СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Рост зерен

Рост зерен связан со стремлением системы к более равновес­ному состоянию с меньшей свободной энергией. В соответствии с этим в литом металле шва после завершения кристалли­зации и в металле ЗТВ при нагреве происходят изменения в по­ложении границ зерен, приводящие к снижению их поверхност­ной энергии. Последнее достигается за счет уменьшения сум­марной поверхности зерен. Она уменьшается в результате выравнивания волнистых участков на границах и уменьшения количества зерен, т. е. увеличения их размеров (рис. 5.9). Этот процесс называется собирательной или вторичной рекристалли­зацией. Рекристаллизация реализуется в результате смещения или миграции отдельных участков или полностью границ зерен.

Степень миграции границ зерен определяется движущими силами миграции, подвижностью границ и временем пребыва­ния металла в области температур высокой диффузионной под­вижностью атомов. Движущая сила миграции определяется раз­ницей свободных энергий границ в данном неравновесном и рав­новесном (после полного завершения миграции) состояниях. При прочих равных условиях движущая сила зависит главным образом от конфигурации граничных поверхностей, характери­зуемой количеством участков с повышенной кривизной в макро - и микроскопическом плане. Движущая сила на отдельных участках границы пропорциональна их суммарной кривизне l/Ri + 1/Яг, где Ri и — радиусы кривизны в двух взаимопер-
пендикулярных направлениях. Мигрирующая граница движется обычно к центру максимальной кривизны (рис. 5.9).

Подвижность границ является функцией строения границ, а также концентрации на них примесей. По современным пред­ставлениям, миграция границ происходит в результате элемен­тарных актов переноса единичных атомов через границу. Миг­рация границ является термически активируемым процессом. Для перехода от одного зерна к другому атом должен обла­дать некоторым избытком энергии, т. е. энергией активации. При этом частота перехода атомов, а следовательно, и ско­рость миграции увеличиваются с повышением температуры.

Рис. 5.9 Схема выравнивания границ зе* Рис 5 10. Спрямление границ зерен в ре - реи (с), изменение формы н размера зе - зультате обмена атомов и вакансий

реи (б)

Близость энергии активации миграции к энергии активации самодиффузионных процессов свидетельствует о том, что миг­рация границ контролируется направленным перемещением ва­кансий. Другими словами движение границы представляет процесс обмена атомов и вакансий (рис. 5.10). По мере разори - ентации границы и увеличения степени искажения решеток в приграничных зонах доля энергии активации, связанная с об­разованием и перемещением вакансий, будет уменьшаться. Об­щая энергия активации миграции будет приближаться к энер­гии активации самодиффузий по границам. В соответствии с этим большеугловые границы более подвижны, чем малоугло­вые. В условиях неравномерного распределения температуры, например при сварке, отмечают, что наиболее интенсивная ми­грация границ происходит в направлении тепловых потоков. Это", вероятно, обусловлено направленным потоком вакансий от более нагретого к менее нагретому участку металла.

В сплавах типа твердых растворов скорость миграции гра­ниц практически всегда на несколько порядков меньше, чем в чистых металлах. При переходе от чистых металлов к слабым растворам (содержание примесей менее 0,001 %) скорость

миграции резко уменьшается. При больших концентрациях при­меси перестают существенно влиять на дальнейшее уменьшение скорости движения границ.

Существенное торможение движущихся границ имеет место при наличии нерастворимых примесей, частиц второй фазы или неметаллических включений. При приближении границы к ча­стицам между ними возникают силы притяжения, в результате чего радиус кривизны соответствующего участка границы изме­няет свое направление (рис. 5.11). Это уменьшает общую дви­жущую силу границы, что приводит к понижению скорости ее

миграции в целом. При встрече границы с частицей силы притяжения достигают максимума. Они зависят от поверхно­

стного натяжения раздела граница — частица и радиуса частицы. Если дви­жущая сила границы больше силы ее притяжения, то граница оторвется от

включения. В противном случае она бу­дет остановлена включением. Наиболее эффективно границы тормозят мелкие частицы. В то же время вероятность

остановки границ возрастает с увеличе­нием размера зерен. Миграция границ при условии длительного пребывания металла при высоких температурах про­должается до установления равновес­ного состояния.

В холоднодеформированном металле при нагреве миграция границ зерен и изменение размера и формы зерен имеют свои специфические особенности. В этом случае получает развитие процесс рекри­сталлизации обработки или первичной рекристаллизации. Дви­жущей силой процесса является накопленная при пластической деформации энергия, связанная в основном с образова­нием дислокаций высокой плотности (до 10й—1012 см-2). Ре­кристаллизация обработки приводит к образованию новых равновесных зерен с обновленной кристаллической решеткой. При этом свободная энергия рекристаллизованного металла становится меньше, чем деформированного, вследствие умень­шения плотности дислокаций (до 106—108 см-2). Процесс со­стоит из образования зародышей новых зерен и их роста. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия де­формации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ. Поэтому рекристаллизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их количе­ства по сравнениню с деформированным металлом.

Рекристаллизация начинается прн нагреве свыше темпера­туры рекристаллизации Гр, составляющей 0,47^ К, т. е. когда становится заметной скорость самодиффузии. Процесс является термически активированным. Поэтому процесс получает разви­тие в металле, претерпевшем определенную критическую пла­стическую деформацию (около 5—10 %), т. е. после накопле­ния в металле некоторого минимума энергии. С увеличением степени деформации снижается энергия активации рекристал­лизации и несколько понижается Тр. Это приводит к увеличе­нию скорости рекристаллизации.