Загальні положення для оцінки структур зварних з'єднань

Первинна кристалізація.

Під первинною кристалізацією розуміють ріст кристалітів з розплаву при твердінні зварювальної ванни. В результаті утворюється так звана первинна структура. У таких металів, як алюміній, мідь, нікель і їх сплави, при подальшому охолодженні первинна структура не змінюється або змінюється трохи. Тому від неї залежать властивості зварного шва. Для визначення первинної структури необхідно знати умови її утворення і чинники, що впливають на неї.

У металів і сплавів з алотропічними (поліморфними) модифікаціями, наприклад у сталей, в процесі охолодження в твердому стані протікає вторинна кристалізація або перекристалізація. В цьому випадку властивості вторинної структури визначаються модифікаціями, стабільними при нижчих температурах.

Існує певний зв'язок між первинною і вторинною структурами, тому потрібні дослідження первинної структури і у сплавів з алотропічними перетвореннями. Крім того, первинна структура перед перекристалізацією зазнає дії навантажень, наприклад, усадкової напруги. Тріщини, що утворюються в зварних швах, не можуть бути пояснені вторинною кристалізацією. Тому для металографічних досліджень важливо мати уявлення про процеси первинної кристалізації.

При кристалізації металевих розплавів розрізняють переохолодження розплаву, утворення зародків і ріст зародків.

Без переохолодження кристалізація неможлива. Переохолодження може бути термічним або концентраційним. Термічне переохолодження технічно чистих металів має значення тільки при утворенні зародків. Проте в зварних швах завжди є вже готові центри кристалізації. Тому внаслідок зменшення енергії утворення зародка необхідне переохолодження може бути меншим або необхідність в нім може бути відсутньою. На особливу увагу в цьому відношенні заслуговують кристали основного металу, що не розплавилися, на яких може відбуватися епітаксіальна кристалізація з рідкої фази, тобто з тією ж кристалографічною орієнтацією.

Ріст зародків кристалізації пов'язаний з концентраційним переохолодженням. Воно розвивається тільки в сплавах або в сильно забруднених металах. Розплав кристалізується в деякому інтервалі температур, а легуючі елементи або домішки знижують температуру ліквідуса. Вони накопичуються перед фронтом кристалізації і знижують температуру ліквідуса ще більшою мірою (рисунок 4.5).

 

(розплав) Відстань від поверхні розподілу Рідка фаза Зона конституційного переохолодження (в твердій фазі) (в рідкій фазі) Концент-рація С Температура ліквідус

Рисунок 4.5 – Схема концентраційного переохолодження

 

Цей ефект підвищується зі збільшенням швидкості кристалізації. Сприятливі умови в цьому відношенні створюються при електрошлаковому зварюванні (малі температурні градієнти) і при контактному точковому зварюванні (висока швидкість кристалізації).

Відповідно до об'ємного розподілу градієнтів температур і швидкостей кристалізації в зварному шві безперервно зростає концентраційне переохолодження від межі сплавлення до середини шва. У цій зоні виникає найбільша вірогідність утворення зародків кристалізації, внаслідок чого за певних умов в середині зварного шва внаслідок концентраційного переохолодження може виникнути другий фронт кристалізації.

Перший фронт кристалізації виникає в результаті росту кристалів від частково оплавлених зерен основного металу, що граничить із зварювальною ванною і грає роль готових центрів (рисунок 4.6).

Найшвидше вони ростуть перпендикулярно до ізотермічних граничних поверхонь і паралельно напрямів найбільш інтенсивного тепловідводу. В результаті утворюються орієнтовані стовпчасті кристали. Кристаліти другого фронту кристалізації, що утворюються із зародків кристалізації в результаті концентраційного переохолодження, мають, навпаки, рівноосну будова (рисунок 4.7).

 

Рисунок 4.6 – Епітаксіальний ріст зерен основного металу на першому фронті кристалізації шва міді, виконаного плазмовим зварюванням	Рисунок 4.7 – Фронт кристалізації з глобулярними разорієнтованими кристалами усередині зварного шва сплаву, виконаного вольфрамовим електродом в аргоні

 

Концентраційне переохолодження грає також певну роль при утворенні кристалів на першому фронті кристалізації. Чисті метали утворюють (особливо при великій швидкості твердіння і малих температурних градієнтах) кристали, які з бічної поверхні обмежені порівняно плоскими поверхнями. Такий ріст кристалів називається комірчастим (рисунок 4.8).

 

Рисунок 4.8 - Комірчаста кристалізація зварного шва вольфраму, виконаного контактним точковим зварюванням

 

Навпаки, при малих швидкостях охолодження і великих температурних градієнтах, а також при підвищеному вмісті домішок, що ліквірують (що розподіляються нерівномірно) граничні поверхні кристалів відрізняються значними нерівностями: ріст кристалітів набуває дендритного характеру.

Вершини зростаючих кристалітів проростають в зону концентраційного переохолодження (рисунок 4.9)

 

Рисунок 4.9 – Дендрит зварного шва залізохромборвуглецевого сплаву в перерізі, паралельному їх подовжнім осям

 

Проте по шліфу не можна точно визначити напрям кристалів зварного шва. Тому в мікроструктурі зварних швів, що не зазнають алотропічних перетворень, виявляються межі комірчастих дендритних кристалів зазвичай у вигляді більш менш впорядкованої сітки (рисунки 4.10 і 4.11).

 

	Рисунок 4.10 – Комірчасті кристали зварного шва в перерізі, не паралельному їх подовжнім осям (зерниста структура). Електроннопроменеве зварювання міді
	Рисунок 4.11 – Дендрит в перерізі, не паралельному їх подовжнім осям (комірчаста структура). Зварювання аустенітної хромонікелевої сталі плавким електродом в аргоні

 

Якщо утворюється дендрит, то площини перерізів розгалужень однакових кристалітів не можна відрізнити один від одного. В цьому випадку перерізи розгалужень (рис. 4.10) називають осередками. Перерізи кристалів (рис. 4.11), що комірчастий кристалізуються, називають «зернистою структурою» (на відміну від перших вони утворюють замкнуту сітку).

При сприятливих обставинах можна і по вторинній структурі сплавів, що зазнають алотропічні перетворення, зробити висновок про будову первинних кристалів. Прикладами можуть служити одношарові шви конструкційних сталей. При перекристалізації металу цих швів по межах первинних зерен утворюється доевтектоїдний ферит, що виразно виявляється при травленні.

Спрямованість кристалів першого фронту кристалізації по відношенню до подовжньої осі шва залежить від швидкості зварювання і швидкості твердіння. У швах, отриманих при малих швидкостях зварювання і твердіння, кристаліти розташовані майже паралельно осі шва і утворюють дендрит. Велика швидкість зварювання веде до зміни схеми кристалізації (рисунки 4.12 і 4.13).

 

Рисунок 4.12 – Положення кристалів в швах при малих швидкостях зварювання і твердінні.

Рисунок 4.13 – Положення кристалів при великій швидкості зварювання

 

Особливим випадком є утворення «пір'ястих» кристалів в швах алюмінію і його сплавів. Мала швидкість зварювання з великою погонною енергією веде до утворення великих, а велика швидкість з малою за об'ємом зварювальною ванною - до утворення дрібних первинних кристалів.

Розмір осередків первинної структури зварного шва є істотною ознакою, що визначає властивості міцності. У сталей цей показник внаслідок алотропічних перетворень має другорядне значення. Проте і вторинна структура має тим більше дрібне зерно, чим менше первинне зерно. Зазвичай прагнуть до отримання можливо більш дрібнозернистої (чи дрібнокомірчастої) разорієнтованої структури.