Очевидно, главной причиной прерывистой кристаллизации при сварке является периодическое изменение термического переохлаждения. Влияние концентрационного уплотнения перед фронтом кристаллизации в данном случае имеет подчиненное значение.

Таким образом, параметры процесса кристаллизации связаны между собой сложной зависимостью, которая и в наше время не может быть выражена математически. Тем не менее качественная картина данной зависимости за последние десятилетия проясняется. Несомненно, что из четырех величин — переохлаждение АГ, скорость образования центров кристаллизации п, скорость кристаллизации V и параметры (размер и др.) образующихся кристаллов — термическое переохлаждение является аргументом, а три остальные — функциями. Труднее ответить на вопрос, в какой зависимости находится само по себе переохлаждение от теплофизических показателей процесса, т. е. от скорости теплоотвода (в Дж/с или К/с) или градиентов температуры (соответственно в К/с и К/см).

3. Фазовый состав

Существуют диаграммы равновесные и неравновесные (метаста-бильные). Первые относятся к малым скоростям охлаждения металла в процессе кристаллизации, не превышающим нескольких градусов в минуту, а вторые — к большим, достигающим 107— 109К/с. Наиболее полно изучены равновесные диаграммы и опубликованы в периодической печати и обобщённых монографиях и справочниках, например [13—16]. Метастабильные диаграммы разработаны в меньшей степени. Метастабильная диаграмма состояния отличается от равновесной в основном расширенными или суженными областями твердых растворов на основе одного из компонентов и (или) изменением числа и состава промежуточных фаз. Следует иметь в виду, что в реальных условиях кристаллизация слитка всегда идет неравновесно, т. е. состав последовательно кристаллизующихся фаз отличается от состава фаз, находящихся в равновесии при данной температуре. Для малых скоростей охлаждения это отличие относится к равновесной диаграмме состояния, а для больших — к метастабильной. Во время быстрого затвердевания появлению новых метастабильных фаз способствует низкое значение энергии Гиббса зародышеобразования и более высокая скорость роста в сравнении с термодинамически стабильными фазами [22].

Так, при скорости роста более 1 мм/с в микроструктуре преобладает метастабильная эвтектика А1 + А1вРе вместо стабильной А1 + + А13Ре. В системе А1 — Мп вместо А1еМп, образуется А14Мп [9]. Скорость охлаждения вблизи фронта кристаллизации в случае сварки алюминия ориентировочно составляет от нескольких К/с для газовой (ацетилено-кислородным пламенем) или электрошлаковой сварки до 102—103 К/с для электронно-лучевой сварки в вакууме, т. е. в относительно узком диапазоне скоростей, при которых кристаллизация протекает в более неравновесных условиях, чем в слитке, что объясняется малыми размерами сварочной ванны.

Рассматривают следующие процессы, определяющие фазовый состав образующегося слитка: диффузия атомов в жидкости, диффузи атомов в твердом теле и взаимодействие между твердой и жидкой фазами. Для образования из жидкого расплава кристаллов равновесного состава требуется такое перераспределение атомов разного сорта на фронте кристаллизации в расплаве, чтобы возникла равновесная разность концентраций, определяемая по горизонтали между кривыми ликвидуса и солидуса диаграммы состояния .Этот процесс называется разделительной диффузией. При такой диффузии слой жидкого расплава, прилегающий к поверхности растущего кристалла, обогащается более легкоплавким компонентом. Одновременно в жидком растворе должен выравняться состав между слоем жидкости, обогащаемой одним из компонентов вблизи поверхности растущего кристалла, и участками расплава, удаленными от фронта кристаллизации. Этот процесс может развиваться не только вследствие диффузии в жидкости, но и посредством конвекции. Состав последовательно растущих слоев кристалла определяется при любой температуре соответствующей точ-, кой равновесного солидуса. Между слоями кристалла, имеющими разный химический состав, должна проходить выравнивающая диффузия в твердом металле.

Указанный процесс является наиболее медленным по сравнению с двумя предыдущими. Если все они завершаются полностью, то состав твердой фазы в любой точке кристалла определяется по кривой солидуса и кристаллизация заканчивается при температуре равновесного солидуса. Если же хотя бы один из рассмотренных процессов не успевает полностью завершиться, то возникают отклонения от равновесной кристаллизации. Степень полноты прохождения разделительной диффузии, выравнивающей диффузии в твердой и жидкой фазах, а также межфазного взаимодействия зависит от скорости кристаллизации (скорости охлаждения на фронте кристаллизации). При малых скоростях кристаллизации прежде всего, естественно, подавляется выравнивающая диффузия в твердом металле. Коэффициент диффузии здесь на несколько порядков ниже, чем в жидкости. По данным А. В. Курдюмова [23], коэффициенты диффузии обычных элементов и примесей в жидком и твердом материале отличаются примерно в 10* раз. Например, диффузия меди в алюминии Овв0 составляет 2 • Ю-15 м2/с, а в 0873— 3,9 • 10"" м2/с [24]. К тому же в жидком растворе в принципе возможен дополнительный процесс, выравнивающий состав,— конвекция. При переходе алюминия из твердого состояния в жидкое происходит незначительное увеличение коэффициента диффузии водорода, что может быть объяснено высокой его подвижностью не только в жидком материале, но и в твердом. Так, по данным работы [25] независимо от агрегатного состояния коэффициент диффузии водорода в различных алюминиевых сплавах находится в пределах 10~6—Ю-7 м2/с. При увеличении скорости кристаллизации уже не успевает полностью проходить выравнивание состава в жидком расплаве. Наконец, при еще больших скоростях кристаллизации тормозится разделительная диффузия, что приводит к образованию пересыщенных твердых растворов. В алюминиевых сплавах, свойства