параметра в слитке непрерывного литья от скорости затвердевания установил В. И. Добаткин [8]. Эти данные получили всеобщее признание и никаких сомнений не вызывают. Характерно, что уменьшение размеров зерна (в разных сплавах) по мере увеличения скорости охлаждения происходит ступенчато, а изменение дендритного параметра —■ плавно.

Таким образом, при быстром охлаждении измельчение зерна может происходить по одному из следующих механизмов: снижение скорости роста зерен, уменьшение критического размера зародыша, увеличение числа граней зародыша, принимающих участие в кристаллизации (активация граней с более высокой разориентировкой), гомогенного зародышеобразования, рекристаллизации. Быстрое охлаждение способствует также увеличению концентрации твердого раствора, уменьшению ликвации, кристаллизации метастабильных фаз, что в целом может оказать большее влияние, чем собственно измельчение зерен. При измельчении дендритов с разориентировкой осей может исчезнуть непрерывная сетка эвтектических прослоек. Например, при переходе от аргонодуговой к электронно-лучевой сварке наблюдается не только измельчение макроструктуры, но и уменьшение дендритного параметра, увеличение содержания легирующих элементов в твердом растворе, а вместо непрерывной сетки выделений наблюдаются отдельные небольшие по размеру включения избыточных фаз.

Кристаллизация металла шва характеризуется скоростью кристаллизации vKp, мм/с; скоростью охлаждения йТ1йт, К/с, или сК}/с[т, Дж/с, которую рассматривают либо со стороны основного металла, либо со стороны ванны; градиентами температуры на краю ванны в на-ппавлении теплоотвода с1Тт/с1к и д.Тж1йу,, К/мм; переохлаждением Д7\ К- Допускается, что перечисленные факторы различным образом сказываются на внутреннем строении зерна и на поперечном сечении макрозерна (кристаллита)

Рассмотрим, чем определяется переохлаждение в процессе затвердевания. В характере затвердевания при получении слитка и сварного шва имеется существенное различие. В первом случае размеры формы неизменны, тепло в основном отводится через наружную поверхность, интенсивность теплоотвода, отнесенная к единице массы сплава, пропорциональна отношению охлаждаемой поверхности к общей массе сплава и находится в обратной зависимости от температуры наружной поверхности. Температура наружной поверхности, в свою очередь, зависит от условий охлаждения, в частности от коэффициента теплоотдачи к охладителю, но не может быть ниже температуры охлаждающей среды. Это вносит ограничения в интенсивность теплоотвода, от которого зависит средняя скорость кристаллизации.

Для уяснения механизма переохлаждения сопоставим баланс теплоты на фронте затвердевания сварочной ванны, которая увеличивается в основном за счет теплоты, вносимой сварочным источником и расходуется на теплоотвод в толщу основного металла (главная часть) и в окружающую среду. Величина теплоотвода зависит от теплопроводности, толщины и температуры свариваемого металла. Кроме того, при анализе процесса кристаллизации следует учитывать выделение

теплоты кристаллизации QL, теплопроводность в твердом и жидком металлах Я,т и %ж, конвекцию жидкости QK. Известно, что скорость охлаждения dTr/dT — f(dTr/dx, Хт), аТж/ат = /(аТж/ак, dQK/dx., dQddv., Яж), т. е. скорость охлаждения в твердом теле, зависит от градиента температуры и теплопроводности, а в жидкости — и от возможной конвекции в ванне. Очевидно, что в квазиравновесных условиях на краю ванны (на фронте кристаллизации) справедливо уравнение Тк + AT — Тж, где Тк — температура переохлаждения металла; Тж — равновесная температура кристаллизации, Тж = Т0. Баланс тепла на краю ванны выражается уравнением QT = Qx + Qa + Ql, где Qr — теплоотвод в толщу основного металла; ЭЖ + -f-QK—тепло источника нагрева, передаваемое этим источником теплопроводностью и конвекцией. Иными словами, сохраняется равенство между теплом, выделяемым источником нагрева, теплом, уходящим в толщу основного металла, если не учитывать потери тепла в окружающее пространство. В случае сварки плавлением (при установившемся процессе) размеры и форма шва приобретают различные значения в зависимости от количества подводимого тепла (погонной энергии). Средняя скорость сварки вдоль шва является постоянной величиной. Однако любое увеличение погонной энергии при одной и той же скорости приведет к увеличению поперечного сечения ванны и соответственно*'к усилению теплоотвода до уровня, отвечающего росту погонной энергии. В результате изменятся значения скоростей кристаллизации в пределах каждого слоя. При нарушении баланса фронт кристаллизации смещается в ту или иную сторону, а шов становится уже или шире.

В определенных условиях переохлаждение зависит от скорости охлаждения объема жидкости. По расчетам Г. Ф. Баландина [10], переохлаждение должно быть максимальным в тот момент кристаллизации расплава, когда скорость охлаждения его равна скорости кристаллизации.

Экспериментальное определение фактической величины переохлаждения в слитке и особенно в металле шва представляет технически достаточно сложную задачу в связи с тем, что конец погружаемой в ванну термопары соизмерим с размерами слоя и кристаллита. Поэтому вместо величины переохлаждения ДТ измеряют скорость охлаждения в твердом металле dQjdx. Величина dQJdi для сварочных условий можег быть установлена не только экспериментально, но и расчетом по формулам Н. Н. Рыкалипа. Пример такого расчета приведен в работе [17]. Имеются попытки увязать ДТ1 со скоростью охлаждения dT/dr, например в уравнении 0,0lnVo&T = dTlch, где V0— обьем. Поскольку п также зависит от Д7\ нельзя однозначно утверждать, что чем выше теплоотвод или градиент температуры в жидкой ванне, особенно при малых скоростях кристаллизации, тем выше переохлаждение, чего можно было ожидать исходя из того, что без теплоотвода вообще не может быть и переохлаждения.

Экспериментальные данные о величине переохлаждения при изменении скорости охлаждения немногочисленны. Так, по результатам работы [!)] эффект переохлаждения на чистом алюминии не превышает