§ 14. Кристаллизация металла шва и образование трещин

Кристаллизацией называется процесс образования зерен из расплавленного металла при переходе его из жидкого состояния в твердое. Различают первичную и вторичную кристаллизацию. Первичная кристаллизация протекает при высоких скоростях охлаждения и перехода из жидкого в твердое состояние с образованием столбчатой структуры. Вторичная кристаллизация начинается с распада первичной структуры и заканчивается при низких температурах образованием устойчивых нераспадающихся микроструктур.

Температуры, при которых происходят первичная и вторичная кристаллизации стали, и характер образующейся при этом структуры металла в зависимости от содержания углерода определяют по диаграмме состояния железо - углерод.

Кристаллизация металла сварочной ванны начинается в зоне сплавления от твердых кромок свариваемых деталей (рис. 17). Началом кристаллизации являются неполностью оплавленные зерна на кромках металла. Они наращиваются затвердевающими частицами металла сварочной ванны. Из сварочной ванны появляются зародыши новых растущих зерен. Такие частицы имеют очень низкую концентрацию углерода. По мере снижения температуры ванны и приближения к температуре затвердевания зародыши обогащаются углеродом, концентрация которого доходит до 0,07%.

Рис. 17. Кристаллизация металла шва: а - дендритная (столбчатая) структура однопроходного шва, б - дендрит А (увеличен), m - неполностью оплавленное зерно основного металла; 1 - ось первого порядка кристаллизации, 2 - ось второго порядка, 3 - ось третьего порядка; кружки - зародыши кристаллизации (будущие зерна)

При затвердевании металла происходят два явления: первоначальное образование зародышей зерен и последующий их рост за счет присоединения к ним новых зерен металла из сварочной ванны. Зародыши появляются первоначально на оси первого порядка (см. рис. 17), перпендикулярной плоскости отвода тепла. От оси первого порядка под углом возникают и растут зародыши на оси второго порядка. Могут образоваться зародыши и на оси третьего порядка и т. д., образуя кристаллиты, формой напоминающие деревья и называемые поэтому дендритами (от французского слова "дендрон" - дерево). Химический состав каждого дендрита может быть неодинаковым, что объясняет химическую неоднородность металла шва. Дендриты, образовавшиеся в конце процесса кристаллизации, загрязнены примесями в большей степени, чем первые затвердевшие дендриты, что наблюдается при низких скоростях охлаждения. Дендриты соприкасаются между собой и этим взаимно тормозят свое развитие. В результате этого их форма и направленность могут сильно искажаться.

Кристаллизация металла сварных швов имеет прерывистый характер. Под действием сил, появляющихся в процессе сварки и кристаллизации, металл сварочной ванны постоянно находится в движении. Эти силы придают металлу шва слоистый характер при любых условиях сварки (рис. 18). Чем сильнее теплоотвод и меньше объем жидкого металла, том тоньше кристаллизационный слой. Слоистый характер затвердевшего металла выражается чешуйчатостью шва. Кристаллизационные слои в любом сечении шва могут быть рассмотрены на специально подготовленных макрошлифах.

Рис. 18. Схема кристаллизационных слоев в шве: а - поперечное сечение стыкового соединения, б - внешний вид (чешуйчатость) шва

С возрастанием количества дендритов механическая связь между ними увеличивается, что повышает работоспособность металла шва. Число дендритов пропорционально скорости охлаждения.

При однопроходной сварке дендриты имеют форму столбиков (рис. 17), такую структуру называют столбчатой.

Зерна металла шва обычно имеют округлую форму. Зерна основного металла по форме отличаются от зерен металла шва тем, что они деформированы и вытянуты в направлении прокатки.

Находящиеся в сварочной ванне примеси и загрязнения (окислы, шлаки и др.) имеют более низкую температуру затвердевания, чем металл; они располагаются по границам зерен, ослабляя их сцепление между собой.

Форма шва влияет на расположение неметаллических включений. В широких и неглубоких швах эта включения вытесняются наверх и могут быть легко удалены; в узких и глубоких швах включения часто остаются между дендритами и зернами. При образовании между дендритами легкоплавких загрязнений, например сульфида железа FeS с температурой плавления 1190°С, в охлаждаемом шве могут появиться горячие трещины. Они возникают под влиянием растягивающей усадочной силы и называется трещинами усадочного характера.

Трещины могут возникнуть в металле из-за действия водорода. Атомарный водород соединяется в молекулы и создает большие давления внутри зерен, что приводит к образованию трещин.

Трещины возникают в металле под влиянием мартенситного превращения. Мартенсит обладает меньшей удельной плотностью (7,5 г/см³) по сравнению с удельной плотностью перлита (7,8 г/см³), это ведет к созданию дополнительных внутренних напряжений (натяжений) между частицами металла, что вызывает появления трещин.

Трещины могут возникать и от выпадения из растворов частиц сульфидов, фосфидов, нитридов, закиси железа и др., что объясняется внутренними напряжениями.