Кристаллизация металла шва

Кристаллизация - это переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое с образованием зерен из расплава. Кристаллизация ванны начинается от готовых центров, зародышей кристаллизации - в основном от оплавленных зерен основного металла. Размер зерен зависит от объема жидкого металла, скорости охлаждения (величины теплоотвода). Чем быстрее охлаждение ванны, тем тоньше кристаллический слой и меньше размеры зерен. При газовой сварке нагрев и охлаждение происходят медленней, поэтому зерна больше по размеру. Металл шва имеет более выраженное столбчатое строение, так как состоит из вытянутых (столбчатых) кристаллов, растущих при кристаллизации в направлении, обратном теплоотводу. Центрами кристаллизации могут быть мелкие тугоплавкие твердые частицы, находящиеся во взвешенном состоянии. Растущие кристаллы называют в металловедении кристаллитами.

Кристаллиты могут быть различными по строению: ячеистые, дендритные и ячеисто-дендритные. Чем чище металл, тем строение ближе к ячеистому.

Ячеистая структура - это ряд параллельных ячеек, вытянутых в направлении кристаллизации, т. е. в направлении отвода тепла. Границы ячеек образованы скоплением примесей. По направлению к центру сварочной ванны ячейки увеличиваются по размеру. На ячейках могут появиться ветви, и ячеистая структура переходит в дендритную (столбчатую). Дендриты (от греческого - дерево) - это древовидные кристаллы, образующиеся при кристаллизации в условиях направленного отвода тепла. От ствола дендритной структуры под углом возникают и растут ветви. При образовании осей кристаллизации одновременно пространство между ними заполняется жидким, более чистым металлом.

Чаще всего сварные швы имеют столбчатое строение кристаллов. В общем случае строение кристаллов зависит при сварке от чистоты металла в сварочной ванне, от загрязняющих примесей, скорости охлаждения ванны, величины сварочного тока. Размеры столбчатых кристаллов могут быть от 0,3 до 3,0 мм. В зоне сплавления - более мелкие кристаллиты, а ближе к центру шва - крупные с дендритно-ячеистой структурой. Кристаллизационные слои рассматривают под микроскопом на специально подготовленных микро- и макрошлифах с фотографированием.

На завершающем этапе затвердевания в ванне кристаллитов могут образовываться горячие трещины (кристаллизационные трещины). Трещины образуются от загрязнений, которые имеют более низкую температуру плавления, чем железо. Эти загрязнения при охлаждении шва долго находятся между кристаллитами в жидком и полужидком состоянии и не могут сопротивляться растягивающим силам в процессе усадки охлаждающегося металла шва, и от этого по границам кристаллитов появляются трещины. Это не единственная причина появления горячих трещин, так как условия несвободной усадки шва и линейного сокращения металла при охлаждении влияют более значительно на их появление.

Холодные трещины образуются при нормальной температуре, или до 200ºС. Это местные межкристаллические разрушения. Они возникают под влиянием имеющихся в металле водорода, нитридов, сульфидов, фосфидов, а также остаточных сварочных напряжений или закалки ЗТВ.

При содержании в сталях фосфора больше допустимых норм сталь приобретает хладоломкость. Первая авария на первой в России железной дороге (скол рельса при -26ºС) произошла по причине большого содержания фосфора в металле.

Газовая сварка Сварочные работы Строение сварного шва