Плавление металлов. Сварочная ванна

Плавление и кристаллизация металлов и сплавов

Металлы – кристаллические вещества. Они характеризуются при данных условиях строго определенным пространственным расположением атомов.
Такое закономерное взаимное расположение атомов у каждого металла обусловлено их энергетическим состоянием (взаимодействие системы электронов
с ядром) и в соответствии с этим минимумом свободной энергии F системы атомов. Таким образом, металл в твердом состоянии при данной температуре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое кристаллическое (атомное) строение с минимумом свободной энергии F.

Нагрев или охлаждение вносят в состояние атомов энергетические изменения – изменяются амплитуда колебаний атомов – величины отклонений от узловых положений, условия энергетических взаимодействий внутри самого атома. Все это может привести к перестройке в их взаимном расположении, а новое взаимное расположение для данной температуры будет отвечать минимуму свободной энергии системы атомов при изменившемся их энергетическом состоянии.

Таким образом, изменение температуры меняет свободную энергию системы атомов. Свободная энергия каждой из систем атомов с повышением температуры уменьшается, однако, для какой-то из систем она может снижаться быстрее. Поэтому, если до температуры Т₁ (рис. 10) F_γ (свободная энергия системы атомов с условным обозначением γ) выше чем F_α (свободная энергия системы атомов с условным обозначением α), а выше этой температуры, наоборот, F_γ< F_а, т.е. если

F_γ= f (>T₁) < F_a = f (>T₁),

то ниже температуры Т₁ будет устойчивой модификация атомного построения α,
а выше этой температуры – γ (рис. 10).

Однако до определенных температур нагрева металл остается кристаллическим телом с тем или иным построением атомов в кристаллической решетке. Повышение температуры будет способствовать дальнейшему изменению энергетического состояния атомов, возрастет вероятность их отрыва от узлов и вероятность разрушения кристаллического комплекса на отдельные колонии.
В этот период металл по своему энергетическому состоянию начнет приближаться к энергетическому состоянию жидкости в связи с тем, что при достижении определенной температуры Т₂ свободная энергия жидкости F_ж станет ниже свободной энергии даже высокотемпературной модификации кристаллического тела (рис. 10). При температуре Т₂ могут сосуществовать твердое кристаллическое вещество и его расплав.

Рис. 10. Изменение свободной энергии кристаллического вещества и его расплава
при повышении температуры: T₁ – температура перехода α→γ;
Т₂ – температура плавления; 1. Fα = f (T); 2. Fγ = f (T); 3. Fж = f (T)

Чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, нужен некоторый перегрев на величину ∆T_п. Однако жидкое состояние кристаллического вещества – металла, особенно при температуре, не намного превышающей равновесную температуру плавления, нельзя представлять как полное разрушение атомной кристаллической решетки. В жидком состоянии металл сохраняет кристаллическую решетку, но с сильно возросшим количеством вакансий.

Такое представление о строении жидкого металла, по-видимому может быть справедливо для небольших степеней перегрева. При увеличении перегрева цельность металлической решетки должна нарушаться, в некоторых участках могут сохраняться отдельные группировки относительно закономерно построенных атомов. Эти группировки в силу энергетических условий не могут быть устойчивыми, и поэтому систематически происходит их разрушение в одном месте и образование – в другом. Размер этих группировок и их устойчивость должны зависеть от степени отклонения от равновесных энергетических условий – от равновесной температуры плавления. Чем больше это отклонение и чем больше температура перегрева ∆T_п, тем меньше по размеру атомные группировки и тем меньше их устойчивость.

Эти группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении ниже равновесной температуры Т₂ они станут элементами для надстройки новых атомных слоев и образования кристаллов, т.е. естественными центрами самопроизвольной кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем более крупнокристаллическим оказывается металл при переходе из жидкого состояния в твердое.

Таким образом, условия плавления металла оказывают влияние на процесс последующей кристаллизации и соответственно на свойства металла сварного шва.

Рассматривая влияние условий плавления на последующую кристаллизацию и свойства, необходимо остановиться на роли неметаллических включений и карбидов, неизбежно присутствующих в сталях и металле сварочной ванны. И те, и другие, сохраняясь после расплавления в жидком металле, также могут служить затравками для кристаллизации, т.е. центрами несамопроизвольной кристаллизации. Явлением несамопроизвольной кристаллизации пользуются на практике для модификации – измельчения кристаллитов при затвердевании.

Модифицирующее действие таких включений сохраняется только в том случае, если они не растворяются в ванне расплавленного металла. В связи с этим представляют интерес температуры плавления и растворения твердых и тугоплавких включений, которые могут находиться в стали при ее нагреве и плавлении. Особенно большое значение поведение этих включений при плавлении должно иметь для сварки, так как продолжительность пребывания металла при высоких температурах в твердом и жидком состояниях очень мало.

В ванне жидкой расплавленной стали даже при небольших степенях перегрева карбиды всех основных легирующих элементов должны растворяться в соответствии с данными тройных диаграмм состояния железо – углерод – легирующий элемент. Однако процесс их растворения и в этом случае носит диффузионный характер и протекает во времени. Поэтому при быстро протекающем нагреве, малых степенях перегрева и малой продолжительности существования ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут сохраниться.

В сталях и сварных швах могут находиться также и нитриды, особенно при сварке сталей, легированных азотом. Большое влияние на кристаллизацию могут оказывать тугоплавкие неметаллические включения. Эти включения в ванну могут попадать из флюсов и электродных покрытий или быть продуктами раскисления ванны, частичками шлака и др. О способности плавиться и всплывать или оставаться в качестве твердой затравки при кристаллизации можно судить по их температурам плавления.

Средняя температура сварочной ванны при дуговых методах сварки стали составляет 1600…1900° С (наиболее низкая температура – для газоэлектрической сварки, наиболее высокая для автоматической сварки под флюсом). Наиболее высокая температура в ванне под дугой доходит примерно до 2300° С, однако, продолжительность пребывания ванны при этой температуре крайне мала, поэтому рассчитывать на полное растворение тугоплавких примесей при этой температуре не приходится. Продолжительность существования сварочной ванны составляет 60…120 с (если исходить из соотношения t_в = L_в/v_св,
где t_в – средняя продолжительность существования сварочной ванны; L_в – длина сварочной ванны; v_св – скорость сварки).

Исходя из всего рассмотренного, можно считать, что к началу периода кристаллизации в сварочной ванне из-за большого перегрева либо нет совсем, либо остается очень мало естественных центров кристаллизации, какими могли стать сохранившиеся группировки атомов, и неизбежны искусственные зародыши кристаллизации, природа и количество которых зависят от состава свариваемого и присадочного материалов, условий сварки и используемых сварочных материалов. Попадание в ванну из металла, электродного покрытия или флюса соединений таких металлов, как W, Мо, V, Ti, Zr, Nb, B, может способствовать сохранению в ванне к началу кристаллизации тугоплавких частиц.

Возникающие в сварочной ванне конвекционные потоки в связи с воздействием газодинамической и электромагнитной сил должны приводить к рассредоточению нерастворившихся тугоплавких частиц.

Дата добавления: 2014-01-04