Главная → Статьи

Физическое строение металлов и сварных соединений

Основой химического элемента, в том числе и металлов, является атом, состоящий из электрически положительного заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Способность атомов соединяться друг с другом, образовывая связи различной прочности, объясняется разницей в электронном строении элементов. Свойства атома, а также связь между собой атомов одних и тех же элементов и атомов различных элементов зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням. Соединение отдельных атомов между собой и образование атомных комплексов обусловливает создание молекул химических соединений, образование атомных агрегатов металлов и других веществ. Эта способность атомов одного и того же или различных веществ образовывать неразъемное соединение является важнейшим фактором при сварке металлов. Основой образования неразъемных соединений является взаимодействие электронов, а движущей силой этого взаимодействия-—стремление атомов к образованию завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов. Возможность отдачи электронов одними атомами и присоединения их другими создает положительно и отрицательно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. Оставшиеся у ионов заполненные или незаполненные оболочки, взаимодействуя, определяют строгую закономерность расположения атомов-ионов в пространственной кристаллической решетке. Характер этого расположения атомов определяет вид пространственной кристаллической решетки. Для соединения двух металлов имеет значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения атомов, т. е. для сварки, будут при одинаковых кристаллических решетках, однотипных решетках с близкими параметрами и атомами с близкими размерами. В реальных условиях четкая закономерность нарушается наличием несовершенств кристаллической структуры, которые определяют основные механические свойства металлов— способность сопротивляться воздействию внешних сил, способность к деформации при нагружении, склонность к хрупкости и поведение при сварке.

Металлы как кристаллические вещества при данных температуре и давлении характеризуются строго определенным пространственным расположением атомов, т. е. металл в твердом состоянии при данной температуре имеет энергетически устойчивое кристаллическое строение с минимумом свободной энергии, которой обладает атом или комбинация атомов. Нагрев или охлаждение вносят в состояние атомов энергетические изменения, а это может привести к перестройке в их взаимном расположении с минимумом свободной энергии. Следовательно, изменение температуры приводит к изменению свободной энергии. Однако до определенных температур нагрева металл остается кристаллическим телом. Повышение температуры приведет к дальнейшему изменению энергетического состояния атомов, близкому к энергетическому состоянию жидкости. При увеличении нагрева цельность металлической решетки нарушается, а в отдельных участках могут сохраняться отдельные группировки относительно закономерно построенных атомов. В силу энергетических условий они не могут быть устойчивыми, поэтому происходит их систематическое разрушение и образование. Эти группировки атомов в процессе кристаллизации становятся центрами кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем из“более крупных кристаллов будет состоять металл при переходе из жидкого состояния в твердое. Следовательно, условия плавления металла оказывают влияние на процесс кристаллизации и соответственно на свойства металла сварного шва. Однако из-за большого перегрева металла в сварочной ванне к моменту кристаллизации останется очень мало указанных центров кристаллизации или они вообще будут отсутствовать. Поэтому в сварочную ванну необходимо вводить искусственные центры кристаллизации, природа и количество которых зависят от условий сварки и используемых сварочных материалов, состава основного и присадочного металлов.

В связи с многообразием условий образования и охлаждения сварочной ванны кристаллизация ее происходит значительно сложнее по сравнению со слитком. В месте горения дуги металл сварочной ванны имеет температуру, значительно превышающую температуру кристаллизации (около 2300°С). С удалением от очага дуги температура жидкого металла снижается и вблизи кромок и ранее закристаллизовавшегося металла становится близкой к температуре кристаллизации. На линии, проходящей через дугу и свариваемые кромки, температура расплава на границе жидкого и твердого металлов выше, чем в местах ближе к хвостовой части ванны, поэтому рост кристаллов в хвостовой части ванны значительно опережает рост кристаллов у кромок в зоне максимальных температур.

Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другую, который называется аллотропическим (полиморфным) превращением и подчиняется законам кристаллизации. После перехода металла из жидкого состояния в твердое (перекристаллизация) изменяется его кристаллическое строение. Перекристаллизация как при нагреве, так и при охлаждении является очень важным фактором, влияющим на кристаллическую структуру, зернистость и свойства металлов. При сварке перекристаллизация позволяет нарушить неблагоприятное строение в виде вытянутых столбчатых кристаллов и создать более мелкозернистую структуру. Перегретые при сварке зоны основного металла можно за счет дополнительного нагрева с последующим охлаждением вновь сделать мелкозернистыми.

Упругая и пластическая (остаточная) деформация металла в зоне сварного соединения, связанная с локальным нагревом при сварке плавлением, оказывает в ряде случаев решающее влияние на формирование качественного сварного соединения. Деформация происходит под действием внешних сил. При упругой деформации после устранения этой внешней силы форма и размеры металлической конструкции восстанавливаются, а при пластической — остаются неизменными. В процессе сварки и охлаждения металл сварного соединения подвергается сложному температурно-дефор-мационному воздействию. После остывания в зоне шва и прилегающих к нему небольших участков основного металла остаются высокие напряжения и соответствующие упругие деформации. Механизм пластической деформации связывают с перемещением несовершенств кристаллического строения металлов. Однако перемещение несовершенств (дислокаций) происходит не свободно, а с задержкой у различных препятствий, создающих условия для увеличения сопротивления, а следовательно, и усилия для продвижения последующих дислокаций. Поэтому по мере перемещений дислокаций и соответственно роста пластической деформации металл упрочняется, что приближает стадию его разрушения. Явления, происходящие в металле при пластической деформации, повышают свободную энергию металла, связанную с тем, что упругопластические преобразования в процессе охлаждения приводят к возникновению высокого уровня остаточных сварочных напряжений, вызывающих в отдельных кристаллитах сдвиговую деформацию, а в остальных — упругие искажения. Такое состояние металла сварных соединений делает его более предрасположенным к образованию очагов разрушения под влиянием внешних нагрузок. Повысить термодинамическую устойчивость металла сварного соединения и приблизить ее к основному металлу можно с помощью нагрева, при котором происходят процессы возврата структуры металла и рекристаллизации.

На первой стадии нагрева металла при сравнительно невысокой температуре начинаются изменения, связанные с дефектами кристаллического строения. При дальнейшем повышении температуры в некоторых металлах развивается вторая стадия возврата структуры металла.„Чаще всего это бывает в металлах при нагре-ве^после небольших деформаций или в процессе горячей деформации при пониженной температуре. При дальнейшем нагреве начинается процесс первичной рекристаллизации. Небольшое дальнейшее повышение температуры или увеличение времени пребывания при температуре начала рекристаллизации приводит к изменению структуры металла, когда металл приобретает высокую пластичность, а созданная наклепом повышенная прочность снижается. За первой стадией рекристаллизации следует вторая, при которой за счет диффузионных процессов происходит активный рост зерен. Процессы рекристаллизации имеют разностороннее зна-’ чение при формировании сварных соединений. При дуговой сварке процесс рекристаллизации влияет на строение и свойства сварного соединения. Термодеформационный цикл сварки создает упругоплаетическую деформацию и высокий уровень остаточных сварочных напряжений. Неравномерность упругопластической деформации при сварке обусловливает различную степень деформирования кристаллитов и их рост. В конечном итоге это приводит к тому, что в сварном соединении возникает четко выраженная разнозернистость, отрицательно влияющая на свойства металла, особенно на его вязкость.

Разрушение металлов чаще всего наступает на завершающей стадии холодной пластической деформации. Для деформации и разрушения сварных соединений возникновение и развитие микропластической деформации в отдельных кристаллитах имеет серьезное значение, и, в частности, может быть одной из основных причин появления холодных трещин, которые образуются в различных зонах сварных соединений (в основном в зоне теплового влияния) через различные интервалы времени после завершения сварки. Для возникновения трещин необходимо наличие усилий, вызывающих упругую и локальную, или микропластическую деформацию. В ненагруженном сварном соединении такими усилиями являются остаточные сварочные напряжения. Поэтому все явления, ведущие к повышению уровня остаточных сварочных напряжений, способствуют появлению холодных трещин. Это может быть большая скорость охлаждения, концентрация и пересечение сварных швов, жесткие и замкнутые контуры сварных участков, резкие переходы сечений, локализация нагрева. Принимая меры к устранению указанных факторов, можно предотвратить появление холодных трещин.

Металл зоны сварного соединения в основном характеризуется таким же комплексом свойств, как и свариваемый металл. Однако в связи с тем, что в сварном соединении может быть значительная разница в свойствах металла различных зон, свойства сварного соединения оценивают по его отдельным зонам и сварного соединения в целом.

Ваш отзыв