На структурные превращения при сварке

Основными структурными превращениями в процессе нагрева и охлаждения являются:

– образование границ зерен;

– выравнивание границ зерен и их рост;

– перераспределение химических элементов;

– перераспределение и изменение плотности дефектов кристал-лической решетки.

Образование границ зерен является завершающим этапом процесса кристаллизации сварочной ванны. Границы образуются непосредственно при срастании первичных кристаллов, искажении их решеток. Зоны срастания выявляются как обогащенные примесями ликвационные участки, имеющие отличное от центральных участков кристаллитов травление.

Эффект травления границ связан со скоплением примесей в результате сегрегации в зонах с искаженной решеткой. В процессе охлаждения положение границ зерен, как правило, изменяется в результате их миграции или полиморфных превращений.

Рост зерен связан со стремлением системы к более равновесному состоянию с меньшей свободной энергией. Последнее достигается за счет уменьшения суммарной поверхности зерен в результате выравнивания волнистых участков на границах и уменьшения количества зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 9).

Рис. 9. Схема выравнивания границ зерен (а), изменения формы и размера зерна (б)

Этот процесс называется собирательной, или вторичной рекристаллизацией. Рекристаллизация реализуется в результате смещения или миграции отдельных участков или полностью границ зерен. В сплавах типа твердых растворов скорость миграции границ всегда на несколько порядков меньше, чем в чистых металлах.

Существенное торможение движущихся границ наблюдается и при наличии нерастворимых примесей (карбиды, неметаллические включения). При приближении границ к частицам между ними возникают силы притяжения, в результате чего радиус кривизны изменяет свое направление (рис. 9). Это уменьшает общую движущуюся силу границы и скорость ее миграции, т. е. все легированные стали менее склонны к росту зерна, а температура рекристаллизации их выше, чем у обычных углеродистых сталей.

Перераспределение примесей наблюдается в период их пребывания в температурных областях, когда заметна диффузионная подвижность этих элементов. При этом возможны два противоположных процесса: выравнивание концентрации элементов по объему – гомогенизация или их накопление на отдельных границах зерен, скоплениях дефектов решетки и структурных составляющих – сегрегация. Для двухкомпонентных сплавов движущей силой выравнивающей диффузии является градиент концентрации, а её скорость пропорциональна коэффициенту диффузии растворенного элемента и возрастает с его увеличением, а также временем пребывания при высоких Т.

В многокомпонентных системах, какими являются стали и сплавы, движущая сила диффузионного перераспределения элементов не градиент концентрации, а градиент его химического потенциала. Последний определяет изменения свободной энергии локального объема твердого раствора или фазы данного состава при добавлении одного моля диффундирующего элемента.

Диффузия ЛЭ идет от зон, где его активность выше, в зоны, где его активность ниже. Например, диффузия углерода при сварке разнородных сталей. В этом случае возможна так называемая восходящая диффузия, при которой поток элемента направлен против градиента концентраций, т. е. в сторону его увеличения.

Сегрегация обусловлена перераспределением ЛЭ между объемом зерна и их границами. В реальных условиях нагрева или охлаждения действительная сегрегация на границах начинает развиваться при Т > Т_д – температуры заметной диффузионной подвижности растворенного элемента. Так, при нагреве участка ЗТВ около линии сплавления выше Т_с происходит оплавление приграничных участков зерен. Если растворенный ЛЭ понижает Т_пл сплава, то сегрегация его на границах приводит к более раннему расплавлению приграничных участков. При этом границы зерен как поверхности раздела исчезают.

Появление жидкой фазы приводит к появлению ликвационного механизма перераспределения ЛЭ между твердым телом зерна и оплавлением приграничными участками.

Перераспределение дефектов кристаллической решётки происходит в процессе нагрева.

В металле, находящемся в неравновесном состоянии после быстрого охлаждения с высоких Т (сварка, закалка) или холодной пластической деформации (основной металл), наблюдается высокая плотность дефектов кристаллического строения решетки (вакансий, дислокаций, межузельных атомов и др.). Это приводит к повышению прочности и изменению некоторых физических свойств, например к увеличению электрического сопротивления.

При нагреве такого металла до Т_в » 0,2Т_пл в нем развиваются процессы возврата. Первая его стадия, протекающая без изменения ячеистой структуры, называется отдыхом, вторая – связанная с формированием и миграцией малоугловых границ – полигонизацией.

При отдыхе вакансии мигрируют к дислокациям, границам зерен и внешним поверхностям и там аннигилируют. Межузельные атомы аннигилируют на краевых дислокациях и при встрече с вакансиями. Скорость отдыха зависит от температуры и энергии активации самодиффузии.

Другими процессами при отдыхе является частичная перегруппировка дислокаций и аннигиляция дислокаций разного знака. Результатом отдыха является восстановление электросопротивления, снижение внутренних микронапряжений и т. п.

Полигонизация – стадия возврата, при которой в пределах каждого кристалла образуются новые малоугловые границы путем скольжения и переползания дислокаций.

Полигонизация холоднодеформированного металла приводит к уменьшению НВ, s_в, s_т. Процесс развивается при Т > Т_отдыха.