Рис. 28. Характер изменения скорости кристаллизации в пределах одного слоя.

при росте кристаллов от затравок возможна только в том случае, если скорость отвода теплоты от расплава равна скорости выделения теплоты кристаллизации.

Процесс реальной кристаллизации v^тt происходит при некотором переохлаждении АТ^ ДГкр, которое определяет соответствующую скорость изотермической кристаллизации (рис. 29) 115]. Однако в этот момент й(±1йх v^тt следовательно, переохлаждение должно увеличиваться, а значит, возрастает и и&т,, как показано на участке АВ. В момент т2, когда устанавливается максимальное переохлаждение, скорости теплоотвода (Дж/см) и кристаллизации выравниваются. Этому моменту соответствует уже другая скорость — изотермической кристаллизации и&Тг. Если температура не изменяется дальше, то не изменяется и скорость кристаллизации, оставаясь все время на этом уровне, однако теперь она уже больше скорости теплоотвода. Это неминуемо влечет за собой отвод тепла не только через твердую фазу, но и через жидкий расплав, т. е. ведет к снижению переохлаждения, а это, в свою очередь, вызывает такое снижение скорости кристаллизации, что в момент т3, когда переохлаждение вновь равно Л7\, скорость кристаллизации опять равна С дальнейшим уменьшением разности между скоростями обоих процессов переохлаждение продолжает уменьшаться и кристаллизация заканчивается при каком-то определенном переохлаждении АТп, которому соответствует скорость кристаллизации у&тп. Реальная кристаллизация не может быть изотермической. Переохлаждение расплава перед межфазным фронтом должно все время изменяться с такой скоростью й (АТ)1йт, какая необходима для того, чтобы компенсировать разницу скоростей отвода теплоты от расплава й(±т1дх и выделения теплоты кристаллизации ^ф/Ус?т.

Из-за существования высоких температурных градиентов в жидкой фазе серповидная переохлажденная область расплава перед межфазным фронтом очень тонкая. Поэтому выделение теплоты кристаллизации на межфазном фронте приводит к быстрому исчезновению переохлажденной области, а непрерывный теплоотвод через твердую фазу способствует ее повторному образованию.

Следовательно, несовпадение скоростей теплоотвода и выделения теплоты кристаллизации является причиной периодичности процесса затвердевания металла при сварке. Протяженность пере-

Рнс. 29. Схема кристаллизации плоской отливки [10]:

(йх/йХ) Ьу — скорость кристаллизации; йх/(№ — линейная скорость фронта последовательной кристаллизации.

охлажденной области расплава, периодически образующейся перед межфазным фронтом, приблизительно можно оценить по толщине кристаллизационных слоев металла сварного шва. В действительности она превышает эту толщину. Например, при сварке образцов чистого алюминия постоянным током обратной полярности / = 90 А со скоростью 6 м/ч толщина кристаллизационных слоев по оси шва составляет 0,04—0,06 мм.

И каждом кристаллизационном слое можно заметить наличие двух-трех участков. Первый (начальный) участок обеднен, последний обогащен примесями по сравнению с серединой слоя. Для объяснения этого явления предложена трехстадчйная модель кристаллизации. Согласно этой модели длительность периода изменения скорости роста складывается из трех стадий: стадия снятия перегрева и достижения термического переохлаждения; стадия накопления примеси перед фронтом кристаллизации и образования концентрационной депрессии переохлаждения и стадия поглощения накопившейся примеси за счет ускоренного роста первичных осей дендритов и затвердевания междендритной жидкости или объемной кристаллизации с образованием зародышей перед фронтом кристаллизации. Длительность третьей стадии Г. А. Славин [16] разделил на время роста главных осей'дендритов и время затвердевания междендритной жидкости.

Физическая картина роста кристаллита в пределах одного слоя следующая. С момента, когда фронт кристаллизации стоит на месте, начинает развиваться переохлаждение, но еще нет кристаллизации до достижения известного критического переохлаждения АТг. Затем происходит кристаллизация с возрастающей скоростью. Скорость понижения температуры остается неизменной до определенного максимума переохлаждения. К данному периоду скорость затвердевания по упомянутой зависимости возрастает также до максимума. Выделившаяся при этом теплота не успевает уйти в твердый металл, а переходя в жидкий, снимает переохлаждение. В результате затвердевание прекращается. В каждом последующем слое процесс повторяется. Кроме изложенной, предлагались также другие гипотезы слоистой кристаллизации: наличие прерывистого поступления теплоты сварочного источника, наличие примесей и др. Следует, однако, иметь в виду, что характер слоистой кристаллизации мало меняется в разных сплавах и наблюдается даже на чистейшем алюминии.

Понятие о ведущем значении термического переохлаждения позволяет объяснить, почему при равной скэрости сварки в малой сварочной ванне вырастают более мелкие кристаллы, чем в большой, несмотря на одно и то же исходное число зерен в свариваемом металле на единицу площади проплавления и равные значения скорости кристаллизации по формуле М. В. Шаманина. Можно утверждать, что в малой ванне переохлаждение снимается быстрее, чем в большой, следовательно, здесь действительная скорость кристаллизации, точнее разрастания граней, ниже. Установлено, что при кристаллизации металла шва с большой скоростью слои вблизи линии сплавления повторяются с меньшими интервалами. Расстояние между слоями по мере удаления от края шва к центру увеличивается.