Сварка разнородных сталей

Кристаллизация металла шва и формирование его структуры у границы сплавления

В сварных соединениях разнородных сталей, выполненных свар­кой плавлением, одним из сплавляемых металлов является металл шва. Первоначальный состав и структура этого металла форми­руются в процессе кристаллизации сварочной ванны. Следова­тельно, выяснение природы и механизма образования в зоне сплав­ления разнородных сталей структурной неоднородности, возмож­ность появления которой обусловливает основную трудность их сварки, необходимо начинать с процесса кристаллизации металла шва в этой зоне с учетом тех особенностей, которые вызываются сплавлением металлов, обладающих различными физико-хими­ческими свойствами.

Сварочная ванна с точки зрения условий кристаллизации рас­плавленного в ней металла обладает рядом специфических особен­ностей, основными из которых являются значительный градиент температуры жидкого металла и большая скорость его охлажде­ния. Й все же кристаллизация металла в сварочной ванне долж­на подчиняться общим законам затвердевания жидкости. В силу этого процесс кристаллизации металла шва должен представлять собой первоначальное образование зародышей кристаллов (зерен) и последующий их рост. Затвердевание металла сварочной Еанны, сточки зрения общих положений физического металловедения, мож­но отнести к процессу кристаллизации на анизотропной подкладке, которой в данном случае является нерасплавленная часть свари­ваемого металла. Однако кристаллизация металла сварочной ванны имеет ту особенность, что происходит на подкладке, нагретой до оплавления. В силу этого зародышами кристаллов здесь являются частично оплавленные зерна свариваемого металла. Обоснованием
сказанного может быть тот факт, что в зоне сплавления зерна за­кристаллизовавшегося металла сварочной ванны (металла шва) являются общими с зернами свариваемого металла (рис. 7). Сле­довательно, кристаллизация металла сварочной ванны представ­ляет собой только одну стадию — вторую из двух стадий, состав­ляющих процесс затвердевания в общем виде.

Отсутствие образования центров кристаллизации (зародышей) является одной из особенностей кристаллизации металла свароч­ной ванны.

В современной теории кристаллизации вторая стадия этого про­цесса — рост зародышей (кристаллов) — представляется в виде последовательного послойного присоединения по их кристалли­ческим плоскостям молекул, ато­мов или ионов кристаллизующе­гося вещества [72, 77]. При кри­сталлизации металла сварочной ванны такой механизм роста зародышей вызывает присоеди­нение к кристаллическим плос­костям частично оплавленных зерен свариваемого металла ато­мов металла шва. В результате между свариваемым металлом и металлом шва создается меж­атомное сцепление, которое, в свою очередь, создает сварное соединение. В конечном ито­ге в зоне сплавления образуются указанные общие зерна.

Образование в зоне сплавления зерен, являющихся общими для нерасплавленной части свариваемого металла и металла шва, пред­ставляет основную и существенную особенность кристаллизации металла сварочной ванны. Появление таких зерен дало основание кристаллизацию металла в сварочной ванне выделить в особый вид, названный взаимной, или совместной, кристаллизацией. Следует отметить, однако, что ни первый, ни второй из этих терминов нель­зя признать удачным, так как в процессе кристаллизации жидкого - металла сварочной ванны нет образования и роста кристаллов (зе­рен) в свариваемом металле, которые следовало бы ожидат ь, исход» из смысла упомянутых терминов.

Поскольку кристаллизация металла сварочной ванны имеет специфические особенности, для краткой характеристики этого про­цесса необходим термин, который отображал бы имеющуюся здесь специфику, т. е. отсутствие обычного процесса зарождения крис­таллов и образование общих зерен (металлической связи) между свариваемым металлом (подкладкой) и кристаллизующимся спла­вом. В остальном затвердевание металла сварочной ванны явля­ется известным процессом кристаллизации на анизотропной под­кладке, называемой ориентированной кристаллизацией [83, 61, 72L

О влиянии особенностей кристаллизации сварочной ванны на - структуру металла шва в зоне сплавления разнородных сталей можно судить по образуемой здесь первичной структуре. Обнару­жить эту структуру довольно трудно. Обусловлено это тем, что в большинстве сталей из-за присущей им вторичной кристаллизации не всегда удается выявить первичные зерна. Даже в тех металлах, которые при аллотропическом превращении не образуют фаз, за­тушевывающих границы первичных зерен, выявляемую обычными методами структуру не всегда можно считать первичной. При мед­ленном охлаждении зародыши новой фазы возникают преимущест­венно на границах зерен старой фазы в результате наличия здесь различного рода дефектов кристалла, которые облегчают пласти­ческое течение растущего кристалла на ранней стадии его развития из зародыша и тем самым способствуют снятию упругих напряжений. Из-за такого зарождения центр новой фазы располагается на гра­нице старой фазы, и границы их зерен не совпадают.

При ускоренном охлаждении, когда перекристаллизация про­исходит при большем переохлаждении, увеличивается число заро­дышей, образующихся в единице объема, и они возникают внутри зерен старой фазы. В этих условиях превращение облегчается при определенной взаимной ориентировке кристаллов старой и новой фаз, и поэтому границы их совпадают.

Для экспериментального исследования первичной структуры металла шва в зоне сплавления наиболее приемлемым будет исполь­зование однофазных сплавов, не претерпевающих даже аллотропи­ческих превращений. Одним из сплавляемых металлов может быть также сталь, в которой при вторичной кристаллизации по грани­цам вновь образующихся зерен располагается ферритная оторочка (сетка). Согласно так называемой «силовой» теории образования зерен и происхождения границ [60], указанная сетка феррита долж­на копировать границы первичных зерен. Обусловлено это тем, что образование феррита при вторичном превращении (у —>- а) со­провождается высвобождением части атомов и поэтому происходит прежде всего там, где имеются вакансии, т. е. по границам первич­ных зерен.

Поэтому автором исследовалась зона сплавления аустенитного металла шва типа Х25Н13 с высокохромистой ферритной сталью Х25Т (ЭИ439), армко-железом и среднеуглеродистой сталью 35 116]. Аустенитный металл типа Х25Н13 использован здесь в связи с тем, что в нем сравнительно легко выявляются границы зерен (кристаллитов), которые в металле шва из других аустенитных - сплавов выявить довольно трудно.

Следует отметить, однако, что сравнительно легко выявляемые в металле шва типа Х25Н13 границы кристаллов могут быть не первичными, а полигонизационными и могут не совпадать с пер­выми [55]. Поэтому в указанных экспериментах в качестве высо­колегированного металла применялся также сплав Х25Н60М10, легированный большим количеством молибдена, что должно по -

давлять полигонизацию и тем самым сохранять четкую видимость расположения первичных кристаллов и их границ.

На рис. 8 приведена микроструктура металла зоны сплавления в двух исследованных соединениях. Здесь не наблюдается совпаде­ния границ зерен свариваемого и наплавляемого металлов, которое принято считать специфической особенностью кристаллизации сва­рочной ванны. Установленный факт для сплавления разнородных металлов является закономерным, и его можно объяснить, если рассмотреть процесс роста кристаллов и связь факторов, определя­ющих этот процесс, с физико-химическими свойствами сплавляе­мых металлов.

С точки зрения термодинамики рост кристаллов можно рас­сматривать как процесс гетерогенного зародышеобразования и рос­та зародышей на его гранях [8, 77]. Согласно теории гетерогенного зародышеобразования, зародыш на имеющейся поверхности раз­дела (подкладке) может возникнуть в том случае, если эта поверх­ность смачивается кристаллизирующейся жидкостью. По этой тео­рии, образующийся на инородной подкладке зародыш имеет купо­лообразную форму, обладающую сферической симметрией (рис. 9,а), и характеризуется равновесием горизонтальных составляющих сил поверхностного натяжения на границе соприкосновения, выражае­мым формулой [77]

У ms = Yrs + YmrCOS0> где 6 — краевой или равновесный контактный угол зародыша на подкладке, с — зародыш, s — подложка, т — расплав.

При кристаллизации металла сварочной ванны зародышем об­разующегося кристалла является частично оплавленное зерно сва­риваемого металла. Такой зародыш является трехмерным и по­этому может расти лишь в том случае, когда к его грани присоеди­няется группа атомов в виде незавершенного слоя (пластинки) одноатомной толщины, являющегося двухмерным зародышем для последующего роста кристалла (рис. 9, б). Это обусловлено тем,.

что присоединение к грани растущего кристалла одного атома (молекулы) не уменьшает, а увеличивает свободную энергию сис­темы, в которой происходит кристаллизация, поэтому одна моле­кула на грани кристалла неустойчива, она стремится возвратиться в кристаллизующуюся жидкость. На грани кристалла устойчиво может удерживаться лишь скопление молекул, размеры которого не меньше определенной (критической) величины [721. В силу этого рост кристалла определяется не отдельными ударами атомов или молекул кристаллизующейся жидкости о его грани, а вероятностью образования на гранях комплекса этих атомов (молекул) в виде двухмерного зародыша.

Таким образом, вероятность образования на поверхности ино­родной подкладки зародыша кристаллизующейся жидкости и, следовательно, рост кристалла металла сварочной ванны на час­тично оплавленных зернах свариваемого металла определяется краевым углом, образуемым возникающим зародышем с поверх­ностью подкладки.

Краевой угол зародыша, в свою очередь, определяется близостью кристаллических решеток подкладки и образующейся твердой ■фазы [8]. Наименьшим он будет в том случае, когда решетка под­кладки по своим размерам (периоду) и ориентации атомов будет соответствовать решетке закристаллизовавшегося вещества. Это условие является наиболее приемлемым для кристаллизации жид­кости на инородной подкладке. С точки зрения физической химии и физического металловедения оно является общим положением для кристаллизации на подложке и составляет так называемый принцип ориентационного и размерного соответствия [61, 72].

Принцип ориентационного и размерного соответствия сохраня­ется и в том случае, если кристаллизующееся вещество имеет ре­шетку, неполностью совпадающую с решеткой подкладки [72]. Од­нако в этом случае он может иметь место лишь при различии ре­шеток, отвечающем выражению

Да< У < °.°9 а>

Р + сд

где Ср, Ссд — модули упругости кристалла соответственно при растяжении и сдвиге.

Как следует из указанного выражения, разность периода ре­шетки не должна превышать 9%. По мнению некоторых специалис­тов [72] она должна быть еще меньше.

Ориентированная кристаллизация может быть и при большем различии параметров сопрягающихся решеток, но только в том случае, если в кристаллах подкладки и закристаллизовавшегося вещества имеются так называемые сопрягаемые (подобные) ком­плексы [61, 72]. Следует отметить, что в зоне сопряжения таких решеток образуется слой с искаженной (несовершенной) решеткой кристаллизующегося вещества. Однако по мере наращивания слоя закристаллизовавшегося вещества искажение решетки быстро уменьшается, в силу чего в зоне сопряжения деформированной бу­дет только прослойка незначительной (мономолекулярной или в несколько десятков атомных диаметров) толщины.

При значительном различии параметров решеток кристалли­зующегося вещества и подкладки и отсутствии в их кристаллах сопрягающихся комплексов искажение решетки кристаллизую­щегося вещества в зоне сопряжения его с подкладкой может су­щественно увеличиться. При этом существенно увеличится и тол­щина деформированного слоя, чему будет способствовать образо­вание в нем твердых растворов переменного состава. В связи с этим образуемые кристаллы не могут сохранить ориентированное и, осо­бенно, размерное соответствие кристаллам подкладки. В этом слу­чае возможно появление на базе одного зерна подкладки несколь­ких кристаллов затвердевшей жидкости или, наоборот, на базе нескольких зерен подкладки — одного кристалла затвердевшей жидкости.

Ниже приведены данные о различии параметров решеток ме­таллов, в зоне сплавления которых исследовалось формирование структуры:

Различие параметров решетки, %

Х25Т+Х25Н13 .... Армко-железо -(- Х25Н13 Сталь 35-}-Х25Н13 . . Сталь 35 + X25H60MI0

Как видно, исследованию подвергалась зона сплавления ме­таллов, параметры кристаллической решетки которых отличаются на 21% и более, т. е. значительно больше 9%. Однако в случае, когда неаустенитным металлом является армко-железо или сталь 35, отличие параметров решеток сплавляемых металлов должно быть иным, чем указано, так как в момент сплавления (кристалли­зации металла шва) армко-железо и сталь 35 имеют не перлитную, а аустенитную структуру. И все же оно, по-видимому, будет

2 1-189

довольно значительным, так как аустенит стали 35 по сравнению со сплавляемой с ней аустенитной сталью Х25Н13 содержит зна­чительно меньше легирующих элементов, а армко-железо их во­обще не содержит.

Из изложенного следует, что при. сварке разнородных сталей в зоне сплавления не во всех случаях образуются зерна, общие для металла шва и свариваемого металла. Очевидно также, что при сварке таких сталей в результате сплавления металлов разных структурных классов, которые довольно часто обладают различ­ными кристаллическими решетками, кристаллизация металла шва в зоне сплавления должна представлять более сложный процесс, чем при сварке так называемых однородных металлов. Поэтому получение здесь качественной связи сплавляемых металлов состав­ляет самостоятельную проблему.

Теоретически задача получения качественного соединения между различными материалами легко решается в том случае, если атомы соединяемых металлов будут сближены на расстояние, требуе­мое для межатомного взаимодействия [67]. Необходимость такого сближения и определяет указанное искажение решетки металла, кристаллизующегося в зоне сплавления разнородных сталей. В том случае, когда свариваются такие разнородные стали, при которых решетки сплавляемых металлов отличаются незначительно или имеют сопрягающиеся атомные комплексы, необходимое сближение атомов достигается без существенного искажения решетки кристал­лизующегося сплава. В этом случае в кристаллизующемся металле шва образуется структура, соответствующая структуре основного металла у линии сплавления. Если металл шва имеет решетку, сильно отличающуюся от решетки свариваемых сталей, требуемое сближение атомов приводит к образованию в нем переходного слоя с искаженной решеткой. В этом случае образующиеся в металле шва кристаллы не будут соответствовать зернам свариваемого ме­талла.

Таким образом, в сварных соединениях разнородных сталей кристаллизация металла шва непосредственно у границы сплавле­ния обладает некоторыми специфическими особенностями. Но при­рода их такова, что они вряд ли могут вызы іать образование в зоне сплавления разнородных сталей той структурной неоднородности, которая является основной причиной преждевременного разруше­ния сварных соединений таких сталей.

Следует отметить, что в зоне сплавления разнородных сталей всегда имеют’ место разные структуры, поскольку в таких соедине­ниях сплавляются металлы, существенно отличающиеся по хими­ческому составу и теплофизическим свойствам. Однако в правильно выполненных соединениях таких сталей структура сплавляемых металлов сохраняется неизменной вплоть до границы сплавления. Поэтому зону сплавления здесь в отличие от соединений, где на­блюдается изменение структуры сплавленных металлов, условно принято считать структурно однородной.

В большинстве случаев непосредственно после сварки (исходное состояние сварного соединения) зона сплавления разнородных ста­лей выявляется в виде тонкой четко выраженной линии, к которой примыкают структуры, присущие металлу шва и околошовной зоне свариваемого металла (рис. 10, а). Отчетливо выделяющаяся на рисунке линия представляет собой фотографическое изображение тени от уступа, который образуется при травлении вследствие раз­личной химической стойкости сплавленных металлов. Если сплав­ленные металлы по химической стойкости в используемых для трав­ления реактивах отличаются мало, явно выраженная линия раз­дела в зоне сплавления отсутствует. В этом случае структура зоны сплавления представляет «мягкое» сочетание структур сплавляемых металлов (рис. 10, б).

Нередко в зоне сплавления разнородных сталей можно наблю­дать глубокое вклинивание (затекание) наплавленного металла в основной металл по границам его зерен (рис. 11). Иногда это вкли­нивание настолько часто повторяется, что зона сплавления при­обретает вид бахромы (рис. 12). Большое увеличение показывает, что в этом случае сплавление имеет извилистую форму, в которой выступ свариваемой стали чередуется с впадиной из наплавляемого металла.

Вид выявляемого на шлифах сплавления разнородных сталей зависит, прежде всего, от химического состава свариваемого ме­талла. При составе, способствующем скоплению по границам зерен элементов, образующих легкоплавкие соединения, проплав­ление основного металла носит извилистый характер, проникая зубцами вглубь между зернами. В процессе последующего форми­рования сварного соединения расплавленные участки межзерен - ных границ заполняются металлом шва и сплавление приобретает вид бахромы.

Сплавление разнородных сталей с вклиниванием металла шва в свариваемый металл может образоваться и в том случае, если

последний имеет химический состав, при котором образуемые между зернами прослойки склонны к охрупчиванию. Возникающие при сварке напряжения вызывают в этих прослойках трещины, в ко­торые при последующем формировании сварного соединения прони­кает жидкий металл сварочной ванны, что и придает сплавлению вид бахромы.

Вид сплавления разнородных сталей зависит также от режима сварки [10]. Изменение режима сварки вызывает перераспределе­ние элементов, входящих в состав свариваемого металла, особенно тех, которые имеют высокий коэффициент диффузии. При режимах, увеличивающих время пребывания околошовной зоны свариваемого

металла в области высоких тем­ператур, в ней интенсифицируются

диффузионные процессы, в результате чего на границах между зер­нами происходит скопление элементов, образующих легкоплавкие или хрупкие соединения. Наличие таких соединений на межзе - ренных границах приводит, как показано выше, к образованию сплавления с вклиниванием наплавляемого металла в основной.

В рассмотренных видах зоны сплавления нет изменения струк­тур основного и наплавленного металлов. Не изменяются здесь и их свойства, о чем свидетельствуют размеры отпечатков индентора, с помощью которого определялась твердость металла зоны сплав­ления. Как видно из рис. 10, твердость основного и наплавленного металлов в такой зоне не изменяется до самой линии сплавления, поэтому рассмотренные виды зоны сплавления разнородных сталей следует считать структурно однородными.

В зоне сплавления разнородных сталей в состоянии после свар­ки довольно часто можно увидеть вклинивание основного металла в наплавленный в виде различной формы и размеров полуостров­ков, направленных в поперечном сечении шва вдоль границы сплавления (рис. 13, а). Нередко в наплавленном металле непосред­ственно у границы сплавления наблюдаются островки нераспла- вившегося основного металла (рис. 13, б).

По своей природе указанные островки и полуостровки являют­ся конгломератом зерен, оторванным от основного металла, по­этому их образование следует связывать с характером плавления последнего. Основанием для такого утверждения является тот факт, что, как показывают полученные автором экспериментальные данные, вероятность появления островков или полуостровков и их количество зависят от режима сварки, который прежде всего определяет характер плавления основного металла. Наибольшее влияние здесь оказывает сила сварочного тока. В случае сварки под флюсом проволокой диаметром 5,0 мм наибольшее количество таких островков и полуостров­ков наблюдается при токе до 300 А. С увеличением силы тока до 500 А и более их количество

а б

Рис. 13. Микроструктура зоны сплавления разнородных сталей при образова­нии в наплавленном металле полуостровка (а) или островка (б) основного ме­талла, хЗОО.

и размеры сильно уменьшаются. Особенно много островков и по­луостровков образуется в зоне сплавления при сварке по приса­дочной проволоке.

Следовательно, можно считать, что образование в зоне сплавле­ния островков и полуостровков основного металла определяется условиями перемешивания жидкого металла сварочной ванны в узком слое, непосредственно прилегающем к границе плавления основного металла. Островки и полуостровки образуются в том случае, если жидкий металл в этом месте по каким-либо причинам перемешивается недостаточно. Об этом свидетельствует тот факт, что непосредственно у островков и полуостровков граница сплав­ления основного и наплавляемого металла имеет зигзагообразную форму, где зубья основного металла, углубляясь в наплавленный металл, теряют резкость своих очертаний, как бы размываясь (рис. 14). В случае хорошего (полного) перемешивания граница сплавления получает четкое очертание, подобно той, которая по­казана на рис. 10.

Тот факт, что количество и размеры наблюдаемых в зоне сплав­ления островков и полуостровков, а также вероятность их появ­ления зависят от режима сварки, позволяет считать, что они не

являются специфичес­кой особенностью свар­ки разнородных ста­лей. Есть основания по­лагать, что подобные вклинивания (включе­ния) имеют место в свар­ных соединениях любых металлов, выполненных дуговой сваркой. В свар­ных соединениях разно­родных сталей они об­наружены раньше в свя­зи с тем, что в таких соединениях сплавля­ются металлы, сильно отличающиеся по физи­ко-химическим свойст­вам, в результате йего вклинивания четко выявляются при трав­лении шлифа.

Приведенные виды структур в зоне сплавления разнородных сталей показывают, что присущие сварным соединениям таких ста­лей специфические осо­бенности кристаллиза­ции металла шва непо­средственно у границы сплавления действитель­но не вызывают образо­вания в зоне сплавле­ния той структурной неоднородности, кото­рую принято считать причиной недостаточной технологической проч­ности сварного соедине­ния или преждевремен­ного его разрушения.

Лишь в некоторых случаях в зоне сплав­ления разнородных ста­лей в состоянии после сварки го стороны наплавленного ме­талла можно заметить слой структуры, отличающейся от структуры остальной его массы (рис. 15). Такая зона является уже структурно неоднородной, так как здесь, если судить по отпечаткам индектора, изменяются свойства наплавленного металла. Указанный видіструк-

туры является следствием чрезмерного развития той части обра­зуемого в зоне сплавления разнородных сталей переходного слоя, которая имеет химический состав, способствующий образованию новой фазы.

Отмеченная неоднородность структуры в зоне сплавления раз­нородных сталей встречается в том случае, когда используемый в соединении высоколегированный металл имеет малую степень (малый запас) легирования. Именно в этом случае, как будет по­казано далее (см. гл. И. § 3), получает чрезмерное развитие та часть переходного слоя, в которой возможно образование новой фазы.