Лекция 9. Влияние поверхностных сил на процесс образования сварного соединения.

Первичная кристаллизация металла.

Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается перегруппировкой атомов из неупорядоченного их расположения в упорядоченное, закономерное, определяемое кристаллической решеткой. Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называ­ется кристаллизацией. Как установил еще Д. К. Чернов, кристал­лизация состоит из двух элементарных, одновременно протекающих процессов:

1) зарождения зародышей, или центров кристаллизации;

2) роста кристаллов из этих центров.

Первоначально вырастают оси кристаллов, характеризующиеся симметрией 1,2-го и последующих порядков. Затем заполняются межосевые пространства и образуются кристаллы, «скелет» кото­рых имеет дендритное, или древовидное, строение. На основе этих общих представлений сложились две теории кристаллизации ме­таллов — непрерывной и периодической кристаллизации.

Теория непрерывной кристаллизации раз­работана Г. Тамманом на основе исследований кристаллизации ор­ганических веществ при различных температурах. Г. Тамман уста­новил, что при переохлаждении жидкого расплава в нем самопро­извольно зарождаются центры кристаллизации и начинается рост кристаллов. В связи с этим скорость кристаллизации определяется как числом центров (ч. ц.) кристаллизации, зарождающихся в еди­ницу времени, так и линейной скоростью роста кристаллов (с. к.) в единицу времени. Соотношение этих величин определяет размер образующихся кристаллов.

При переохлаждении п = 0 (рис. 9.1) значения ч. ц. и с. к. также равны нулю, т. е. кристаллизация невозможна из-за отсут­ствия переохлаждения. С появлением небольшого переохлаждения ч. ц. и с. к. вначале возрастают. Здесь положению I отвечает относительно небольшое число центров при максимуме скорости роста кристаллов. В этом случае следует ожидать образования немногочисленных, но крупных кристаллов. Значительному пере­охлаждению жидкости в положении II отвечает максимальное число центров кристаллизации ч. ц., но относительно малая скорость рос­та кристаллов с. к. Тогда будет образовываться мелкое зерно.

Теория непрерывной кристаллизации Г. Таммана предполагает спокойное затвердевание жидкости — без перемешивания жидкого металла внутренними конвективными потоками, при равномерном распределении температур в кристаллизующемся объеме, тогда как в действительности таких условий обычно не бывает. Следовательно, теория непрерывной кристаллизации имеет ограниченное примене­ние для реальных жидких металлов.

Рис. 9.1. Графики зависимости скорости роста кристаллов (с. к.) и числа центров кристаллизации (ч. ц.) от величины пере­охлаждения n.

Рис. 9.2. Часть диаграммы состояния сплавов, образую­щих непрерывный ряд твер­дых растворов.

Теория периодической кристаллизации развита в работах советских ученых школы акад. Н. Т. Гудцова. Согласно этой теории кристаллизация металлов протекает с оста­новками вследствие периодического выделения скрытой теплоты кристаллизации, приостанавливающей равномерное течение про­цесса. Поскольку кристаллы растут с некоторыми остановками т.е. слоями, центрами кристаллизации для каждого последующего слоя становятся различные неровности на поверхности предыдущего слоя.

Процесс кристаллизации имеет известную направленность: кри­сталлы растут в направлении, обратном теплоотводу, в глубь жидко­сти, причем внешняя форма их зависит от условий соприкосно­вения друг с другом.

В современных представлениях о кристаллизации сплавов осо­бая роль отводится диффузионным процессам. Возьмем для примера сплав концентрации С₁ (рис. 9.2). При его переохлаждении от Т_л до Т₁ в жидкой фазе образуются зародыши твердой фазы, в которой растворённый элемент содержится в количестве, определяемом ли­нией солидуса Тс при температуре T₁, т. е. точкой Б.

Рис. 9.3 Схематическое изображе­ние продольного сечения сварочной ванны первого типа.

Непосредственно окружающая твердую фазу жидкость будет обогащаться растворенным элементом. Содержание его при температуре Т₁, опре­делится положением линии ликвидуса Т_Л, т. е. точкой А.

При температуре Т₁ на поверхности раздела жидкой и твердой фаз установятся известные граничные равновесные концентрации. Вследствие разности концентраций растворенного элемента в твер­дой и окружающей ее жидкой фазе равновесие может нарушаться за счет диффузионных процессов, конвекции. При этом растворен­ный элемент будет перемещаться в глубь жидкости. Тогда соответ­ствующая часть атомов основного металла для восстановления равно­весия перейдет из жидкой фазы в твердую, что приведет к дальней­шему развитию кристаллизации. Развивающуюся кристаллизацию принято называть избирательной, или диффузионной.

Возможен и другой механизм кристаллизации. На том же рис. 9.2 показана линия Т_о, характе­ризующая равенство термодинами­ческих потенциалов жидкой и твер­дой фаз одинакового состава. При температуре ниже Т_о термодина­мический потенциал твердой фазы будет меньше соответствующего по­тенциала жидкой фазы. Поэтому после переохлаждения жидкого сплава концентрации С₁ до темпе­ратуры Т₂ начнется интенсивный рост твердой фазы за счет присое­динения любых атомов, находящихся в контакте с твердой фазой — атомов примеси или металла. В твердой фазе (точка Б₁) при темпе­ратуре Т₂ содержание растворенного элемента будет примерно то же, что и в жидкой фазе исходного состава.