Рассмотрим процесс плавления и кристаллизации металла сварочной ванны

Рис. 1Элементарные ячейки ОЦК (а), ГЦК (б) и ГП (в) решеток

У некоторых металлов решетка может меняться в зависимости от температуры. Это связано с изменением энергетического состояния атомов при нагреве и охлаждении. Такое свойство металла называется полиморфизм. Например, Fe : ОЦК ---ГЦК; Ti ГЦК ---ГПУ.

Для кристаллических решеток различных металлов характерно различное расстояние между атомами, которые образуют базовую геометрическую фигуру. Эти расстояния называют параметрами решетки.

При сварке разнородных металлов очень важно различия атомно-кристаллического строения соединяемых металлов.

Это означает, что атомы одного металла способны энергетически благоприятно располагаться в решетке другого металла. Признаком такой близости являются параметры решетки и их соответствие, и как следствие близость физических свойств.

Несовершенства кристаллической решетки.

Однако реальные металлы всегда имеют несовершенства кристаллической решетки:

Они определяют механические свойства металлов, их способность сопротивляться воздействию внешних сил.

Они возникают в результате смещения или удаления атомов со своих мест в решетке: это вакансии, межузельные атомы, дислокации, границы зерен. Наиболее важным видом несовершенства являются дислокации, которые движутся под воздействием внешних сил

.

Дислокации, как и другие несовершенства кристаллического строения,в первую очередь появляются в процессе кристаллизации.

Кристаллизацией называется переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры.

Причина кристаллизации- стремление системы перейти в более термодинамически устойчивое состояние с уменьшением энергии.

Затвердевание происходит путем образования центров кристаллизации (зародышей) и их роста

Рассмотрим процесс плавления и кристаллизации металла сварочной ванны

Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию.(1.1.)

При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры и энтропии) несущественно и в результате все сводится к минимизации энергии U.Состояние с минимальной энергией-это кристаллическое твердое тело

При повышении температуры второе слагаемое становится все важнее- при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом обычная энергия Uслегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведет к понижению свободной энергии системы.

Свободная энергия F системы определяется по формуле

F=U -T * S (1.1)

При дальнейшем повышении температуры энергетическое состояние металла приближается к энергетическому состоянию расплава. При этой температуре могут сосуществовать как жидкое так и твердое состояние металла..-

Рис.2 Зависимость свободной энергии от температуры для жидкой и кристаллической фазы

Таким образом, чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, необходимо перегреть на ∆Тп Металл казалось, теряет свое кристаллическое строение, однако, даже в жидком состоянии сохраняется определенный порядок расположения атомов:-В структуре увеличивается количество вакансий.

-С дальнейшим повышением температуры в расплаве сохраняются группировки закономерно расположенных атомов. Они имеют важное значение для процесса кристаллизации.

–При некотором переохлаждении ниже Т2 они станут естественными или самопроизвольными центрами кристаллизации. Таким образом, условия плавления влияют на процесс последующей кристаллизации и свойства сварного шва.

Влияние неметаллических включений и карбидов на кристаллизацию сплава.Примеси в сплаве могут быть центрами несамопроизвольной кристаллизации.

На практике несамопроизвольную кристаллизацию используют для модификации – измельчения кристаллитов при затвердевании. Однако модифицирующее действие сохраняется только в Ом случае, когда они не растворяются в сварочной ванне. Наибольший интерес в этом случае представляют собой тугоплавкие и труднорастворимые включения.

Например карбиды, нитриды бориды. При быстром нагреве, небольших степенях перегрева, малой продолжительности существования сварочной ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут сохраниться.

Большое влияние на кристаллизацию могут оказать неметаллические включения -особенно оксиды, которые попадают из флюсов и электродных покрытий (CaO, MgO, SiO₂) или могут быть продуктами раскисления ванны (SiO2, MnO, Al₂O₃,TiО₂), частичками шлака ( 2FeO*Si0₂, 2Mno*SiO₂, MnS, FeS )и др.

Средняя температура сварочной ванны при дуговой сварке (ручная автоматическая под флюсом, в защитных газах) составляет 1600-1900⁰С:

наиболее низкая- для дуговых в защитных газах,

наиболее высокая – для автоматической сварки под флюсом.

Температура в ванне под дугой доходит до2300⁰C, однако продолжительность пребывания ванны при этой температуре крайне мала, что не обеспечивает растворения наиболее тугоплавких примесей.

Продолжительность существования сварочной ванны при различных видах и режимах сварки существенно различается. Для указанных выше видов она составляет не более 1-2 мин и может быть оценена по формуле: td=Ld/vcd

Где td- средняя продолжительность существования сварочной ванны; Ld-длина сварочной ванны; vcd-скорость сварки