ТЕОРИЯ сварочных процессов

Процессы перераспределения дефектов кристаллического строения при технологической обработке металла

Изменение плотности и перераспределение дефектов кристал­лической решетки - процессы, которые протекают в металле, на­ходящемся в неравновесном состоянии после процесса холодного пластического деформирования или после быстрого (закалочного) охлаждения металла, имеющего высокую температуру.

Холодное деформирование приводит к увеличению плотности

дислокаций. У отожженного поликристаллического металла плот­ві 8 -2

ность дислокаций составляет 10 ...10 см, а после значительного

11 12 -2

деформирования она равна 10 ...10 см. Дислокации образуют замкнутые сплетения, которые разделяют металл на отдельные ячейки размером порядка одного микрометра. Ячейки разделены малоугловыми границами. Плотность дислокации внутри ячеек сравнительно невелика.

Холодное пластическое деформирование сопровождается на­клепом (повышением прочностных и снижением пластических свойств), а также изменением некоторых физических свойств, на­пример увеличением электрического сопротивления.

В процессе пластического деформирования также возрастает концентрация точечных дефектов - вакансий и междоузельных

і атомов и дефектов упаковки решетки. Неравновесная концентра­

ция образовавшихся вакансий СУН приближенно может быть оце - ' нена по соотношению

Сун»(1(Г4...1(Г5)е, (12.8)

[ где 8 - относительная деформация.

[. В случае быстрого охлаждения при закалке или сварке в ме­

талле также фиксируется неравновесная концентрация вакансий. При медленном охлаждении Сур уменьшается в результате анни-

!' гиляции вакансий на стоках, которыми служат внешние поверхно­

сти, границы зерен (субзерен) и дислокации. При ускоренном ох­лаждении Cv>p не успевает установиться, поэтому в металле І фиксируется часть вакансий, соответствующих более высоким

I температурам. На рис. 12.4 приведены расчетные значения нерав-

| новесной концентрации вакансий СУ И в железе для условий уско-

I ренного охлаждения при сварке.

I При нагреве металла с неравновесной концентрацией дефектов

I кристаллической решетки свыше температуры Гв~ 0,27^ в нем раз-

I вивается процесс возврата. Первая его стадия, протекающая без из­

менения внутренней структуры зерен, называется отдыхом, вторая, Ї связанная с формированием и миграцией малоугловых границ, -

| полигонизацией.

J'

| На стадии отдыха наиболее важной частью процесса является

І уменьшение избыточной концентрации вакансий (от Сун до

I Cvp). Вакансии мигрируют к дислокациям, границам зерен и

:: внешним поверхностям и там аннигилируют. Междоузельные

атомы аннигилируют на краевых дислокациях и при встрече с ва­кансиями. Скорость процесса возврата при отдыхе зависит от энергии активации само диффузии и от температуры. При одина­ковых относительно Тпл температурах (так называемых гомологи­ческих) скорость отдыха у разных металлов примерно одинакова, хотя их температуры сильно отличаются. Так, при нормальной температуре избыточные вакансии исчезают полностью у накле­панного алюминия, частично - у меди. Для начала движения вакансий у никеля требуется нагрев до 100 °С, а у железа - до

150.. .200 °С. Кроме того, при отдыхе происходят частичная пере­группировка дислокаций и аннигиляция дислокаций разного знака.

Результат отдыха - восстановление таких физических свойств, как электрическое сопротивление, а также смягчение пиков внутрен­них микронапряжений.

На стадии полигонизации происходит образование разделенных малоугловыми границами субзерен. Полигонизация представляет собой процесс развития возникшей при пластическом деформиро­вании ячеистой структуры. Размытые объемные сплетения дислока­ций вокруг ячеек становятся более узкими и плоскими и превраща­ются в субграницы, а ячейки - в субзерна. Процесс развивается при температурах более высоких, чем температура отдыха. Субграницы образуются в результате поперечного скольжения и переползания дислокаций в направлении достройки или сокращения экстраплос­костей. Хаотически распределенные дислокации выстраиваются в узкие стенки. Тело субзерна практически очищается от дислокаций. Решетки соседних субзерен получают небольшую разориентацию (до нескольких градусов). Скорость полигонизации контролируется относительно малой скоростью переползания дислокаций, которая определяется скоростью перемещения вакансий. Примеси, обра­зующие на дислокациях облака Коттрелла, тормозят полигониза - цию. Субзерна при продолжительной выдержке и повышении тем­пературы склонны к коалесценции, т. е. к укрупнению. Движущей силой в этом случае служит разность энергий субграниц до и после коалесценции. При дальнейшем повышении температуры развива­ется процесс первичной рекристаллизации.