Бизнес
Повышение содержания никеля в аустенитной стали

Повышение содержания никеля в аустенитной стали

Следовательно, при сочетании в сварном соединении металлов разнородных структурных классов за...

Формирование макроструктуры в литой зоне сварных швов

Формирование макроструктуры в литой зоне сварных швов

Сварные соединения, полученные сваркой плавлением, имеют три ярко выраженных зоны: литую зону в...

Дендритная и ячеистая неоднородность металла сварных швов

Дендритная и ячеистая неоднородность металла сварных швов

Литая зона сварных соединений отличается от слитков малым объемом расплавленного металла, малой длительностью нахождения металла в жидком состоянии, весьма быстрым охлаждением после затвердевания, а также наличием особой «формы» для затвердевания в виде оплавленных кромок основного металла. Однако эти отличия не изменяют общих закономерностей процесса кристаллизации жидкого металла. Внутрикристаллическое строение литой зоны сварных соединений, как и слитков, определяется взаимодействием тепловых и диффузионных потоков при кристаллизации.

При рассмотрении процесса кристаллизации чистых металлов исходят из теории фазовых превращений. Эта теория предполагает существование вполне определенной температуры. Т0, при которой соблюдается условие равновесия между жидкой и твердой фазой, выражаемое равенством их термодинамических потенциалов Z.

В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются в некотором интервале температур, в котором твердая и жидкая фазы могут находиться в равновесии. На рис. 7, а линии ликвидуса Тл и солидуса Тс отражают условия равновесия фаз. При переохлаждении жидкой фазы концентрации С\ ниже Тл происходит образование зародышей твердой фазы, которые имеют состав, определяемый положением линии солидуса при данной температуре. Прилегающие к твердому металлу слои жидкой фазы обогащаются растворенным элементом, имеющим более низкую температуру плавления, и их состав определяется положением линии ликвидуса. Например, при температуре Т{ концентрация растворенного элемента в твердой фазе соответствует точке Б, в жидкой — точке А. Количество жидкой и твердой фаз, находящихся в равновесии при этой температуре, определяется отношением отрезков ОБ и OA.

Таким образом, при температуре Г, на поверхности раздела фаз устанавливаются пограничные равновесные концентрации, разность которых выражается отрезком АВ. Если в результате диффузионных процессов или воздействия конвекционных потоков жидкости растворенный элемент будет отводиться от поверхности раздела в жидкую фазу, то вследствие стремления системы к равновесию часть атомов жидкой фазы будет переходить в твердую фазу, восстанавливая пограничные концентрации и обеспечивая рост кристаллов твердого раствора. Чем интенсивнее отводится растворенный элемент от поверхности раздела в жидкую фазу, тем быстрее происходит рост твердой фазы. Подобный процесс принято называть избирательной, или диффузионной, кристаллизацией. Рост кристаллов при избирательной кристаллизации лимитируется скоростью диффузионных процес

сов в жидкой фазе. Процессы диф фузии в твердой фазе имеют при этом второстепенное значение, так как они выравнивают концентрацию компонентов внутри кристаллов твердого раствора.

При кристаллизации чистых металлов состав твердой фазы не отличается от состава исходной жидкой. В этом случае для роста кристаллов твердой фазы не требуется перераспределения состава между фазами. Такой процесс кристаллизации называется бездиффузионным.

Однако процесс бездиффузионной кристаллизации возможен не только в чистых металлах, но и в сплавах. Па диаграмме состояния сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, линия Та характеризует равенство термодинамических потенциалов твердой и жидкой фаз одинакового состава. При температурах ниже Т0 термодинамический потенциал твердой фазы оказывается ниже, чем для жидкой фазы того же состава ‘. Поэтому при переохлаждении жидкого расплава ниже температуры То, например до Т2, наряду с диффузионной кристаллизацией становится возможным развитие и бездиффузионной кристаллизации. Рост твердой фазы при бездиффузионной кристаллизации происходит за счет присоединения любых атомов, находящихся перед фронтом растущих кристаллов. Вследствие этого на границе раздела в жидкой фазе не будет появляться зона с повышенным содержанием растворенного элемента, как это имеет место при диффузионной кристаллизации. Чем выше скорость охлаждения и чем меньше содержание растворенного элемента в исходной жидкой фазе, тем вероятнее проявление бездиффузионного механизма кристаллизации.

Бездиффузионная кристаллизация возможна также и в эвтектических сплавах, но наиболее часто она проявляется в сплавах, составы которых значительно отличаются от эвтектического. Если в этщх сплавах не происходило предварительного изменения состава жидкой фазы, то температура начала бездиффузионной кристаллизации (Т о , Т о) оказывается выше температуры образования эвтектики (Тэ) (рис. 7, б). Для того чтобы развился процесс бездиффузионной кристаллизации, достаточно подавить только процесс образования избыточной фазы (ы- или Y-твердых растворов). В сплавах с содержанием растворенных элементов выше предельной концентрации бездиффузионная кристаллизация возможна до концентраций этих элементов С’

1 Линия Т0 не соответствует идеальным условиям равновесия, так как в сплавах равновесие фаз соблюдается при равенстве химических потенциалов, т. е. производных термодинамических потенциалов по концентрациям фаз или С». При больших концентрациях, а также в чисто эвтектических сплавах обеспечить процесс бездиффузионной кристаллизации трудно, так как для этого требуется подавить процесс образования эвтектики, который протекает диффузионным путем с большими скоростями.

Форма фронта кристаллизации и структур твердой фазы зависит от условий охлаждения при затвердевании. При отсутствии в расплаве переохлаждения рост кристаллов твердой фазы контролируется процессами переноса, иными словами, скоростью отвода примесей и скрытой теплоты превращения от фронта кристаллизации. В этих условиях поверхность раздела фаз гладкая (если пренебречь шероховатостью, образованной ступенями и террасами) и занимает положение изотермы кристаллизации.

Однако в реальных условиях затвердевания слитков и сварных швов расплав перед фронтом кристаллизации оказывается переохлажденным. В присутствии слоя переохлажденного расплава гладкая поверхность раздела фаз становится неустойчивой и сменяется поверхностью с выступами. Переохлаждение, обеспечивающее ускоренный рост выступов, может быть двоякого рода — термическим и концентрационным В условиях термического переохлаждения проходит дендритная кристаллизация сверхчистых металлов, а также начинается кристаллизация сплавов. Выделяющаяся при этом скрытая теплота постепенно снимает начальное термическое переохлаждение. Будет ли расплав термически переохлажден на более поздних стадиях затвердевания, зависит от геометрии изложницы или сварочной ванны и внешних условий, определяющих теплоотвод.

При затвердевании сплавов в слое жидкости перед фронтом кристаллизации возникает градиент концентрации растворенного компонента — положительный или отрицательный — в зависимости от того, повышает или понижает этот компонент температуру кристаллизации. Градиенту концентрации соответ-

ств\ ет определенный градиенч температур ликвидус. Однако фактическая температура расплава, зависящая от установившихся условий кристаллизации, может не совпадать с равновесной температурой и быть ниже последней.

Перед фронтом кристаллизации появляется область концентрационного переохлаждения, обусловленная изменением состава расплава. Чем больше концентрация примеси и меньше температурный градиент в расплаве, тем шире область концентрационного переохлаждения; ширина этой области обычно 1(1()-2ч-10 4) см [20]. При наличии концентрационного переохлаждения всякий участок поверхности фронта кристаллизации, выдавшийся вперед, оказывается в более благоприятных для роста условиях, чем соседние. На гладкой поверхности раздела фаз появляются выступы. Боковые диффузионные потоки, возникающие в расплаве около выступов, обедняют примесями вершины выступов и обогащают боковые грани. Такое распределение концентраций формирует в твердой фазе гексагональную ячеистую структуру, состоящую из параллельных элементов (ячеек), вытянутых в направлении кристаллизации. Границы ячеек образованы скоплением примеси у боковых стенок выступов.

Критическое состояние, при котором осуществляется переход от плоского фронта кристаллизации к ячеистому, определяется условием равенства градиентов фактической температуры расплава и ликвидуса можно подавить замедлением скорости роста или же повышением температурного градиента.

Продвигаясь в расплав, ячейки укрупняются, так как расширяется область концентрационного переохлаждения и уменьшается скорость кристаллизации. При достаточно большой протяженности зоны переохлажденного расплава на ячейках появляются ветви второго порядка, характерные для дендритного роста. Как видно из рис. 9, дендритному росту способствуют большие концентрации примесей, большие скорости кристаллизации и малые температурные градиенты. За счет преимущественного разрастания дендритов, ориентированных по тепловому потоку, в литом металле формируется волокнистая текстура.

Изменение размеров дендритов в зависимости от условий кристаллизации аналогично изменению размеров ячеек, т. е. с продвижением фронта твердой фазы в расплав дендриты увеличиваются. При этом общее количество примеси, сегрегировавшей в междуосных пространствах дендритов, уменьшается, а концентрация примеси в расплаве перед фронтом возрастает. На некоторой стадии роста столбчатых дендритов весь оставшийся расплав оказывается настолько концентрационно переохлажденным, что в нем зарождаются новые кристаллиты. Последующий быстрый рост этих кристаллитов в радиальных направлениях предотвращает дальнейше развитие столбчатых дендритов. Таким образом, в центре слитков и сварных швов формируется равноосная структура.

При обсуждении механизма образования ячеисто-дендритных структур обычно рассматривают системы типа твердых растворов. Однако подобные же структуры обнаруживаются и в сплавах с эвтектическим типом диаграммы состояния неэвтектического состава. Вначале затвердевание таких сплавов происходит с образованием ячеисто-дендритной структуры. При достижении расплавом перед фронтом кристаллизации эвтектического состава в междендритных пространствах и по границам кристаллитов образуется эвтектика.

В соответствии с теорией эвтектика должна появиться по границам зерен и в тех случаях, когда кристаллизуются сплавы с эвтектической диаграммой состояния, содержание примеси в которых не достигает предела растворимости в твердой фазе. Такая особенность кристаллизации обусловлена
тем, что при дендритном росте последние порции расплава оказываются значительно богаче примесью, чем это следует из диаграммы состояния. Эксперименты подтверждают возможность появления эвтектики по границам зерен при кристаллизации ненасыщенных твердых растворов [28]. Таким образом, кристаллизация сплавов с эвтектической диаграммой состояния протекает частично как однофазная — с образованием твердого раствора с ячеисто-дендритной структурой, частично как двухфазная — с образованием эвтектики.

Исключительно многофазная кристаллизация характерна для сплавов эвтектического состава. Существует множество структурных разновидностей, единственной общей чертой которых является наличие двух или более фаз. Если при эвтектической кристаллизации первичная фаза облегчает зарождение вторичной, то образуется пластинчатая структура или — в присутствии примесей — ее модификации: колонийная и стерженьковая структуры. В противном случае образуются несплошныс эвтектики с беспорядочной ориентацией второй фазы .

Ячеистые, дендритные, а также смешанные —- ячеисто-ден- дритные структуры характерны для внутрикристаллического строения сварных швов технически чистых металлов, сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, а также большого числа сплавов с эвтектическим типом диаграммы состояния. Преимущественное развитие в металле шва того или иного вида структур зависит от тепловых условий сварки. Обычно сварочная ванна характеризуется сильным перегревом жидкого металла в центре и наличием большого температурного градиента на границе твердое тело — расплав. На начальной стадии затвердевания, когда первые слои твердой фазы формируются на оплавленных зернах околошовной зоны, возможно существование гладкого фронта. По мере прорастания кристаллитов в глубь ванны температурный градиент в расплаве уменьшается, расплав перед фронтом кристаллизации обогащается примесью, возникает концентрационное переохлаждение и устойчивой становится ячеистая форма роста.

Таким образом, ячейки появляются не от самой границы оплавления рекристаллизационных зерен околошовной зоны, а на некотором расстоянии от нее, необходимом для образования концентрационного переохлаждения. Скрытая теплота кристаллизации и теплоотвод в твердую фазу уменьшают градиент температур к центру шва. Одновременно возрастает концентрация примеси перед фронтом кристаллизации.

Следствием этого является расширение зоны концентрационного переохлаждения и увеличение размера ячеек. На некоторой, более поздней, стадии затвердевания ячейки разветвляются — ячеистый рост сменяется дендритным. Ячейки и дендриты в сварных швах, как и в слитках, характерны для зоны столбчатых кристаллитов, дендриты — преимущественно для центральной зоны равноосных кристаллитов. Однако в сравнении со слитками и крупными отливками при сварке в силу более резкого теплоот- вода область существования ячеистых и смешанных структур шире, при этом величина ячеек мельче и дисперсность участков обогащения примесью выше.

Дендритная и ячеистая структуры хорошо заметны на микрошлифах сварных соединений однофазных сплавов Неоднородность твердого раствора тем лучше выявляется химическим травлением, чем выше концентрация легирующих элементов в сплавах. Во многих случаях ячейки и дендриты можно наблюдать непосредственно на поверхности сварных швов Ячеисто-деидритный рельеф образуется в результате усадки и соответствует топографии фронта кристаллизации. Одновременно на поверхности литого металла видны границы кристаллитов, выявленные термическим травлением при охлаждении после затвердевания.

С увеличением количества легирующих добавок ячеистый рельеф, декорированный поверхностными пленками, становится все более сложным и затрудняет наблюдение сетки границ кристаллитов (рис. 11). Форму кристаллитов можно выявить при кратковременном нагреве сварного шва до температур солидуса благодаря эффекту оплавления большеугловых границ зерен.

Сварные швы технически чистых металлов кристаллизуются как однофазные сплавы. Однако в связи с малым количеством примесей внедрения ячеистые и дендритные формы структуры на микрошлифах выражены слабо или совсем не выражены. Форму ячеек удается установить после сильного химического травления шлифов, когда в поле кристаллитов по являются многочисленные фигуры травления, соответствующие участкам с повышенной концентрацией примесей (рис. 12, б).

Форма огранки фигур травления зависит от ориентации кристаллитов. Можно также обнаружить ячеистый и дендритный рельеф на поверхности слитков чистых металлов.

В сварных соединениях дисперсиошю-твердеющих сплавов ячеисто-дендритная структура четко выявляется благодаря выделению второй фазы в местах скопления примесей.

В результате перераспределения примесей при затвердевании литые структуры оказываются химически неоднородными. Сегрегацию примесей, образовавшуюся при затвердевании, можно разделить на несколько видов. В макроскопическом масштабе развивается нормальная сегрегация, или увеличение концентрации примеси в направлении затвердевания. С увеличением протяженности зоны затвердевания роль нормальной сегрегации становится все более важной. В сварных швах сегрегация этого вида выражена менее заметно, чем в слитках. Нормальная сегрегация проявляется не только в объеме всего литого металла, но и в каждом отдельном кристаллите, а именно: часть кристаллита, затвердевающая в первую очередь, содержит меньше примеси, чем часть, затвердевающая позже. Наибольшее количество примеси скапливается в центре слитков или сварных швов, где встречаются растущие навстречу друг другу кристаллиты.

Мсжзеренная сегрегация, или скопление примеси у межзеренных границ, связана с образованием канавки на фронте кристаллизации в месте выхода к фронту границы между растущими бок о бок кристаллитами. Механизм обогащения границы примесью такой же, как и при образовании границ ячеек.

В неравновесных условиях затвердевания внутри кристаллитов образуется ячеистая или дендритная сегрегация. Этот вид химической неоднородности обусловлен соответствующими формами роста кристаллов. Исследования с применением радиоактивных изотопов показывают, что в условиях развития ячеистой и дендритной кристаллизации сегрегация примесей в пограничных зонах ячеек и междуосиых пространствах дендритов примерно равна сегрегации по границам кристаллитов [47]. Преимущественного обогащения примесью границ между соседними кристаллитами не обнаружено.

Степень развития ячеисто-дендритной неоднородности определяется составом сплавов и условиями затвердевания. При сварке виутрикристаллическая неоднородность в подавляющем большинстве случаев проявляется менее заметно, чем при кристаллизации слитков и отливок (даже в металлической изложнице). В слитках и отливках в зоне столбчатых кристаллов, охлаждаемой наиболее быстро, ячеисто-дендритная сегрегация развита слабее, чем в зоне равпппеных кристаллитов, которая охлаждается более медленно.

Качественный анализ зависимости внутрикристаллической неоднородности от скорости охлаждения при кристаллизации проведен в работе. При небольших скоростях охлаждения

увеличение интенсивности охлаждения до определенного предела приводит к усилению виутрикристаллической сегрегации в соответствии с диффузионным механизмом кристаллизации. С дальнейшим увеличением скорости охлаждения внутрикристаллическая сегрегация уменьшается вследствие того, что диффузионный механизм кристаллизации сменяется бездиффузиопным. Таким образом, зависимость внутри-кристаллической неоднородности от скорости охлаждения выражается кривой с максимумом. На основании принятой схемы уменьшение виутрикристаллической сегрегации в швах по сравнению со слитками и в зоне столбчатых кристаллитов по сравнению с зоной равноосных кристаллитов объясняли сменой диффузионного механизма кристаллизации на безднффузионный.

Однако исследования последнего времени показали, что в диапазоне скоростей охлаждения от нескольких градусов до сотен градусов в секунду, т. е. реальных скоростей охлаждения слитков и сварных швов, безднффузионный механизм кристаллизации не осуществляется. Состав осей и пограничных зон ячеек и дендритов остается при этих скоростях неизменным и определяется приблизительно положением солидуса при соответствующей температуре затвердевания. Уменьшение степени химической неоднородности с увеличением скоростей охлаждения связано с измельчением элементов ячеисто-дендритной структуры, в результате которого состав литого металла усредняется. При малых скоростях охлаждения ячеисто-дендритная сегрегация убывает вследствие выравнивающей диффузии в твердой фазе непосредственно при кристаллизации, а также в ходе остывания после затвердевания.

Еще один вид микроскопической сегрегации — обратная сегрегация — проявляется на последних стадиях затвердевания, когда обогащенная примесью жидкая фаза устремляется в меж- ячеистые или междуосные промежутки, где в результате затвердевания произошла усадка [84].

Помимо названных видов сегрегаций, в макрообъемах сварных швов наблюдается распределение примесей слоями, расположенными эквидистантно поверхности оплавления. Это явление вызвано изменением скорости роста кристаллитов вследствие неравномерной подачи теплоты в сварочную ванну, периодически нарушающей баланс поступления и отвода теплоты и изменяющей скорость охлаждения. При этом возможны остановка кристаллизации и даже частичное оплавление фронта твердой фазы.

При переходе из устойчивого состояния кристаллизации с большой скоростью перемещения фронта в состояние с малой скоростью перемещения концентрация примеси в твердой фазе должна уменьшиться. И, напротив, увеличение скорости перемещения фронта кристаллизации должно способствовать возрастанию концентрации примеси по сравнению с равновесной [84].

Слои с повышенным содержанием примеси хорошо заметны в металле шва при дуговой сварке плавящимся электродом и обусловлены каплеобразным поступлением электродного металла, колебаниями ванны, переменной скоростью движения электрода, неравномерной толщиной слоя покрытия электродов или флюса и т. д. При автоматических способах сварки и наплавки, когда жидкая ванна имеет большой объем, слои расположены главным образом вблизи границы сплавления, а при ручной сварке, когда ванна сравнительно малого объема,— по всем} сечению шва. Еще более ярко слоистость в строении металла шва выражена при использовании импульсных источников теплоты (например, сварка электронным лучом в импульсном режиме), когда происходит прерывистое плавление и затвердевание (рис. 14). В этом случае кристаллиты в центральной части шва формируются на оплавленных литых зернах. Следовательно, слоистость не нарушает характера и направления кристаллизации, так как даже в случае периодического оплавления фронта твердой фазы поверхности нерасплавившихся частей кристаллитов служат двухмерными зародышами, обеспечивающими рост кристаллитов с прежней кристаллографической ориентировкой.

Книги