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 кристаллизации в сварочной ванне малоуглеродистой стали заканчивается 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 изменения в металле не наблюдаются вплоть до температуры, отвечающей началу перекристаллизации (точка А3).
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).
G-Fe с кубической гранецентрированной решеткой - объем меньше
A-Fe с кубической объемноцентрированной решеткой - объем больше
Растворимость углерода в феррите ниже, чем в аустените. Поэтому по мере образования из аустенита феррита, оставшийся аустенит будет обогащаться углеродом. Из аустенита с повышенным содержанием углерода образуется цементит. При температуре ТА1, произойдет превращение аустенита в механическую смесь феррита (ά -Fe) и цементита (Fe3C), которая называется перлитом.
Большинство машиностроительных (сварочных) конструкций изготавливается из сталей с содержанием С менее 0,83 %, структура которых при медленном охлаждении содержит феррит + перлит (который представляет собой эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита). Цементит является хрупкой структурой, которая склонна в трещинообразованию.
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) феррит не успевает выделиться из аустенита и поэтому к моменту завершения превращения остается большое количество аустенита с повышенным содержание С,
2) из аустенита с повышенным содержанием С образуется большее количество мартенсита;
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 достигает 200—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 мартенсита (закалочная структура), и возникает опасность возникновения холодных трещин.
Образующийся в ходе вторичной кристаллизации феррит (a-Fe с кубической объемноцентрированной решеткой) имеет повышенный удельный объем, что ведет к образованию растягивающих напряжений в соседних слоях хрупкого мартенсита (g-Fe с кубической гранецентрированной решеткой), что ведет к образованию 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.
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 углы внутри 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.
Поэтому для каждой марки стали имеют предельные максимальная и минимальная скорости охлаждения:
- при завышенных скоростях высока вероятность образования холодных трещин,
- при заниженных скоростях высока вероятность перегрева металла и снижения пластических свойств стали.
………………………………………………………………………..
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 сплавления отделяет металл шва, имеющий литую макроструктуру, от ЗТВ. На поверхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и подвергнутых травлению, она при небольших увеличениях наблюдается как линия или граница сплавления (ЛС).
Распределение элементов по ширине ЛС имеет сложный характер, который определяется следующими процессами:
- перемешивание наплавленного и основного металла,
- диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.