2. Кристаллизация металла шва

Согласно представлениям, изложенным в работе [61, при превращении сплавов из жидкого состояния в твердое различают процесс затвердевания, обязательно сопровождающийся отводом теплоты («сскрытой» и физической), и кристаллизации, при которой происходят химические реакции с образованием конгломерата кристаллов. Для большинства металлов оба термина по сути синонимы. При затвердевании слитка или шва протекают одновременно тепловые процессы, определяющие кинетику образования твердой фазы, и собственно кристаллизационные, определяющие структуру получаемого металла. Сопоставление кинетики указанных процессов особенно наглядно показывает их внутреннее противоречие в случае затвердевания слитка. Здесь скорость теплоотвода падает во времени, а скорость объемной кристаллизации в тех же тепловых единицах возрастает, тогда как тепловые и кристаллизационные процессы взаимно связаны. Ход затвердевания слитка контролируется теплоотводом, а кристаллизационный процесс вынужден приспосабливаться к нему путем изменения переохлаждения. При образовании металла шва колебания переохлаждения связаны с теплоотводом и притоком тепла сварочного источника. Теплоотвод здесь уже не является самостоятельным ведущим фактором, вследствие чего при одной и той же его величине может быть достигнуто различное переохлаждение, что ведет к различной структуре шва. На непрерывное подвижное равновесие между теплоотводом и притоком тепла, которого нет в слитке, накладывается выделение теплоты кристаллизации, что происходит с иной скоростью, чем теплоотвод в толщу уже затвердевшего металла.

Выделение теплоты кристаллизации и ее поглощение возможно по двум направлениям: в сторону затвердевшего металла и в противоположную, т. е. в расплав. Естественно, скорость передачи тепла в сторону затвердевшего металла отличается от скорости «сброса» тепла, т. е. передачи ее в жидкий расплав. При этом скорость сброса тепла в жидкость имеет переменные значения, затухая к концу каждого слоя, В настоящее время отсутствуют данные о распределении теплопотоков вблизи фронта кристаллизации, что затрудняет установление каких-либо зависимостей. Можно предположить, что переохлаждение тем больше, чем выше скорость теплопотока в толщу затвердевающего металла и ниже доля тепла, передаваемого жидкому расплаву.

При описании строения слитка или шва кроме характеристики кристаллизации сплава учитывают также структуру фронта кристаллизации, изменение линейной скорости и другие прикладные вопросы его формирования. В равновесных условиях кристаллизация чистейшего алюминия происходит при постоянной температуре, равной 933,61 К- При этом выделяется теплота кристаллизации в количестве 10,7 Дж/моль. Одновременно приведенная энергия Гиббса Ф°(Т) системы без учета поверхностной энергии образующихся кристаллов остается неизменной и составляет 35,676 Дж(/моль • К). Вклад поверхностной энергии кристаллов составляет 5—25 (мк • Дж/)см2. Изменение энергии Гиббса С системы в случае затвердевания металла

'о

Рис. 19. Зависимость приведенной энергии Гиббса жидкой (I) и твердой (2) фазы от температуры системы.

показано на рис. 19. При температуре Т0 значения б жидкого и твердого металла одинаковы. Ниже температуры кристаллизации более устойчива твердая фаза, поэтому понижение .температуры жидкого металла только до температуры Т0 оказывается недостаточным для самопроизвольной кристаллизации, которая может развиваться только при понижении данной энергии. Для начала кристаллизации жидкость необходимо охладить несколько ниже Т0, на величину переохлаждения, равную Д7\ В отличие от стали, «первичная» структура металла на алюминиевых сплавах сохраняется практически без изменений от начала затвердевания до полного охлаждения при комнатной температуре, если

не рассматривать возможные процессы рекристаллизации. Поэтому понятие о «вторичной» структуре обычно здесь не применяется. Большой вклад в теорию кристаллизации слитков из алюминиевых сплавов внесли А. А. Бочвар, В. И. Добаткин, И. И. Новиков, применительно к сварным швам существенное значение имеют работы А. А. Алова, С. В. Лашко и ряда других отечественных и зарубежных исследователей. Структура металла шва может быть сопоставлена со структурой слитка, получаемого методом непрерывного (полунепрерывного) литья и в меньшей степени одноразовой заливки. Близкими по многим параметрам являются слиток непрерывного литья и шов при электрошлаковой сварке. Условия кристаллизации металла сварочной ванны имеют ряд отличий от условий кристаллизации отливок и слитков: относительно малый объем ванны и непродолжительное существование металла при интенсивном перемещении в расплавленном состоянии; наличие движущегося фронта кристаллизации, связанного с перемещающимся источником нагрева; значительный градиент температур и перегрев некоторых объемов сварочной ванны; разное направление и величина перепада температуры в отдельных участках ванны; неоднородность жидкого металла в разных участках сварочной ванны, особенно проявляющаяся при соединении разнородных и разноименных материалов и др.

Структура металла шва определяется его составом, способом и режимом сварки. В свою очередь, состав шва во многом зависит от соотношения расплавленных основного и присадочного металлов. В меньшей мере здесь сказываются особенности структуры основного металла. Элементом структуры металла шва, как известно, является кристаллит, соответствующий зерну слитка. В структуре кристаллита можно выявить более тонкое строение, аналогичное субзеренному в отливке или слитке. По сути, кристаллит представляет собой пучок одинаково ориентированных субзерен, объединенных силами металлической связи. Полагают, что каждое субзерно вырастает из одного зародыша, поэтому такая их направленность в кристаллите свидетель-