Процессы вторичной кристаллизации в металле шва и в основном металле. Вторичная кристаллизация в металле шва.
При температурах, соответствующих линии АС (ликвидус), из жидкого сплава кристаллизуется аустенит. При температурах, соответствующих линии АЕ (солидус), сплавы с содержанием углерода до 2,14% окончательно затвердевают с образованием аустенита. Таким образом, процесс первичной кристаллизациив сварочной ванне малоуглеродистой стализаканчивается достижением температуры Тс(рис. 151).
В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода до 2,14%, т. е. в сталях, образуется однофазная структура - аустенит.
Металл приобретает аустенитную структуру, но аустенитные зерна образуются в пределах первичных столбчатых кристаллов.
С дальнейшим понижением температуры структурные измененияв металлене наблюдаютсявплоть до температуры, отвечающей началу перекристаллизации (точкаА3).
Последующие структурные превращения в твердой фазе относятся к процессам вторичной кристаллизации металла.Как видно из рис. 151,для малоуглеродистой стали вторичная кристаллизация металла начнется при температуре ТА3, и будет протекать до температуры ТА1.
В соответствии с равновесными превращениями при температуре, отвечающей точке А3, начинается выделение из аустенита ферритной составляющей ά-Fe (в результате полиморфного превращения γ → ά).
По мере выделения феррита, в котором предельное содержание углерода ниже, оставшийся аустенит будет обогащаться углеродом. При температуре ТА1, произойдет распад его намеханическую смесь феррита (ά -Fe) и цементита (Fe3C)–перлит.
Структура низкоуглеродистых сталей с содержанием С менее 0,83 % при медленном охлаждении содержит феррит + перлит (который представляет собой эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита).
Высокие скорости охлаждения, свойственные сварочному циклу, влияют на характер превращений в наплавленном металле, и поэтому конечные структуры отличаются от равновесных. Можно отметить следующие общие особенности вторичных превращений в наплавленном металле:
1) Избыточный феррит не успевает выделиться из аустенита и поэтому к моменту эвтектоидного превращения аустенит содержит повышенной содержание с,
2) из аустенита с повышенным содержанием С образуется большее количество цементита;
3) перлит имеет более тонкое строение.
Скорость охлаждения для каждого объема металла шва во времени — величина крайне непостоянная.В начальный момент, после прохождения дугой исследуемого участка металла, скорость охлаждения достигает200—300 °С/с, а с течением времени быстро снижается до 15…5 °С/с.
Наибольшее влияние на структуру металла шва скорость охлаждения оказывает в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита.
Для малоуглеродистой стали интервал температур наименьшей устойчивости аустенита приходится на температуры 500…550 °С, т.к. процессы перестройки структуры происходят при некотором переохлаждении (ниже 727 °С).
В указанном интервале температур мгновенная скорость охлаждения не должна превышать критических значений, при которых существенно возрастает доля цементита (закалочной структуры), и возникает опасность возникновения холодных трещин.
Рассмотрим на примере, как влияет скорость охлаждения металла шва на его структуру, а следовательно и свойства. Автоматической сваркой под флюсом были выполнены два шва, причем шов № 1 охлаждался очень медленно, а шов № 2 — быстро.
Для металла с содержанием 0,22% С, охлаждаемого в соответствии с равновесной диаграммой состояния Fe—Fe3C, количество перлита должно составлять примерно 12%.
Для шва № 1 были созданы условия охлаждения, близкие к равновесным, поэтому он содержит примерно 12% перлита (рис. 152, а).
Шов № 2, остывавший с большей скоростью (более типичной для сварки), содержит около 50% перлита (феррита +цементита) (рис. 152, б) и с более тонким строением.
В обоих случаях металл шва сохранил столбчатую направленность кристаллитов и дендритов. Благодаря увеличению перлитной составляющей и более тонкому строению металла шва № 2 по мере увеличения скорости охлаждения растут его прочностные характеристики, но уменьшается пластичность (рис. 153).
Иногда при перегреве металла малоуглеродистой стали наблюдается появление в шве так называемой видманштеттовой структуры: крупнозернистая структура, отличающаяся геометрически правильным расположением элементов структуры в виде пластин или игл внутри составляющих сплав кристаллических зёрен.
В этом случае феррит выделяется не по границам зерен, а по их кристаллографическим плоскостям в виде различных полосок, параллельных друг другу или образующих между собой определенные углывнутри составляющих сплав кристаллических зёрен.
Такая структура обладает худшими механическими свойствами, в частности низкой ударной вязкостью. Таким образом, увеличение продолжительности нагрева при сварке ведет к снижению качества металла шва.
ФАЗОВЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ ПРИ СВАРКЕ
Характерные зоны сварных соединений
Сварные соединения, выполненные сваркой плавлением, можно разделить на несколько зон, отличающихся химическим составом, макро- и микроструктурой и другими признаками:
сварной шов,
зону сплавления,
зону термического влияния ЗТВ,
основной металл (рис. 155).
Сварной шов характеризуется литой макроструктурой металла. Ему присуща первичная микроструктура кристаллизации, тип которой зависит от условий кристаллизации шва.
Поверхность сплавленияотделяетметалл шва, имеющий литую макроструктуру, отЗТВв основном металле, имеющем макроструктуру проката или рекристаллизованную макроструктуру литой или кованой заготовки. На поверхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и подвергнутых травлению, она при небольших увеличениях наблюдается каклиния или граница сплавления (ЛС).
Распределение элементов по ширине ЛС имеет сложный характер, который определяется процессами перемешивания наплавленного и основного металла, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.
Зона термического влияния.
В ЗТВ в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также в шве при охлаждении происходит целый ряд фазовых и структурных превращений.
Под фазовыми превращениями понимают превращения с образованием новых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свойствами, и разграниченных с ними поверхностями раздела (межфазными границами).
Особенность фазовых и структурных превращений при сварке по сравнению с термической обработкой заключается в том, что они протекают в неравновесных условиях сварочного термодеформационного цикла (СТДЦ), т. е. в условиях быстрого нагрева и охлаждения и одновременного развития сварочных деформаций и напряжений. Характер превращений зависит от состава сплава, максимальных температур нагрева, а их завершенность— от скоростных и деформационных параметров сварочного цикла.
Если знать максимальные температуры нагрева отдельных точек зоны термического влиянияискорость их охлаждения, то, пользуясь диаграммой железо — углерод, можноопределить, какие изменения структурывозможны на участках зоны термического влияния и дажепримерно установить линейные размеры этих участков.
Максимальные температуры нагрева отдельных точек зоны термического влияния можно определить как экспериментально, так и теоретически— на основе теории распространения тепла при сварке, правильно выбрав схему процесса.
Участки зоны термического влияния.
Участок 1 неполного расплавления— тонкая переходная полоска от металла шва к основному металлу.Максимальные температуры нагрева — от температуры плавления металла до температуры солидус. Следовательно, здесь есть и жидкая и твердая фазы, облегчающие развитие крупного зерна.
На данном участке происходит непосредственное сращивание кристаллов металла шва с зерном основного металла, поэтому он зачастую определяет качество сварного соединения.Структура феррито-перлитная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками.
Участок 2 перегревалежит в интервалемаксимальных температур нагрева Тс — 1130 °С. В этих условиях зерно успевает сильно вырасти, а последующая перекристаллизация при охлаждении не дает его заметного измельчения.Поэтому металл участка перегрева имеет крупнозернистое строение.Феррит окружает укрупненные перлитные зерна своеобразной каймой, причем иногда здесь можно видетьвидманштеттовую структуру.Участок перегрева отличается ухудшенными механическими свойствами (прочностью, пластичностью). Поэтому чем он меньше, тем выше качество сварного соединения.
Участок 3 нормализациинаходится в тех областях металла, которые нагреваются домаксимальных температур, отвечающих точке АС3 и 1130 °С.Так как длительность пребывания металла при этих температурах невелика, зерно аустенита заметно вырасти не успевает.Последующая перекристаллизацияпри охлаждении металла приводит к получениюмелкой равноосной структуры. Металл этого участка имеет самые высокие механические свойства.
Участок 4 неполной перекристаллизациинаблюдается в области нагрева металла домаксимальных температур между точками AС1 и АС3.Протекающие здесь превращения таковы:при достижении металлом в процессе нагрева температуры, соответствующей точке AС1, происходит эвтектоидное превращение, т. е. перлит переходит в аустенит и затем феррит начинает растворяться в аустените. Каждой температуре, лежащей выше АС1, вплоть до АС3отвечает какое-то количество феррита, растворившегося в аустените, и только в полоске металла, примыкающего к участку нормализации, где будет достигнута температура точки Асз, в аустените растворится весь феррит. Таким образом, в интервале температур точек АС1— Асзчасть феррита не растворится в аустените и сохранит свой старый размер зерен.
Тот же феррит, который растворился в аустените, при последующем охлаждении металла будет выделяться из аустенита и образовывать несколько новых зерен феррита. Закончится вторичная кристаллизация эвтектоидным превращением оставшегося аустенита в перлит.Конечная структура металла на этом участке состоит из крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных вокруг них колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате перекристаллизации.
Механические свойства этого участка хуже, чем свойства участка нормализации.
Участок 5 рекристаллизациинаблюдается при сварке металла, подвергнутого холодной обработке давлением.Максимальная температура нагрева металла находится в пределах 500°С — АС1.
Рекристаллизации подвергается структура основного металла.
Структуру участка рекристаллизации составляют равноосные зерна феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергалась пластической деформации, то на участке рекристаллизации никаких структурных изменений не произойдет.
Участок 6 синеломкостинагревается домаксимальных температур 200—500 °С.Он характеризуетсяснижением пластических свойств без видимых изменений структуры.
Основной металл, который не претерпевает изменений при сварке, может влиять на превращения в ЗТВ в зависимости от его макро- и микроструктуры, определяемых способом первичной обработки металла (прокатка, литье, ковка, деформирование в холодном состоянии) и последующей термической обработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском, закалка со старением и т. п.).
Влияние многослойности швов на их структуру и свойства.
Структура литого металла с грубым столбчатым строениемхарактернадля однослойных швов.
Выполнение швов в несколько проходов, или слоев, существенно влияет на структуру и свойства металла в целом.Объясняется это тем, чтоналожение каждого последующего валика 2 оказывает повторное тепловое воздействие на нижележащий валик и под влиянием такой своеобразной термической обработки структура нижележащих слоев значительно улучшается, становится мелкозернистой, грубая столбчатость строения исчезает(рис. 154).
Верхний валик сохраняет литую структуру металла, однако его свойства все же несколько улучшаются.