Кристаллизация металла шва и образование трещин

Категория:
Процессы при сварке


Кристаллизация металла шва и образование трещин

Кристаллизацией называется процесс образования зерен расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Различают первичную и вторичную кристаллизацию. Первичная кристаллизация протекает при высоких скоростях охлаждения и перехода из жидкого в твердое состояние с образованием столбчатой структуры. Вторичная кристаллизация начинается с распада первичной структуры и заканчивается при низких температурах образованием устойчивых нераспадающихся микроструктур.

Температуры, при которых происходят первичная и вторичная кристаллизации стали, и характер образующейся при этом структуры металла в зависимости от содержания углерода определяют по диаграмме состояния железо — углерод.

Кристаллизация металла сварочной ванны начинается в зоне сплавления от твердых кромок свариваемых деталей. Началом кристаллизации являются неполностью оплавленные зерна на кромках металла. Они наращиваются затвердевающими частицами металла сварочной ванны и представляют собой зародыши или центры кристаллизации. Такие частицы имеют очень низкую концентрацию углерода. По мере снижения температуры ванны и приближения к температуре затвердевания зародыши обогащаются углеродом, концентрация которого доходит до 0,07%.

При затвердевании металла происходят два явления: первоначальное образование зародышей зерен и последующий их рост присоединением к ним новых зерен из сварочной ванны. Зародыши появляются первоначально на оси первого порядка, перпендикулярной плоскости отвода тепла. От оси первого порядка под углом возникают и растут зародыши на оси второго порядка. Могут образоваться зародыши и на оси третьего порядка и т. д., образуя кристаллиты, формой напоминающие деревья и называемые поэтому дендритами (от французского слова «дендрон» — дерево). Химический состав каждого дендрита может быть неодинаковым, что объясняет химическую неоднородность металла шва. Дендриты, образовавшиеся в конце процесса кристаллизации, загрязнены примесями в большей степени, чем первые затвердевшие дендриты, что наблюдается при низких скоростях охлаждения. Дендриты соприкасаются между собой и этим взаимно тормозят свое развитие. В результате этого их форма и направленность могут сильно искажаться.

Кристаллизация металла сварных швов имеет прерывистый характер. Под действием сил, появляющихся в процессе сварки и кристаллизации, металл сварочной ванны постоянно находится в движении. Эти силы придают металлу шва слоистый характер при любых условиях сварки. Чем сильнее теплоотвод и меньше объем жидкого металла, тем тоньше кристаллизационный слой. Слоистый характер затвердевшего металла выражается чешуйча-тостью шва. Кристаллизационные слои в любом сечении шва могут быть рассмотрены на специально подготовленных макрошлифах.

С возрастанием количества дендритов механическая связь между ними увеличивается, что повышает работоспособность металла шва. Число дендритов пропорционально скорости охлаждения.

При однопроходной сварке дендриты имеют форму столбиков, такую структуру называют столбчатой.

Зерна металла шва обычно имеют округлую форму. Зерна основного металла по форме отличаются от зерен металла шва тем, что они деформированы и вытянуты в направлении прокатки.

Находящиеся в сварочной ванне примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл; они располагаются по границам зерен, ослабляя их сцепление между собой.

Форма шва влияет на расположение неметаллических включений. В широких и неглубоких швах эти включения вытесняются наверх и могут быть легко удалены; в узких и глубоких швах включения часто остаются между дендритами и зернами. При образовании между дендритами легкоплавких загрязнений, например сульфида железа FeS с температурой плавления 1190° С, в охлаждаемом шве могут появиться горячие трещины. Они возникают под влиянием растягивающей усадочной силы и называются трещинами усадочного характера.

Рис. 1. Схема кристаллизационных слоев в шве: а — поперечное сечение стыкового соединения, б — внешний вид (чешуйчатость) шва

Трещины могут возникнуть в металле из-за действия Бодорода. Атомарный водород соединяется в молекулы и создает большие давления внутри зерен, что приводит к образованию трещин.

Трещины возникают в металле под влиянием мартенситного превращения. Мартенсит обладает меньшей удельной плотностью (7,5 г/см3) по сравнению с удельной плотностью перлита (7,8 г/см3), это ведет к созданию дополнительных внутренних натяжений между частицами металла, что вызывает появления трещин.

Трещины могут возникать и от выпадения из растворов частиц сульфидов, фосфидов, нитридов, закиси железа и др., что объясняется внутренними натяжениями или напряжениями.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум