ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ СПЛАВОВ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ

ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛА

СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В промышленности чаще всего применяют не чистые металлы, а сплавы двух или нескольких элементов на основе какого-либо одного металла. Так, стали – сплавы на основе железа – содержат углерод, марганец, кремний, а в специальных случаях – никель, хром, молибден и другие элементы. Содержание железа составляет обычно более 90 % и только у отдельных сталей со специальными свойствами – более 60 %.

Большое значение имеют сплавы на основе алюминия, содержащие магний, медь, цинк и другие элементы; сплавы на основе меди с добавлением цинка, олова, алюминия; сплавы на основе титана, содержащие железо, и др.

Путем термообработки можно в широких пределах изменять физические и механические свойства большей части промышленных сплавов. Возможность изменения свойств сплавов, их свариваемость, структура и свойства сварных соединений определяются природой сплавов, их строением, фазовым состоянием и составом, изменениями, происходящими при нагреве и охлаждении, как в процессе термообработки, так и в процессе сварки.

Как правило, элементы, образующие металлический сплав, в жидком состоянии полностью взаиморастворимы, т.е. образуют однородный материал с равномерно распределенными в объёме атомами элементов. Ряд металлов, не смешивающихся друг с другом даже в жидком состоянии, не могут образовывать сплавов, свариваемых методами сварки плавлением. При переходе жидкого однородного сплава в твердое состояние в нем могут происходить различные изменения, связанные с полиморфными превращениями основы сплава, с взаимодействием элементов, составляющих сплав.

Сплав двух или нескольких элементов после перехода из жидкого состояния в твердое может быть в виде твердых растворов, в виде механической смеси фаз и в виде химических соединений. Кроме того, могут существовать и промежуточные состояния, а также сочетания указанных состояний. Характер взаимодействия элементов, образующих сплав, имеет большое значение для сварки. Лучше всего должны свариваться элементы, дающие непрерывный ряд твердых растворов, хуже – дающие ограниченные твердые растворы, еще хуже – дающие химические соединения и невзаимодействующие.

То или иное состояние затвердевающего сплава зависит от взаимодействия между атомами составляющих его компонентов. Стремление к энергетически более устойчивому состоянию системы обусловливает форму взаимодействия. Твердый раствор имеет определенные отличия от металла растворителя и растворенного элемента.

Пример неограниченной взаимной растворимости в жидком и твердом состояниях двух металлов А и Б представлен на рис. 17. На диаграмме состояния линии, ограничивающие области существования различных фазовых систем, характеризуют условия (температуру, концентрацию) равновесия между фазами.

В твердом растворе переход от раствора Б в А к раствору А в Б происходит при постепенной замене в решетке А атомов А атомами Б без определенного порядка мест замещения.

Рисунок 17 – Диаграмма состояния сплавов металла А

с металлом Б при их неограниченной

растворимости в жидком и твердом состояниях

Такого рода взаимодействие возможно для металлов с аналогичными типами кристаллических решеток и атомами близких размеров. Металлы, дающие сплавы такого типа с неограниченной растворимостью, должны хорошо соединяться различными видами сварки. При сварке плавлением, будь то сварка без присадочного материала (рис. 17, IV) или дуговая сварка плавящимся электродом (рис. 17, VI), зоны плавления и смешивания свариваемых металлов А и Б в жидком состоянии представляют собой достаточно однородный раствор, может быть, с несколько большей концентрацией оплавляемого металла у кромки. После кристаллизации сварной шов представляет собой непрерывный ряд твердых растворов переменного состава. Различие в составе первых выпадающих кристаллов и последних кристаллизующихся порций металла, т.е. микрохимическая неоднородность, увеличивается с уменьшением разницы между температурами плавления свариваемых металлов и увеличением температурного интервала кристаллизации (расстояния между линиями ликвидуса и солидуса). Иным будет строение шва при сварке давлением (рис. 17, V).

В сварных швах химическая неоднородность тем больше, чем больше размер сварочной ванны и чем меньше скорость кристаллизации. При сварке давлением в твердом состоянии (см. рис. 17, V) металлы, имеющие неограниченную взаимную растворимость, при наличии даже самых небольших элементов взаимодиффузии должны обеспечивать получение однородных твердых растворов в участках, примыкающих к сварному стыку. В таких соединениях металл должен быть однофазным, что обеспечивает высокие свойства, хотя в соответствии с правилом Н.С. Курнакова при непрерывном ряде твердых растворов свойства сплавов должны отличаться от свойств образующих их металлов (рис. 18). Для непрерывного ряда твердых растворов изменение свойств должно происходить плавно (рис. 18, I) по выпуклой или вогнутой кривой, без скачков. При образовании эвтектик – плавно по прямой (рис. 18, II). Это важно для сварных соединений, так как постепенное изменение свойств благоприятнее влияет на работоспособность сварного соединения, чем скачкообразное, имеющее место в случае образования в сплавах химического соединения (рис. 18, III).

Неблагоприятно для сварных соединений металлов с рассматриваемым типом диаграммы состояния отсутствие аллотропических превращений в твердом состоянии. Отсутствие вторичной перекристаллизации в твердом состоянии приводит к сохранению крупных кристаллитов, образующихся при первичной кристаллизации, в то время как перекристаллизация в связи с полиморфным превращением в твердом состоянии могла бы привести к измельчению зерна и улучшению свойств.

Рисунок 18 – Характер возможного изменения свойств сплавов

элементов с разными типами диаграммы состояния

Большое практическое значение имеют сплавы элементов, образующих равновесные механические смеси – эвтектики при кристаллизации из жидкого состояния и эвтектоиды – при вторичной кристаллизации. При образовании таких смесей для формирования сварных соединений важно, образуют ли элементы (компоненты) смеси без ограниченных твердых растворов (рис. 19) или же имеют ограниченную взаимную растворимость в твердом состоянии (рис. 20). При отсутствии у компонентов ограниченной растворимости сварное соединение, полученное сваркой плавлением (рис. 19, III-V), имеет вполне равномерную микроструктуру с постепенным переходом от одного фазового состояния (кристаллы металла А) к другому (кристаллы металла Б).

В жидкой сварочной ванне находится равномерный твердый раствор компонентов А и Б, однако непрерывное контактирование жидкого раствора на одной кромке с компонентом А делает расплав вблизи этой кромки обогащенным компонентом А, а у другой кромки – компонентом Б.

I – диаграмма состояния; II – кривая охлаждения; III – кристаллическое строение сварного соединения при сварке плавлением без присадочного материала; IV – то же, с присадкой металла А; V – то же, с присадкой металла Б; VI – сварное соединение, полученное сваркой давлением

Рисунок 19 – Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающая

в твердом состоянии эвтектические смеси

Поэтому кристаллизация металла у кромок соответствует сечениям X-X у кромки А и Z-Z у кромки Б (см. рис. 19, I). При охлаждении сплава Z до температуры ликвидуса (рис. 16, II, точка а) начнется выпадение кристаллов Б, которое будет продолжаться до температуры солидуса, которой будет температура эвтектического превращения (точка г). При этой температуре остаток жидкого расплава превратится в равномерную механическую смесь кристаллов Б и А (эвтектику), имеющую состав, соответствующий проекции точки О на горизонтальную ось. Аналогично пройдет кристаллизация сплавов у кромки металла A с той лишь разницей, что первыми начнут выпадать кристаллы металла А.

Таким образом, при сварке плавлением микроструктура и фазовое состояние металла будут постепенно переходить от кристаллов одного металла с малым количеством эвтектики к кристаллам другого металла также с малым количеством эвтектики (см. рис. 19, V). Между этими зонами количество эвтектики будет постепенно увеличиваться, и где-то на промежуточных участках должна находиться чисто эвтектическая зона. Поскольку в участках сварного шва, примыкающих к кромкам каждого из свариваемых металлов, кристаллизуется металл с подавляющим количеством кристаллов данного свариваемого металла, обеспечиваются хорошие условия для сплавления основного металла и металла шва, а постепенное изменение структуры и фазового состояния в пределах металла шва обеспечивает плавный переход свойств одного металла к свойствам другого (см. рис. 19, II).

При данном типе диаграммы состояния свариваемых металлов хорошее сплавление металла шва с основными свариваемыми металлами обусловливается тем, что на кромках каждого металла из расплава надстраиваются зерна того же металла, т.е. имеет место полное соответствие атомно-кристаллического строения, а в связи с этим и создание надлежащей связи. Благоприятно и плавное изменение свойств в пределах сварного соединения. Образование химической неоднородности в таком сварном соединении неизбежно в связи с разной химической природой металлов А и Б. Градиент химической неоднородности (различие в составе соседних участков) тем больше, чем больше величина концентрационного интервала между эвтектической точкой О и чистыми металлами (см. рис. 19, отрезки Од и Ог).

При сварке давлением в твердом состоянии образование соединения связано с определенными ограничениями. Отсутствие жидкого раствора и кристаллизации с выделением на кромках однотипных кристаллов, отсутствие взаимной растворимости свариваемых металлов в твердом состоянии исключают протекание диффузионных процессов на границе раздела. Возможность получения сварного соединения в этом случае зависит от надлежащего контакта чистых свариваемых поверхностей, создания максимального количества активных центров и соответствия атомно-кристаллического строения.

Для металлов, образующих эвтектические смеси, но имеющих взаимную ограниченную растворимость, механизм образования сварного соединения заметно изменяется (рис. 20). При сварке плавлением в сварочной ванне на кромках свариваемых металлов из жидкого расплава кристаллизуются не чистые металлы, а твердые растворы на основе соответствующих металлов. На кромке свариваемого металла А будут кристаллизоваться кристаллы твердого α-раствора (Б в А), а на кромках металла Б – кристаллы β-раствора (А в Б).

I – диаграмма состояния; II – элементарные ячейки α и β-растворов;

III – кристаллическое строение сварного соединения при сварке плавлением без присадки; IV – сварное соединение, получаемое сваркой давлением; V – то же, с присадкой металла Б; VI – то же, с присадкой металла А

Рисунок 20 – Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б, дающих

в твердом состоянии эвтектические смеси и ограниченные

твердые растворы

Эвтектическая смесь в такой системе состоит не из чистых металлов А и Б, а из граничных фаз α- и β-растворов. Для растворов типа α, где предельная растворимость элемента Б в элементе А изменяется с температурой, характерно появление в кристаллах α-частиц β-фазы, которая выделяется при охлаждении в интервале температур от максимальной растворимости Б в А до минимальной в виде избыточных вторичных кристаллов (β_ВТ).

Эти кристаллы β_ВТ мельче, чем первичные β-кристаллы, т.к. образуются при более низкой температуре. Поскольку укрупнение их может происходить только при длительном пребывании при повышенной температуре, когда они могут расти за счет диффузионного поступления к ним атомов образующих компонентов, их размер тем меньше, чем меньше время пребывания при повышенной температуре, т.е., чем больше скорость охлаждения. При очень большой скорости охлаждения можно переохладить до нормальной температуры твердый α-раствор с максимальной концентрацией растворимых атомов Б. Но такой перенасыщенный твердый раствор неустойчив и может разлагаться со временем с выделением очень мелких дисперсных частиц β_ВТ-фазы. При таком старении сплава выделяющиеся дисперсные частички вторичной фазы препятствуют движению дислокации, что может способствовать его упрочнению, а также повышению хрупкости.

Таким образом, при сварке плавлением на кромках свариваемых металлов А и Б кристаллизуются твердые α- и β-растворы. Атомное и кристаллическое соответствие твердых растворов свариваемым металлам создает хорошие условия для связи металла шва со свариваемым металлом.

Для металлов с рассматриваемым типом диаграммы состояния характерно также появление диффузионных зон на границе соединения. Образование диффузионных зон связано с тем, что в металл А в соответствии с наличием определенной растворимости проникает (диффундирует) некоторое количество атомов Б: либо из α-раствора при сварке плавлением, либо непосредственно из металла Б при сварке давлением в твердом состоянии.

Наличие зон взаимодиффузии улучшает связь в сварном соединении, так как при этом происходит более плавное изменение свойств.

Возможность даже ограниченной взаимодиффузии особенно важна при сварке давлением в твердом состоянии, когда она может стать дополнительным фактором улучшения свойств сварных соединений. Неблагоприятен в сварных соединениях рассмотренного типа эффект старения в отдельных участках как сварного шва, так и примыкающей к шву зоны, где могли образоваться кристаллы перенасыщенного твердого раствора.

Элементы А и Б, которые при кристаллизации образуют химическое соединение А_тБ_п, условно обозначенное как новое вещество C,дают диаграммы состояния типа представленной на рис. 21. Различие между указанными системами заключается в том, что в случае, представленном на рис. 21, новое химическое вещество С образует с металлами А и Б эвтектические смеси без какого-либо растворения одного из веществ в другом.

І — диаграмма состояния; ІІ — кристаллическое строение сварного

соединения при сварке плавлением без присадки; ІІІ — то же, с присадкой металла А; IV – сварное соединение, полученное сваркой давлением

Рисунок 21 – Диаграмма состояния сплавов металлов А и Б,

дающих в твердом состоянии химическое соединение А_тБ_п – С и

эвтектические смеси без ограниченных твердых растворов

Химическое соединение, всегда состоящее из т атомов металла А и п атомов металла Б, с вполне определенными местами этих атомов в кристаллической решетке, имеет свой тип кристаллической решетки в отличие от упорядоченного твердого раствора с типом решетки элемента А или Б. Свойства их также различны.

Очень часто химические соединения двух мягких, пластинчатых и вязких металлов оказываются твердыми и хрупкими (например, соединения железа с алюминием). В связи с этим особенно важно учитывать возможность образования химических соединений в сварных соединениях.

Среди систем, дающих химические соединения, для сварки наиболее благоприятны системы с ограниченными твердыми растворами, как обеспечивающие получение на границе соединения переходных зон твердых растворов.