Слои кристаллизации

Учеными установлено, что слои кристаллизации хорошо выявляются в швах малого сечения; в однослойных крупных швах слои кристаллизации находятся вблизи основного металла; в кратерах сварных швов, кристаллизация которых происходит после отключения источника нагрева, кристаллизационные слои бывают у линии сплавления и проявляются гораздо слабее, чем в основной части сварных швов.

Одной из основных причин образования кристаллизационных слоев является избыточная теплота кристаллизации. В сварных швах может возникать слоистая неоднородность, связанная с образованием кристаллизационных слоев.

Каждый кристаллизационный слой состоит из трех основных участков:

а) нижнего начального участка слоя с наибольшим содержанием углерода, серы и фосфора, отличающегося интенсивным почернением;

б) среднего участка слоя, наиболее широкого, характеризующегося сравнительно однородным почернением, содержание углерода, серы и фосфора в котором обычно соответствует среднему содержанию названных элементов в металле шва;

в) верхнего участка слоя, характеризующего интенсивное ослабление почернения, наибольшего у границы контакта с нижним участком следующего слоя.

По новым опытным данным процесс образования слоев происходит следующим образом: огромные скорости кристаллизации сварочной ванны как результат большой скорости отвода тепла и наличие готовых центров кристаллизации на оплавленной поверхности основного металла вызывают интенсивное выделение теплоты кристаллизации, которая приводит к резкому повышению температуры сварочной ванны перед фронтом кристаллизации.

При повышении температуры жидкого металла перед фронтом кристаллизации начавшаяся кристаллизация прекращается.

Металл, закристаллизовавшийся до остановки процесса кристаллизации, образовал первый слой, который к началу остановки процесса кристаллизации образовал два характерных участка. Первый участок возникает в результате кристаллизации тонкой прослойки жидкого металла, примыкающей к оплавленной поверхности и не участвующей в конвективном движении. Указанная прослойка обогащена углеродом, серой и фосфором вследствие перемещения этих элементов из примыкающих участков основного металла. Второй участок кристаллизуется из жидкого металла исходного состава. Вследствие большей скорости кристаллизации затвердевший металл этой ванны по однородности близок к жидкому металлу, из которого он образовался.

Во время перерыва в процессе кристаллизации из-за понижения температуры жидкого металла до температуры кристаллизации в верхней части второго участка формируется третий участок слоя, более обедненный углеродом, серой и фосфором. Образование последующих слоев происходит аналогичным способом. В процессе формирования столбчатых кристаллитов из каждого оплавленного кристаллита основного металла произрастает целая группа одинаково направленных дендритов, составляющих столбчатый кристаллит. Различная направленность главных осей дендритов определяется направлением теплоотвода, а размеры дендритов зависят от размеров столбчатых кристаллитов. Чем крупнее столбчатые кристаллиты, тем крупнее и разветвленнее дендриты. В процессе затвердевания сварных швов перед фронтом растущих кристаллитов маточный раствор насыщается различными примесями, а так как в самую последнюю очередь затвердевает средняя часть швов, то обычно в ней сосредотачивается максимальное количество примесей.

От величины и характера химической неоднородности зависят физико-химические и механические свойства сварных швов. Величина и характер химической неоднородности зависят от скорости охлаждения.

С увеличением погонной энергии (т. е. с уменьшением скорости охлаждения) с 5000 до 15000 кал/см столбчатые кристаллиты растут в верхней части шва, а в корне растут незначительно.

Увеличение скорости охлаждения способствует уменьшению дендритной неоднородности по фосфору, сере и приводит к некоторому измельчению вторичной структуры и более равномерному распределению углерода и перлита. Изменение скоростей охлаждения предварительным нагревом или охлаждением влияет на развитие внутризеренной неоднородности. При сварке низкоуглеродистых делегированных сталей внутризеренная неоднородность и неоднородность по слоям кристаллизации невелика. Особенно незначительна однородность по углероду.