Диаграммы состояния и их значение при кристаллизации сплава в сварном соединении

В промышленности чаще всего применяют не чистые металлы, а сплавы двух или нескольких элементов на основе какого-нибудь металла. Стали – это сплавы на основе железа, которые содержат углерод, марганец, кремний, никель, хром и другие элементы.

Путем термообработки можно в широких пределах изменять физические и механические свойства большей части металлических сплавов. При переходе жидкого однородного сплава в твердое состояние в нем могут происходить различные изменения, связанные с различными полиморфными превращениями, образованием твердых растворов различного состава. При этом растворение элементов друг в друге может быть неограниченно, частичное или вообще отсутствовать. Взаимодействие элементов происходит в зависимости от температуры. В ряде случаев составляющие сплава могут представлять между собой механические смеси, образовывать химические соединения. Важно, что каждая форма взаимодействия составляющих сплава по-своему влияет на свойства сплава и особенно его поведение при соединении сваркой, а после образования соединения – на механические свойства. Лучше всего свариваются материалы (элементы), дающие непрерывный ряд твердых растворов, хуже – дающие химические соединения и невзаимодействующие.

Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение всех превращений, протекающих в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Превращения в сплавах при нагреве или охлаждении зависят от того, какие фазы при этом образуются. Так, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, а жидкий сплав и находящиеся в нем кристаллы или механическая смесь кристаллов двух видов - двухфазную систему.

Различают четыре главных типа диаграмм состояния двойных сплавов: 1)механическая смесь; 2)твердый раствор с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге; 3)твердый раствор с ограниченной растворимостью компонентов и 4) химическое соединение. Диаграммы состояния двойных сплавов строят в двух измерениях: по оси ординат откладывают температуру, а по оси абсцисс - концентрацию компонентов. Общее содержание двухкомпонентного сплава в любой точке абсциссы равно 100%, а крайние ординаты соответствуют чистым компонентам. Каждая точка на диаграмме состояния показывает состояние сплава данной концентрации при данной температуре.

Диаграмма состояния системы с неограниченным растворением компонентов в твердом состоянии (1 тип). По этой диаграмме (рис.11) кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях и не образуют химических соединений.

В отличие от чистых металлов, их сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур и имеют разную температуру конца кристаллизации. Следовательно, состав фазы непрерывно изменяется. Верхняя кривая - линия ликвидус, а нижняя кривая - линия солидус. Выше ликвидуса сплав находится в однофазном жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в однофазном твердом состоянии в виде твердого α -раствора. Между линиями ликвидус и солидус сплав находится в двухфазном состоянии (жидкая фаза и кристаллы твердого α -раствора).

Рассмотрим процесс кристаллизации сплава состава х-х. Cплав при температуре выше ta находится в жидком состоянии. При охлаждении сплава до температуры tб из жидкого сплава начинает выпадать кристалл твердого α-раствора. При температуре tб затвердевает последняя капля жидкого сплава. Линии, соединяющие составы фаз, находящиеся в равновесии, называют конодами.

Рис. 11. Диаграмма состояния двухкомпонентной системы с полной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях

Такого рода взаимодействие возможно для металлов с аналогичными типами кристаллических решеток и атомами близких размеров. Металлы, дающие сплавы такого типа должны соединяться различными видами сварки. После кристаллизации сварной шов представляет собой непрерывный ряд твердых растворов переменного состава.

Диаграмма состояния с полной нерастворимостью компонентов в твердом состоянии (2 тип).

По этой диаграмме кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а в твердом - образуют механическую смесь.

Рис. 12 Структурная диаграмма состояния сплавов с эвтектическим превращением.

Механическую смесь кристаллов двух видов, одновременно кристаллизующихся из жидкого сплава при постоянной температуре (точка д) эвтектикой. Сплавы, содержащие меньше 45% Б (точка у) называют доэвтектическими, а сплавы, содержащие больше 45% Б - заэвтектическими. В точке О кристаллизуется сплав эвтектической концентрации. Структура сплава состоит только из эвтектики.

При сварке плавлением микроструктура и фазовое состояние металла будут постепенно переходить от кристаллов одного металла с малым количеством эвтектики к кристаллам другого металла также с малым количеством эвтектики (рис. 12) Между этими зонами количество эвтектики будет постепенно увеличиваться, а где-то на промежуточном участке должна находится чисто эвтектическая зона. При данном типе диаграммы состояния свариваемых металлов хорошее сплавление металла шва с основными свариваемыми металлами обусловлено тем, что на кромках каждого металла надстраиваются зерна каждого металла. Для обеспечения работоспособности такого шва важно плавное изменение структуры и свойств в пределах сварного соединения.

Диаграмма состояния с полной растворимостью компонентов в жидком и ограниченной растворимостью в твердом состояниях (3 тип).

По этой диаграмме (рис. 13) кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, обладают ограниченной растворимостью в твердом состоянии и не образуют химических соединений.

Линия ликвидус аналогична предыдущей диаграмме и состоит из двух ветвей. Выше ликвидуса сплав находится в жидком состоянии. Линия солидус состоит из трех частей: левая и правая ветви и эвтектическая горизонталь. Ниже солидуса сплав находится в твердом состоянии. По левой ветви ликвидуса кристаллизуются твердый a - раствор (Б в А), по правой - твердый b -раствор (А в Б). Под левой ветвью солидуса существует область твердого a -раствора, а под правой - твердого b -раствора.

Рис. 13. Диаграмма состояния сплава с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии.

Для металлов, образующих эвтектические смеси, но имеющие взаимную ограниченную растворимость, механизм образования сварного соединения заметно изменяется. При сварке плавлением в сварочной ванне на кромках свариваемых металлов из жидкого расплава кристаллизуются не чистые металлы, а их твердые растворы. Эвтектическая смесь в такой системе состоит не из чистых металлов А и Б, а из ограниченных растворов.

Для металлов с таким типом диаграммы характерно также появление диффузионных зон на границе соединения. Образование диффузионных зон связано с тем, что в металл А проникает (диффундирует) некоторое количество атомов Б. Точно также в металл Б будет диффундировать некоторое количество атомов А.

Диаграмма состояния с образованием устойчивого химического соединения (4 тип).

По этой диаграмме кристаллизуются сплавы, оба компонента которых неограниченно растворимы друг в друге в жидком состоянии, а при затвердевании образуют устойчивое химическое соединение.

Диаграмма состояния сплава А и Б приведена на рисунке 14. Линия СGHМ соответствует химическому соединению С и разделяет диаграмму состояния на две части. Если условно химическое соединение принять за отдельный компонент системы, то диаграмму состояния можно разделить на две диаграммы: А - С и С - Б Каждая из них представляет собой диаграмму состояния 2 типа. Возможны и другие случаи, например, когда одна часть диаграммы представляет диаграмму состояния 2 типа, а вторая - 3 типа и др.

Рис. 14. Диаграмма состояния сплава с образованием химического соединения.

Химическое соединение, образующиеся из атомов А и Б, может иметь абсолютно другую кристаллическую решетку. Поэтому его свойства будут радикально отличаться от свойств металлов А и Б. Очень часто химические соединения двух мягких и вязких металлов оказываются твердыми и хрупкими (например, железа с алюминием). В этой связи особенно важно учитывать возможность образования химических соединений в сварных соединениях.

Для всех типов диаграмм состояния с образованием химического соединения характер строения металла шва очень схожий, с той лишь разницей, что у кромок в случае отсутствия взаимной растворимости будут находится кристаллы чистых металлов А и Б. А в случае ограниченных растворов – соответственно α-кристаллы (раствор С в А) и β-кристаллы (раствор С в Б). Вдали от кромок могут также появиться кристаллы А в С и Б в С.

Основное влияние на свойства сварного шва оказывает зона кристаллов химического соединения, подчас со свойствами, резко отличающимися от свойств близлежащих кристаллов. Такая неоднородность свойств может отрицательно сказаться на работоспособности сварного шва.

На практике часто приходится иметь дело со сваркой не только чистых металлов, но и сплавов. Рассмотрение диаграмм состояния при сплавлении трех и более компонентов более сложное. Однако в сварных соединениях сплавов также могут существовать твердые растворы нескольких компонентов, эвтектические или эвтектоидные смеси, химические соединения. Характер кристаллизации и изменение свойств при сварке сплавов близок характеру кристаллизации и изменения свойств чистых металлов.

Дата добавления: 2014-01-07