сивность перемешивания расплава. С увеличением этих показателей размер зерна уменьшается. Если действие повышения скорости охлаждения, приводящее к уменьшению времени роста зерна понятно, то влияние интенсивности перемешивания требует более подробного изучения.

Согласно диффузионной теории Нернста, поверхность кристаллов покрыта тонким слоем малоподвижного расплава («дворик» кристаллизации). Этот слой толщиной 6С и создает основное сопротивление диффузионному переходу вещества на поверхность растущего кристалла. Очевидно, что рост кристалла можно ускорить, уменьшив величину бс. Этого можно достичь за счет электромагнитного перемешивания металла и введения в сварочную ванну ультразвуковых колебаний.

В работе [43] было рассмотрено влияние амплитуды смещения кристалла под действием ультразвуковых колебаний Ак на величину 60 для следующих трех случаев: 1) Ак ^ бс;

2)АА — бс; 3) Лк бс. При этом толщина диффузионного слоя при наличии ультразвуковых колебаний будет соответст-

венно равна: 1) 6уз да 0,16с [д^] ; 2) буз = бс II— —1; 2

3)буз = бс —— Лк (где бс — толщина диффузионного слоя без ультразвуковых колебаний).

Как видно, наибольшее уменьшение толщины диффузионного слоя, а значит и наибольшая скорость роста кристаллов будет наблюдаться в первом случае. Причем рост кристаллов будет более интенсивным, если применять перемешивание металла в сочетании с его ультразвуковым колебанием. Это связано с дополнительным уменьшением бс за счет перемешивания и большей вероятности реализации первого случая.

Таким образом, использование перемешивания металла сварочной ванны за счет электромагнитных сил и ультразвуковых колебаний должно привести к повышению скорости роста зерна и увеличению его размеров. Однако на практике применение таких приемов всегда приводит к уменьшению размеров зерна. Это можно объяснить двумя причинами. Во-первых, как было показано, использование приемов, приводящих к перемешиванию металла, увеличивает число зародышей кристаллов. Во-вторых, при перемешивании металла может произойти диспергирование выросших кристаллов в результате захлопывания кавитационных пузырьков (см. гл. IV). Кроме того, дробление выросших кристаллов может быть вызвано силами вязкого трения, возникающими при движении твердых частиц относительно расплава.

Сила удара кристалла о встречное тело (кристалл, стенки

сварочной ванны, тугоплавкие частицы) [90]: Р = рк ираспл^, где рк — плотность кристалла; g — ускорение свободного падения; Ураспл — скорость перемещения расплава.

Для случая сварки сталей можно считать, что рк = 7,38 X X 103 кг/м3. Тогда для ираспл = 0,1 м/с Р = 35,3 Па; для Ураспл = 0,3 м/с Р = 44,1 Па; для ирасш1 = 1,0 м/с Р = = 353 Па.

С учетом незначительной прочности едва затвердевших кристаллов указанные силы, возрастающие с увеличением скорости перемешивания металла, могут оказаться достаточными для дробления кристаллов, что приведет к увеличению числа центров кристаллизации и, в конечном итоге, к получению мелкозернистой структуры. Кроме того, при электромагнитном перемешивании металла сварочной ванны измельчение структуры может происходить за счет изменения температурного режима сварочной ванны [82], поскольку структурообра-зование сталей зависит [13, 57, 90] от взаимного расположения изохрон ликвидуса жидкого металла и температурного поля вблизи фронта кристаллизации.

4. Сегрегация серы в сварных швах

Появление кристаллизационных трещин в сварном шве во многом определяется ликвационной неоднородностью металла. Как известно [281], при кристаллизации первые порции затвердевшего металла содержат наименьшее количество примесей. Примеси, оставшиеся в жидком металле, оттесняются от поверхности растущих кристаллов. При этом, поскольку вероятность захвата примесей кристаллами будет уменьшаться, концентрация растворенного вещества перед растущими кристаллами будет увеличиваться. По мере сближения зерен в зависимости от условий охлаждения то или иное количество примесей будет оседать на поверхности зерен. Наибольшее скопление примеси будет на зернах, которые затвердевают последними.

Поскольку процесс перемещения атомов примесей диффузионный, т. е. связан со временем, на ликвационные процессы заметно будут влиять скорости охлаждения и кристаллизации металла. Причем, чем ниже эти скорости, тем выше степень межзеренной ликвационной неоднородности.

Для сварочных процессов, характеризующихся высокими скоростями кристаллизации и охлаждения, ликвационные процессы протекают в меньшей мере, чем в крупных слитках. Однако и в условиях сварки наблюдается ликвационная меж-зеренная неоднородность [215], и степень ликвации зависит