книги / Теория сварочных процессов

литной составляющей и более тонкому строению его растут прочностные характеристики металла шва и уменьшается его пластичность

(рис. 3.23).

а

б

Рис. 3.22. Микроструктура швов № 1 (а) и № 2 (б)

Рис. 3.23. Влияние скорости охлаждения на механические свойства металла шва

111

Иногда при перегреве металла наблюдается появление в шве так называемой видманштеттовой структуры. В этом случае феррит выделяется не по границам зерен, а по их кристаллографическим плоскостям (куба, октаэдра и др.) в виде различных полосок, параллельных друг другу или образующих между собой определенные углы. Такая структура обладает худшими механическими свойствами, в частности низкой ударной вязкостью. В разделе по фрактальному анализу структурообразования при сварке более подробно рассмотрены все вопросы, относящиеся к характеристикам видманштеттовой структуры и ее свойств.

Влияние многослойности швов на их структуру и свойства. Струк-

тура литого металла с грубым столбчатым строением характерна для однослойных швов. Выполнение швов в несколько проходов, или слоев,

	существенно	влияет	на структуру
	и свойства металла в целом. Объяс-
	няется это тем, что наложение каж-
	дого последующего валика 2 ока-
	зывает повторное тепловое воздей-
	ствие на нижележащий валик 1
	и под влиянием такой своеобразной
	термической	обработки структура
Рис. 3.24. Схема изменения структуры	нижележащих	слоев	значительно
металла шва при наложении последую-	улучшается, становится мелкозер-
щих слоев металла	нистой, грубая столбчатость строе-
	ния исчезает	(рис. 3.24). Верхний

валик сохраняет литую структуру металла, однако его свойства все же несколько улучшаются.

Микроструктура основного металла в зоне термического влияния.

Если знать максимальные температуры нагрева отдельных точек зоны термического влияния и скорость их охлаждения, то, пользуясь диаграммой железо–углерод, можно определить, какие изменения структуры возможны на участках зоны термического влияния и даже примерно 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.

На рис. 3.25 схематично изображен сварной шов, а над ним проведена кривая распределения максимальных температур для точек зоны термического влияния. Рядом в том же температурном масштабе построен левый угол диаграммы состояния железо–углерод, где вертикальной прямой 1–1 показан состав свариваемого металла. Если наме-

112

тить на данной прямой температурные границы участков зоны термического влияния, имеющих примерно одинаковую структуру, то можно перенести эти границы на кривую распределения максимальных температур и затем снести их вниз, т.е. на шов. Таким образом устанавливают примерные линейные размеры участков зоны термического влияния.

Зона термического влияния состоит из следующих характерных участков (рис. 3.25): 1 – неполного расплавления; 2 – перегрева; 3 – нормализации; 4 – неполной перекристаллизации; 5 – рекристаллизации; 6 – синеломкости. Рассмотрим структуру и свойства каждого из участков зоны термического влияния.

Рис. 3.25. Строение зоны термического влияния при сварке малоуглеродистой стали

У ч а с т о к 1 н е п о л н о г о р а с п л а в л е н и я – 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-перлит- ная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками.

113

У ч а с т о к 2 п е р е г р е в а лежит в интервале максимальных 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 видеть видманштеттову структуру. Участок перегрева отличается ухудшенными механическими свойствами (прочностью, пластичностью). Поэтому чем он меньше, тем выше качество сварного соединения.

У ч а с т о к 3 н о р м а л и з а ц и и находится в тех областях металла, которые нагреваются до максимальных температур, отвечаю-

щих точке АС3 и 1130 °С. Так как длительность пребывания металла при этих температурах невелика, зерно аустенита заметно вырасти не успевает. Последующая перекристаллизация при охлаждении металла приводит к получению мелкой равноосной структуры. Металл этого участка имеет самые высокие механические свойства.

У ч а с т о к 4 н е п о л н о й п е р е к р и с т а л л и з а ц и и наблюдается в области нагрева металла до максимальных температур

между точками АС1 и АС3. Протекающие здесь превращения таковы: при достижении металлом в процессе нагрева температуры, соответствующей точке АС1, происходит эвтектоидное превращение, т.е. перлит переходит в аустенит и затем феррит начинает растворяться в аустените. Каждой температуре, соответствующей интервалу АС1 – АС3 отвечает какое-то количество феррита, растворившегося в аустените, и только в полоске металла, примыкающего к участку нормализации, где будет достигнута температура точки А С3, в аустените растворится весь фер-

рит. Таким образом, в интервале температур точек АС1 – АС3 часть 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.

У ч а с т о к 5 р е к р и с т а л л и з а ц и и наблюдается при сварке металла, подвергнутого холодной обработке давлением. Максимальная температура нагрева металла находится в пределах 500 °С –

АС1. Здесь протекает рекристаллизация зерен феррита, т.е. рост этих зерен из их раздробленных частей, полученных при пластической дефор-

114

мации металла. Такой рост возможен за счет перехода атомов железа из решетки одного зерна в соседнюю, обладающую меньшей свободной энергией. Конечно, в этом случае никакого полиморфного превращения железа нет.

Пластическая деформация металла сопровождается значительным упрочнением за счет сдвига и поворота образовавшихся обломков кристаллитов, а протекающая в таком металле рекристаллизация возвращает ему прежние механические свойства. 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.

У ч а с т о к 6 с и н е л о м к о с т и нагревается до максимальных температур 200–500 °С. Он характеризуется снижением пластических свойств без видимых изменений структуры. Явление синеломкости объясняют выделением из твердого раствора α-Fе субмикроскопических частиц различных примесей, располагающихся по границам зерен.

На рис. 3.26 показано сечение шва и микроструктуры отмеченных характерных зон сварного соединения. Схема структуры металла сварного соединения (наплавленного металла, зоны термического влияния и основного металла) приведена на рис. 3.27. Слева на рисунке схематично изображена структура металла при высоких температурах, отвечающих завершению первичной кристаллизации. Здесь шов имеет крупностолбчатое строение и рядом с ним находится зона крупных зерен основного металла в состоянии аустенита (участок перегрева).

				1 2	3	4	5
	1
										2

					4				5
	3

Рис. 3.26. Поперечное сечение шва и микроструктуры отмеченных характерных зон

115

Рис. 3.27. Схема структуры металла сварного соединения

Далее размер зерен аустенита уменьшается (участок нормализации), после чего между укрупненными зернами феррита появляются зерна аустенита (участок неполной перекристаллизации). Справа на рисунке показана структура металла после вторичной кристаллизации и охлаждения до комнатной температуры. В металле шва столбчатость строения сохранилась, но видны границы новых зерен, образовавшихся

впределах столбчатых кристаллов. Затем следует участок перегрева с крупным зерном, участок нормализации и неполной перекристаллизации. Структура всех участков феррито-перлитная. Основной металл вне зоны термического влияния также имеет феррито-перлитную строчечную структуру. Резких границ между участками зоны термического влияния нет, наблюдается плавный, постепенный переход одной структуры в другую.

Протяженность участков, а значит, и зоны термического влияния

вцелом, имеет большое значение для оценки качества сварного соединения. Чем меньше эта зона, тем выше в общем случае качество сварного соединения. С увеличением данной зоны показатели механических свойств сварного соединения вообще снижаются, так как при этом растут линейные размеры участков перегрева, неполной перекристаллизации, рекристаллизации и синеломкости.

Контрольные вопросы

1.Что такое непрерывная и периодическая кристаллизация металла?

2.В чем различия диффузионной и бездиффузионной кристалли-

зации?

3.В чем сущность концентрационного переохлаждения и как оно влияет на формирование кристаллов в процессе кристаллизации?

116

4.В чем особенности первичной кристаллизации металла при

сварке?

5.Каковы причины образования слоистости и столбчатости строения сварных швов?

6.Чем объясняется прерывистость кристаллизации металла при

сварке?

7.Каков механизм возникновения пор в металле шва?

8.Какие газы могут быть причиной пористости сварных швов?

9.Каковы причины образования шлаковых включений в метал-

ле шва?

10.Что такое ликвация в металле шва и ее виды?

11.В чем проявляется влияние ликвации на механические свойства металла шва?

12.Опишите по диаграмме железо−углерод механизм вторичной кристаллизации малоуглеродистой стали при сварке.

13.Как влияют особенности нагрева и охлаждения металла шва при сварке на результаты его вторичной кристаллизации?

14.Опишите микроструктуру основных участков зоны термического влияния при сварке малоуглеродистой стали.

Глава 4 ФРАКТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ СТРУКТУРЫ

ВМЕТАЛЛОВЕДЕНИИ СВАРКИ И ПОКРЫТИЙ

4.1.Использование теории фракталов в материаловедении

Развитие техники требует опережающего развития материаловедения. В условиях, когда временной разрыв между идеей конструктора и ее воплощением должен быть минимальным, основной задачей материаловедения становится создание материалов с заданными свойствами, что в эпоху информатики, кибернетики и средств вычислительной техники представляется вполне реальным. Первоочередной задачей становится моделирование материалов с использованием триады модель– алгоритм–программа, обладающей уникальными возможностями прогнозирования оптимальных материалов и широкого использования математических методов решения металлургических задач. В последние годы созданы новые материалы (аморфные, с памятью формы, функ- ционально-градиентные и др.) и новые технологии, связанные, главным образом, с неравновесными условиями получения материалов.

117

Методологической основой получения материалов с заданными свойствами являются принципы синергетики, в соответствии с которыми эффективное управление свойствами материалов и их оптимизация возможны только в условиях самоорганизации структур. Исследования последних лет показали, что самоорганизующиеся структуры обладают свойствами фрактальности, т.е. они могут быть количественно описаны с помощью фрактальной размерности.

Задача фрактального анализа в материаловедении – количественное описание связи между многообразными сложными структурами материалов и их свойствами. Развитие фрактального описания реальных микроструктур позволяет моделировать их развитие в прямом и обратном направлениях. Фрактальный формализм, в принципе, может являться основой для выбора численных адекватных моделей структур реальных сварных швов, необходимых для компьютерного конструирования структур и прогнозирования их свойств.

Традиционно используемые методы описания структур, выявляемых оптической и электронной микроскопией, в основном, имеют качественный характер и недостаточно удобны для целей моделирования. Привлечение концепции фракталов, основанной на использовании общих понятий меры и фрактальной размерности, позволяет дать количественную оценку конфигурации исследуемой структуры в целом, что дополняет традиционные методы описания. С этой точки зрения, фрактальный анализ структур является удачным дополнением традиционных методов исследования, позволяющим количественно описать структуру в целом, уловить скрытую упорядоченность или периодичность в ней, оценить степень ее фрагментарности.

Таким образом, дальнейшее использование фрактального математического формализма для описания сложных структур, какими являются структуры сварных швов, становится полезным для совершенствования моделирования физико-химических процессов в широком диапазоне внешних условий, особенно удаленных от равновесия.

В настоящей главе дан обзор исследований фрактальных структур. Этот анализ в значительной мере основывается на разработках Института металлургии им. А.А. Байкова, связанных с получением новых материалов (аморфных, с памятью формы, высокопрочных, наноструктурных, механически легированных сплавов крупных монокристаллов

идр.) и исследованием их структуры и свойств.

Спозиций синергетики и теории фрактальных структур предложен алгоритм анализа структурообразования для различных обьектов: сварных швов, поверхности усталостного разрушения, покрытий, нанесенных методом микродугового оксидирования.

118

4.2. Фрактальные структуры

Для металловедения фрактальный подход является достаточно новым, поэтому необходимо очень кратко изложить историю развития метода и осветить современное состояние вопроса.

Интерес естественных наук, главным образом математики и физики, к фракталам тесно связан с появлением и развитием нового направления – синергетики. Синергетика – учение о самоорганизации сложных систем. Термин «синергетика» (от греч. «синергос» – вместе действующий) введен Г. Хакеном еще в 40-е годы ХХ века, т.е. до «века кибернетики». Синергетика занимается изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада структур различной природы, формирующихся в системах, далеких от равновесия. Они наблюдаются в живой и неживой природе. Общность заключается в том, что и биологическим, и химическим, и физическим неравновесным процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особым точкам – точкам бифуркации, по достижении которых спонтанно изменяются свойства среды, обусловленные самоорганизацией диссипативных структур.

Сразвитием синергетики утвердился термин «самоорганизация».

Вчем же различие между процессами организации и самоорганизации? Понятие организации относится к процессам, близким к равновесным, при которых движущей силой развития является стремление системы

к минимуму свободной энергии. Самоорганизация структур связана с переходом через кризис (неустойчивость системы) в условиях, далеких от равновесия. Движущей силой процесса в этих условиях является стремление системы к минимуму производства энтропии.

Материаловедение изобилует множеством примеров самоорганизации структур. В начале 1991 года, после открытия явления сверх-

проводимости при Т > 33 К поликристаллического углерода С60, легированного атомами щелочных металлов, стабильные кластеры углерода (С60, С120, С76, С84) оказались в центре исследования. Они получили название фуллеренов и являются примером высокоорганизованной стабильной структуры.

Обнаружено, что структура кластера С60 характерна для самоорганизующихся в пламени органических соединений (сажи). Структура фуллеренов представлена на рис. 4.1.

Другим характерным примером самоорганизации ритмически повторяющихся структур служат слоистые покрытия со строго определенными размерами слоев. Структура покрытия, представленная на рис. 4.2, обусловлена ритмическим повторением реакции при пиролитическом хромировании изделия путем разложения паров металлоорганического соединения и охлаждения их на нагретую стальную подложку.

119

а

б

в

г

д

Рис. 4.1. Структура фуллеренов, составленная из пятиугольных и шестиугольных колец углерода: а – число атомов углерода в фуллерене равно 28;

б – 32; в – 50; г – 60; д – 70

	Покрытие
		Рис. 4.2. Самоорганизованная
		структура покрытия, получен-
		ного при пиролизе хроморга-
		нической жидкости при плав-
		ном повышении температуры
		от 400 до 600 °С в течение
		120 мин
	Подложка

Строгая повторяемость слоев и постоянство их толщин указывает на самоорганизованность структурообразования, которая возможна только в условиях, когда движущей силой процесса является стремление системы к минимуму производства энтропии. Структурообразование носит автоколебательный характер, а параметром порядка является теплопроводность среды. Это определяет чередование структур хромокарбидного соединения от близкого к аморфным (белые слои) и кристаллическим (черные слои). Именно такая структура покрытия является оптимальной при работе материала в условиях циклического нагружения.

Другим объектом материаловедения, который целесообразно описывать с позиции теории фракталов, являются диссипативные структуры. Диссипативные структуры – структуры, образующиеся в открытых системах, обменивающихся энергией с окружающей средой. Диссипативные структуры, в отличие от консервативных, образующихся без обмена энергией с окружающей средой, не всегда подчиняются законам равновесия, термодинамики и т.п.

В материаловедении для описания элементов микроструктуры традиционно используется евклидова размерность d, которая может при-

120