Тема уроку №32:

"Нагрів і плавлення основного металу, формування та кристалізація зварювальної ванни"

При кристалізації чистих металів максимальне переохолодження спостерігається на фронті кристалізації і тому при кожному випадковому виступу фронту процес сповільнюється, тобто кристалізація відбувається плоским фронтом. При кристалізації сплавів за рахунок накопичення перед фронтом домішок максимальне переохолодження буде спостерігатися на деякій відстані від фронту (концентраційне переохолодження), що сприяє стовпчастій або дендритній структурі. При цьому напрямок росту кристалів переважно йде по нормалі до поверхні фронту кристалізації. Нерівномірність металу, що кристалізувався по хімічному складу називають ліквацією. Ліквація буває зональна, внутрішньокристалічна та міжкристалічна.

Кристалізація – це процес переходу металу з рідкого стану в твердий. Процес кристалізації можливий при умові зниження внутрішньої енергії системи. Температура, при якій внутрішня енергія твердого та рідкого металу однакова називається температурою кристалізації. 

Процес затвердіння можливий при температурі меншій за Ткр, назвемо її фактичною Тф. Різниця між ними називається ступенем переохолодження 

DТ=Ткр-Тф. 

Тобто основною умовою процесу кристалізації є наявність переохолодження. 

При наявності переохолодження, якщо в рідкому металі атоми випадково зайняли просторові місця характерні для даного типу кристалічної гратки , то вони фіксуються. добудовуючи кристалічну гратку і утворюючи частинку твердого металу.

При кристалізації зливка металу отримуємо три основних зони структури металу: дрібнозернистої кірки, зони стовпчастої або дендритної структури і зони рівновісних кристалів. При кристалізації зварювальної ванни стовпчасті кристали проходять через весь об’єм металу ванни, утворюючи крупнозернисту структуру. Для здрібнення структури використовують модифікацію (введення в хвостову частину ванни порошків металів, в якості центрів кристалізації), вплив на ванну механічних або електромагнітних коливань, термічну або термомеханічну обробку металу шва, застосування багатопрохідних швів для отримання зварного з’єднання.

На кристалізацію металу зварювальної ванни впливають такі чинники:

1. Наявність у ванні центрів кристалізації у вигляді зерен оплавилася основного металу на кордоні сплаву, карбідів і неметалевих включень.

2. Одночасний з кристалізацією введення теплоти в зварювальну ванну рухомим джерелом тепла, швидкість руху якого визначає швидкість переміщення фронту кристалізації.

3. Малий обсяг і нетривалий існування розплавленній зварювальної ванни (1 ... 2 хв), великі середні швидкості росту кристалів.

4. Значний градієнт температур і перегрів металу в центрі зварювальної ванни.

5. Інтенсивне перемішування металу.

6. Вплив на кристалізується метал термодеформаційного циклу зварювання.

У процесі кристалізації металу шва формується його первинна структура, яка визначається формою, розмірами, взаємним розташуванням кристалітів, характером дендритних утворень і фазових виділень.

В результаті кристалізації звільняється деяка енергія - теплота кристалізації, чисельно рівна прихованою теплотою плавлення.

Ця теплота відводиться через кордон розділу твердої і рідкої фаз в більш холодне тіло, що обумовлює переривчастий характер кристалізації.

Після кристалізації з рідкого стану вторинна кристалізація (перекристалізація) в твердому стані змінює картину кристалічної будови - виникають і ростуть нові зерна, з'являються нові кордони.

Процес вторинної кристалізації для зварних швів металів з поліморфними перетвореннями має кілька аспектів:

1. В процесі охолодження після зварювання порушується несприятлива будова кристалів і виникає нова, більш дрібнозерниста структура.

2. Перегріту після зварювання ЗТВ можна знову зробити дрібнозернистої за рахунок нагріву вище Т поліморфних перетворень з подальшим охолодженням з необхідною швидкістю.

3. При зварюванні тиском при перекристалізації в твердому стані відбувається проростання нових зерен через колишній кордон розділу і підвищення якості зварних з'єднань.

Схема росту кристалів.