Возникающие в сварочной ванне конвекционные потоки в связи е воздействием газодинамической и электромагнитной сил должны приводить к рассредоточению нерастворившихся тугоплавких частиц.

3.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ СВАРНОГО ШВА

Процесс кристаллизации расплавленного металла, как и процесс плавления, связан с переходом к состоянию с меньшей свободной энергией. Если считать, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое объем его изменяется мало (для большинства металлов среднее изменение плотности составляет 3 %), то справедливо выражение и = Р + (II — полная внутренняя энергия системы; Р — свободная энергия системы; Т£ — связанная энергия системы, здесь Т — абсолютная температура; 5 — энтропия — функция вероятности состояния, имеет максимум при равновесии).

С понижением температуры изменение величины Р для жидкого и твердого металла различно (см. рис. 3.1), что обусловливает существование в определенном интервале температур того или иного состояния металла с наименьшей свободной энергией. Такой равновесной температурой для системы твердый металл — жидкость является температура Та на рис. 3.1. Однако при этой температуре свободные энергии жидкого Р№ и твердого /-г металлов равны, поэтому активного перехода одного состояния в другое не происходит. Для того чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо отклонение от равновесной температуры — переохлаждение жидкого металла на АГК. При этом свободная энергия металла изменится на Д/к. Практически влиять на степень переохлаждения возможно, изменяя скорость охлаждения металла, увеличение которой увеличивает АТК (рис. 3.2). Однако не следует считать, что увеличение степени переохлаждения может быть беспредельным, предельное значение зависит от природы металла. Например, по данным Ю. М. Лахтина, при охлаждении расплавленного олова может быть достигнута степень переохлаждения 118 °С, при охлаждении сурьмы 135 °С.

Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость образований (построений) атомов, создающих центры дальнейшей кристаллизации при самопроизвольном процессе. Естественно, чем меньше АТК и чем ближе температура, при которой протекает процесс, к равновесной, тем меньше размер и ниже устойчивость образующихся центров кристаллизации. Это обстоятельство определяется связью размера /? образующегося зародыша кристаллизации с изменением свободной энергии А/к. С одной стороны, с увеличением размера зародыша свободная энергия должна уменьшаться с увеличением объема жидкого металла, переходящего

Скорость охла/кдения

Рис. 3.2. Влияние скорости охлажде- Рис. 3.3. Влияние размера кристалла ния металла иа степень его переохла- при переходе из жидкого состояния в ждеииятвердое на изменение свободной энер-

гии металла

в более равновесное при данном переохлаждении твердое состояние (рис. 3.3, кривая 1), с другой — увеличение размера зародыша приводит к увеличению его поверхности, а следовательно, к увеличению поверхностной энергии (кривая 2).

В результате взаимодействия этих двух факторов изменение свободной энергии характеризуется кривой, имеющей максимум (кривая 3). Представленная закономерность свидетельствует о том, что на первых стадиях рост зародыша приводит к увеличению свободной энергии, в связи с чем его существование будет неустойчивым (группы атомов будут рассредотачиваться с такой же активностью и вероятностью, как и собираться), и только после достижения зародышем определенного критического размера Якрит он станет устойчивым, начнет расти, поскольку увеличение его размера вызывает снижение свободной энергии металла.

Критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения (рис. 3.4), что приводит к созданию условий для образования большего числа зародышей.

Одновременно с появлением зародышей начинается их рост — подстройка атомов с образованием соответствующей кристаллической решетки. Естественно, что и процесс роста кристалла в расплаве (переход из жидкого состояния в твердое) связан с отклонением от равновесной температуры (степенью переохлаждения). И скорость зарождения кристаллов va и скорость их роста ур повышаются с увеличением степени переохлаждения (рис. 3.5). Однако повышение скорости образования зародышей при переохлаждении идет быстрее, чем повышение скорости их роста. Чем больше переохлаждение, тем больше разница скоростей этих процессов. Поэтому при малых степенях переохлаждения (малых скоростях охлаждения) закристаллизовавшийся металл оказывается более крупнозернистым, чем при больших степенях пере-