Химическая неоднородность сварного соединения

Формирование сварного соединения сопровождается сложными диффузионными процессами в жидкой и твердой фазах, которые приводят к изменению химического состава в различных зонах, выделению или перераспределению примесей и ЛЭ.

Состав кристаллизирующейся твердой фазы будет отличаться от состава исходного расплава, т. к. сначала затвердевают более чистые материалы, а расплав будет постоянно изменять химический состав.

Неоднородность по химическому составу, наблюдаемая в отливках и сварных швах в результате особенностей кристаллизации, называется ликвацией, а участки с выраженным увеличением содержания примесей – ликвационными зонами, или просто ликвациями.

Распределение примеси или ЛЭ при постоянной скорости кристаллизации выражают через коэффициент распределения К – отношение концентраций элементов в твердой и жидкой фазах, С_тв/С_ж. Для большинства сплавов К < 1, т.е. растворимость элемента в твердой фазе меньше, чем в жидкой.

В металле шва наблюдаются преимущественно два вида ликвации: дендритная (микрохимическая неоднородность) (МХН) и зональная. В свою очередь, дендритная ликвация может быть внутри - и межкристаллической (рис. 15).

Внутрикристаллическая химическая неоднородность (ВХН) проявляется как различное содержание примеси в последовательно кристаллизующихся точках кристаллита (1, 2, 3, 4).

На рис. 16 показано распределение примесей. В центральной части шва в зоне встречи двух противоположных фронтов кристаллизации обычно количество примесей невелико, во всяком случае, не больше, чем в пограничных областях между соединениями ячейками или осями дендритов, так как большая часть примесей захватывается боковыми гранями или ветвями.

Рис. 15. Виды химической неоднородности сварного шва

Межкристаллическая химическая неоднородность определяется как отношение концентраций примеси в пограничной зоне и в центре кристаллита (С5/С2) и является результатом оттеснения к границам растущих кристаллитов различных легкоплавких эвтектик и примесей, создающих межкристаллитные прослойки (рис. 16).

Рис. 16. Распределение примесей в зоне срастания кристаллов

Особую опасность представляют располагающиеся здесь легкоплавкие эвтектики типа сернистых. При дендритном (рис. 16, а) или ячеистом (рис. 16, б) типе кристаллизации в результате бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые или в междендритные пространства.

Заметное влияние на формирование МХН оказывает прерывистость процесса кристаллизации, которая характеризуется микроскопическими изменениями средней скорости кристаллизации: замедлением, остановкой и ускорением (рис. 17).

Все это является причиной "слоистости" сварного шва. При нерегулярном характере изменений V_кр на поверхности шва появляются геометрические нарушения, наблюдаемые как "чешуйчатость" шва.

Рис. 17. Распределение примеси по оси кристаллита (а), регулярная (б) и нерегулярная (в) слоистость шва

При замедлении и остановке Ств приближается к равновесной СоК, при ускорении процесс приближается к бездиффузионной кристаллизации, а Ств – к максимальной в концентрационном уплотнении Со/К. Микроскопическое изменение Vкр имеет регулярный характер, связанный с процессом выделения тепла при кристаллизации, и нерегулярный, обусловленный колебаниями режима сварки, падением капель, механическими колебаниями изделия и т. п.

Межкристаллитная МХН образуется путем отвода растворенных примесей от вершины к подножию выступов при их росте в зоне концентрационного уплотнения. При ячеистом и дендритном типах кристаллизации в результате прямого и бокового роста выступов примеси оттесняются в межячеистые пространства.

Распределение примесей, формируемое в процессе кристаллизации шва, может существенно отличаться от распределения примесей в конечной структуре шва. Это связано с процессами выравнивающей диффузии, скоростью охлаждения и другими факторами.