filebar
Методические пособия по сварочным работам

Кристаллизация металла шва и образование горячих трещин

Процесс кристаллизации представляет собой переход вещества из жидкого состояния в твердое и должен сопровождаться уменьшением свободной энергии. С точки зрения термодинамики должна существовать вполне определенная температура T0, при которой чистый жидкий металл находится в равновесии с твердым металлом. При этой температуре свободные энергии или термодинамические потенциалы твердой и жидкой фаз равны. Ниже T0 (температуры кристаллизации) стабильной является твердая фаза, поскольку ее энергия меньше, а выше T0 -— жидкая фаза по тем же причинам. Уменьшение энергии системы при переходе жидкости в твердую фазу возрастает по мере понижения температуры по сравнению с T0 или увеличения переохлаждения.

Образование зародыша новой фазы (в данном случае зародыша твердой фазы или кристалла) связано с затратой энергии на образование новых поверхностей раздела. Поэтому возникновение устойчивых зародышей оказывается возможным не при равновесной температуре T0, а лишь при некоторой более низкой температуре Т, т. е. при определенном переохлаждении, при котором затрата энергии на образование зародыша компенсируется понижением энергии системы, вызванным появлением зародыша твердой фазы определенного размера. При кристаллизации сплавов существует интервал температур, в котором в равновесии могут существовать твердая и жидкая фазы. Линии ликвидус и солидус на диаграммах состояния отражают условия равновесия фаз. Теория кристаллизации строится на основных закономерностях, установленных для кристаллизации чистых металлов, сплавов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, и сплавов эвтектического состава.

Большинство элементов обладает ограниченной растворимостью в алюминии. Поэтому типичной диаграммой для системы Al — второй элемент является диаграмма с эвтектикой. При кристаллизации сплава N при медленном охлаждении (кристаллизация в равновесных условиях) состав выпадающих кристаллов твердого раствора изменяется от S1 до S2 и по линии солидуса от точки K1 до точки K2- Кристаллизация заканчивается в точке K2 образованием кристаллов твердого раствора, имеющего состав сплава S2.

Для образования из жидкого раствора кристаллов равновесного состава, т. е. для осуществления равновесной кристаллизации, необходимы определенные условия. В частности, необходимо в течение всего процесса кристаллизации поддержание равновесной разности концентраций на границе твердой и жидкой фаз. Последняя определяется расстоянием по горизонтали между линиями ликвидуса и солидуса. Это возможно при определенном перераспределении атомов растворителя и растворенного элемента на фронте кристаллизации. Процесс поддержания равновесных концентраций на границе фаз называют процессом разделительной диффузии.

Учитывая, что в жидком растворе сравнительно легко происходит выравнивание состава за счет диффузии и конвективного перемешивания, равновесная концентрация в слое жидкости, примыкающем к поверхности кристалла, может восстанавливаться или поддерживаться за счет роста кристалла, имеющего повышенную концентрацию алюминия по сравнению с составом жидкости, из которой он кристаллизуется. Благодаря этому возможно обогащение примыкающего к его поверхности слоя жидкости растворенным элементом до равновесной концентрации.

Одновременно с этим при равновесной кристаллизации предполагается выравнивание состава кристалла по сечению за счет диффузии в твердой фазе. Для достаточно полного протекания этих процессов необходима очень медленная скорость охлаждения. В реальных условиях охлаждения эти процессы проходят, как правило, неполностью.

В первую очередь подавляется процесс выравнивающей диффузии в твердой фазе, вследствие чего возникает неоднородность по сечению кристаллита (дендритная ликвация) и отклонение его среднего состава в сторону увеличения содержания алюминия по сравнению с равновесным. Протекание разделительной диффузии возможно при сравнительно больших скоростях охлаждения вследствие высоких скоростей диффузии в жидкости и конвективного ее перемешивания.

Случай кристаллизации при полном подавлении диффузии в твердой фазе и полном выравнивании состава жидкости, т. е. полном прохождении разделительной диффузии, изучался многими исследователями. Этот случай кристаллизации, наиболее близкий к условиям сварочного процесса, при некоторых допущениях поддается математическому анализу. На основе уравнений, предложенных рядом исследователей, можно рассчитать состав и соотношение твердой и жидкой фаз при любой температуре в интервале кристаллизации, ход кривой изменения среднего состава твердого раствора и температуру конца кристаллизации.
Яндекс.Метрика