СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ

Кристаллизация металла шва и образование трещин

Кристаллизацией называется процесс обра­зования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Различают' первичную и вторичную кристалли­зацию. Первичная кристаллизация протекает

т

а) Ь)

Рис. 17. Кркталлюшра металла шва:

а — дендритная (столбчатая) структуре однопро­ходного шва, б — дендрит А (увеличен), т — непол­ностью оплавленное зерно основного металла; / — ось первого порядка кристаллизации, 2 — ось вто­рого порядка, 3 — ось третьего порядка; кружки — зародыши кристаллизации (будущие зерна)

при высоких скоростях охлаждения и перехода из жидкого в. тердос состояние с образованием столбчатой структуры. Вторичная крис­таллизация начинается с распада первичной структуры и заканчивается при низких темпе­ратурах образованием устойчивых нераспадаю- щихся микроструктур.

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

Кристаллизация металла сварочной ваниы начинается в зоне сплавления от твердых кро­мок свариваемых деталей {риг. 17). Началом кристаллизации являются неполностью оплав­ленные зерна на кромках металла. Они наращи­ваются затвердевающими частицами мет шла сварочной ваины. Из сварочной ванны появля­ются зародыши новых растущих зерен. Такие частицы „п. іеют очень низкую концекг >аццю углерода. По мере снижения температуры ван­ны и приближения к температуре затвердевания зародыши обогащаются углеродом, концент­рация которого доходит до 0,07%.

При затвепдеванш: металла nf ои’ходят два явления: первоначальное образование зароды­шей зерен и последующий их рост за счет при­соединения к ним новых зерен металла из сва­рочной ванны. Зародыши появляются первона­чально на оси первого порядка (см. рис. 17), 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 поряді а и т. д., образуя гфисталлиі ь., формой
напоминающие деревья и называемые поэто - му дендритами (от французского слова «ден - дрон». —, 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 проиесое сварки и кристалли­зации, металл сварочной ванны постоянно на­ходится в движении. Эти силы придают металлу шва слоистый характер при любых условиях сварки (рис. 18). 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 (рис. 17), такую структуру называют столбчатой.

Зерна металла шва обычно имеют округлую форму. Зерна основного металла по форме от­личаются от зерен металла шва тем, что бни 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 спепление 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 называется трещинами усадочного харак­тера.

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

Трещины возникают в металле под влия­нием маргенситного 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 напряжений (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 напряжениями.