Кристаллизация металла сварочной ванны второго типа.

Для кристаллизующегося металла в сварочной ванне второго типа ха­рактерны такие особенности кристаллизации:

1) большой объем и замедленное охлаждение металла, приво­дящие к увеличению размеров кристаллов;

2) равномерный теплоотвод по всему периметру шва, опреде­ляющий радиально-осевое направление роста кристаллов;

3) непрерывное наличие над растущими кристаллитами значи­тельного объема жидкого металла и шлака, облегчающее отделение от металла неметаллических включений.

Растущие кристаллы также имеют столбчатое, слоистое и денд­ритное строение. Растут они нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном теплоотводу. В рассматриваемом случае столбчатые кристаллы имеют две зоны (рис. 9.10): зону 1 крупных кристаллов, расположенных по периметру, и зону 2 относительно тонких кристаллов, развивающихся в центральной части шва. Иногда непосредственно у зоны сплавления наблюдается еще и узкая по­лоска очень мелкого зерна. Крупные и тонкие столбчатые кристал­лы имеют некоторый дополнительный_изгиб в сторону теплового центра сварочной ванны. Степень этого изгиба сильно зависит от формы металлической ванны.

Процесс кристаллизации металла в ванне второго типа также носит прерывистый характер и потому швы имеют слоистое строе­ние. Слои в общем случае повторяют очертания сварочной ванны, а столбча­тые кристаллы как бы прорастают сквозь эти слои (рис. 9.11).

Рис. 9.10. Зоны столбчатых кристаллов (продольное се­чение).

Рис. 9.11. Кристаллизационные слои в металле шва при электрошлаковой сварке.

Лекции 10-12. Основные понятия физики прочности и пластичности поверхностных слоев материалов.

Лекция 10. Происхождение и строение поверхностных слоев

При рассмотрении различий в физических свойствах поверхностных слоев и объема следует отметить, что различия эти минимальны, если по­верхность металла никогда не вступала во взаимодействие с внешней сре­дой и не подвергалась различным видам обработки. Но даже в таких иде­альных условиях поверхность должна обладать структурной особенностью кристаллической решетки. А главное, она должна быть носителем неизрас­ходованного запаса свободной энергии. После же различных видов механи­ческой обработки свойства и структура поверхности коренным образом из­меняются.

Поверхность кристаллического тела может возникнуть после кристал­лизации и охлаждения, после скола, после механической обработки резани­ем, шлифованием, полированием, после травления и электрополирования. Во всех случаях свойства поверхности носят отпечаток ее происхождения. Механическая обработка, шлифование и полирование непременно связаны с пластической деформацией. Поэтому поверхность может иметь в той или иной степени наклеп и текстуру. Степень пластической деформации может изменяться от незначительной величины до величины, когда, например, металл приобретает почти аморфное состояние (слой Бельби). В этом слу­чае кристаллики так измельчаются и перемешиваются, что даже на рентге­нограммах почти утрачивается возможность фиксации кристалличности.

Поверхностные слои кристалла, в частности металла, чаще всего не свободны от остаточных упругих напряжений. Последние возникают от не­однородности по сечению пластической деформации, от неравномерного распределения температур по объему при его нагреве и охлаждении и от неравномерности процесса фазовых превращений по сечению. Зафиксиро­ваны и изучены остаточные напряжения после пластического деформиро­вания, после нагрева и охлаждения, после фазовых превращений, после химической обработки поверхности, при электрическом осаждении метал­лов, после сварки, термической и химико-термической обработки. Остаточ­ные сжимающие и растягивающие напряжения компенсируют друг друга. Очень важно, какие напряжения располагаются на поверхности. Величина остаточных напряжений может превосходить и предел текучести для одно­осного напряженного состояния. Благоприятными остаточными напряже­ниями на поверхности являются сжимающие. Растягивающие напряжения способствуют росту поверхностных трещин и дефектов и, естественно, ока­зываются наиболее опасными. Большое значение имеет поверхность в процессе пластической де­формации. Поверхность, ее энергетическое состояние оказывают значи­тельное влияние как на деформацию тонкого приповерхностного слоя, так и на общий характер деформации образца. Пластическое течение металла - это процесс образования, движения и выхода на поверхность дислокаций, то есть поверхность, являясь, сама по себе дефектом, будет барьером для движущихся дислокаций. Возможны различные эффекты при взаимодейст­вии дислокаций с поверхностью: эффект выхода дислокаций, поверхностно­го торможения, поверхностного закрепления и силового поля.

Закономерности пластической деформации и разрушения поверхност­ных слоев твердого тела обусловлены тем, что свободная поверхность, являясь специфическим видом плоского дефекта в кристалле, оказывает существенное влияние на его физико-механические свойства, в частности: на упругую стадию деформирования, предел пропорциональности и предел текучести; на общий характер кривой "напряжение - деформация" и раз­личные стадии деформационного упрочнения (на коэффициент деформа­ционного упрочнения и длительность отдельных стадий); на процессы хруп­кого и усталостного разрушения, ползучести, рекристаллизации и др. Зна­ние особенностей и основных закономерностей микродеформации и разру­шения поверхностных слоев материалов необходимо не только примени­тельно к обычным методам деформирования (растяжение, сжатие, круче­ние, изгиб), но и в условиях реализации различного рода контактных воз­действий, с которыми связаны многочисленные технологические процессы обработки материалов давлением (ковка, штамповка, прокатка и др.), а так­же процессы трения, износа, схватывания, соединения материалов в твер­дой фазе, поверхностных методов обработки и упрочнения, шлифования, полирования, обработки металлов резанием и пр.