гоплавких оксидов) и легированием элементами, блокирующими дис­локации при высоких температурах (молибденом, вольфрамом, кобальтом и другими упрочнителями).

Дата добавления: 2014-01-11