3. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ СПЛАВОВ И МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

При различнБ1Х методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода сварочной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка сварного соединения. Во многом образование сварочной ванны и ее кристаллизация зависят, как показано в работах А. А. Ерохина, Г. Л. Петрова, И. К- Походни, Н. Н. Прохорова и др., от технологии сварки, однако существуют общие закономерности плавления и кристаллизации, имеющие важное значение для образования металла шва при дуговой сварке плавлением.

3.1. ПЛАВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОВ, СВАРОЧНАЯ ВАННА

Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся при данных условиях строго определенным пространственным расположением атомов. Такое расположение атомов у каждого металла обусловлено их энергетическим состоянием (взаимодействие электронов с ядром) и соответственно минимумом свободной энергии Т7 системы атомов. Таким образом, металл в твердом состоянии при данной температуре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое кристаллическое (атомное) строение с минимумом свободной энергии Р.

Нагрев или охлаждение изменяют энергетическое состояние атомов, т. е. амплитуду колебаний атомов (отклонения от узловых положений), энергетические условия внутри самого атома. Все это может привести к изменению их взаимного расположения, которое при данной температуре будет соответствовать минимуму свободной энергии системы атомов при изменившемся энергетическом состоянии. Свободная энергия любой системы атомов с повышением температуры уменьшается с определенной скоростью. Поэтому, если свободная энергия системы -у атомов при температуре ниже 7\ (рис. 3.1) больше свободной энергии системы а атомов, а при температуре выше 7\ наоборот, то модификация системы а будет устойчивой ниже температуры Т1г а системы у выше этой температуры.

Однако до определенной температуры нагреваемый металл остается кристаллическим телом с тем или иным расположением атомов в кристаллической решетке. Повышение температуры бу-

твердый метам _i_

Рис. 3.1-. Изменение свободной энергии F кристаллического вещества н его расплава прн повышении температуры: 1 *- a-Fe; 2 — y-Fe; 3 — жидкость

дет приводить к дальнейшему изменению энергетического состояния атомов, возрастут вероятность их отрыва от узлов и вероятность разрушения кристаллического комплекса на отдельные колонии. В этот период энергетическое состояние металла приближается к энергетическому состоянию расплава, поэтому при достижении определенной температуры ?2 свободная энергия жидкости станет ниже свободной энергии даже высокотемпературной модификации кристаллического тела (см. рис. 3.1). При температуре Т2 могут сосуществовать твердое кристаллическое вещество и его расплав.

Чтобы достигнуть полностью жидкого состояния, нужен некоторый перегрев на величину ДТп (разница в свободной энергии Д/п). Однако жидкое состояние металла, особенно при температуре, не намного превышающей равновесную температуру плавления, нельзя представлять как состояние при полностью разрушенной атомной кристаллической решетке. Существует даже мнение, что в жидком состоянии металл сохраняет кристаллическую решетку, но с сильно возросшим числом вакансий. В качестве доказательства приводится то обстоятельство, что при переходе из твердого состояния в жидкое плотность большинства металлов изменяется всего на 3 %. Этой величиной и оценивается доля вакансий у жидкого металла, в то же время у твердого она составляет ~0,1 %.

Такое представление о строении жидкого металла, по-видимому, может быть справедливо при небольших степенях перегрева. При увеличении перегрева цельность металлической решетки должна нарушаться, на отдельных участках могут сохраняться группировки относительно закономерно построенных атомов. Эти группировки в силу энергетических условий не могут быть устойчивыми, поэтому систематически будет происходить их разрушение в одном месте и образование в другом. Размер и устойчивость этих группировок должны зависеть от степени отклонения от равновесных энергетических условий — от равновесной температуры плавления. Чем больше это отклонение и чем выше температура перегрева ДТП, тем меньше размер группировок атомов и тем ниже их устойчивость.

Такие группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении ниже равновесной температуры Т2 они станут элементами для надстройки новых атомных слоев и образования кристаллов, т. е. естествен-