Структура зварного шва.
Кристалізація рідкого металу шва відбувається в специфічних умовах, характерних для зварного з'єднання тому безпосереднє перенесення законів кристалізації зливка на процес затвердіння металу шва неможливе. Разом з тим особливості процесу кристалізації надають визначальний вплив на структуру.
механічні властивості шва, схильність його до гарячих а холодних тріщин та інші властивості зварного з'єднання. Тому інтерес до дослідження особливостей кристалізації рідкого металу проявляється фахівцями з початку широкого застосування зварювання.
Первинна структура металу шва привернула увагу багатьох дослідників. Це було викликано як впливом первинної структури на фізико-хімічні властивості зварних сполук, а й тим, що отримані відомості могли пролити світло на особливості кристалізації рідкого металу.
Н. ф. Лашко і С. В. Лашко-Авакян 139] висловили власну точку зору на процесі сс кр лалізації змінювала шва. На думку, при зварюванні має місце не періодичність кристалізації, а перервність, внесена умовами зварювання. Головною причиною переривчастої кристалізації є переривчасте надходження теплових їм
пульсів, що підводяться до металу в процесі зварювання в результаті введення у зварювальну ванну порцій рідкого металу.
Ця дискусія, що тривала кілька років, сприяла інтенсивному вивченню первинної структури металу шва багатьма дослідниками [3, 4, 9, 43, 64].
Дещо пізніше Б. І. Брук [8], застосувавши для дослідження кристалічної будови металу шва радіоактивні ізотопи, показав, що радіоактивна сірка дуже чітко виявляє шаруватий характер структури шва. Це вказувало на наявність зв'язку між складною структурою тарозподілом сірки у металі. На основі отриманих даних їм було висловлено припущення, що наявність шарів пов'язане з нерівномірним розподілом домішок, що ліквідують, при кристалізації металу шва, викликаним мінливістю відношення швидкостей надходження і відведення тепла.
Слід зазначити, що багато років при аналізі будови і структури металу шва не залучалося на перший погляд цілком очевидне положення про те, що метал шва безпосередньо після кристалізації перших обсягів зазнає досить складний процес пластичного деформування.
Якщо скористатися пластинами з попередньо полірованою поверхнею п вжити заходів захисту металу шва і пластини від повітря, можна спостерігати після зварювання на поверхні зварного з'єднання сліди пластичної макро- і мікродеформації. За допомогою такої методики Б. С. Касаткін та А. К. Царюк [21] спостерігали на ділянці, розташованій поблизу зони сплавлення, наявність смуг, які за частотою та орієнтацією ідентичні кристалізаційним шарам, що зазвичай спостерігаються на макрошліфах при травленні. Ці деформаційні лінії є скупчення нових недосконалостей (дислокацій і вакансії). Оскільки смуги утворюються при високих температурах, домішки інтенсивно дифундують смугу, утворюючи скупчення сірки, фосфору, водню і включень.
У 50-60-х роках для вивчення первинної структури металу шва було розроблено та застосовано низку оригінальних методик. Зокрема, дуже ефективною виявилася методика радіографічних досліджень. Радіоактивні ізотопи вводилися в електродний дріт, основний метал або покриття електрода. Ця методика дозволила отримати безпосередні дані про характер розподілу в металі шва найнебезпечніших домішок: сірки, фосфору, вуглецю. Про одну з таких робітвже згадувалося [8]. Ряд робіт з вивчення розподілу домішок у металі шва за допомогою радіоактивних ізотопів сірки та фосфору було виконано Л. А. Позняком [81, 82, 95]. Зокрема, їм було показано, що підвищення вмісту вуглецю посилює дендритну ліквацію сірки. Вуглець сприяє збагаченню сіркою периферійних ділянок кристалітів, створюючи значне перенасичення сіркою твердого розчину та часткове виділення з нього сульфідів.
За допомогою спеціального травлення та електронного мікроаналізатора «Натяку» в низьковуглецевих зварних швах виявлено сіток тонких сульфідних прошарків за межами первинних кристалітів, особливо чітко сітка проявляється в місцях збігу меж первинних кристалітів та вторинних зерен [76].
Для вивчення хімічної неоднорідності первинної структури зварної сполуки Б. А. Мовчан розробив методику мікрорентгенографії [67, 68]. Використовуючи цю методику та гіпотезу В. А. Архарова про можливість адсорбційних процесів у полікристалічній речовині, він проаналізував механізм утворення збагачених (хром, вольфрам та ін.) та збіднених (марганець) поверхневих шарів первинних зерен. Отримання прямих даних поширення легуючих елементів у металі шва дозволило розглянути процеси кристалізації та легування металу шва з урахуванням можливості розвитку адсорбційних процесів.
Істотно розширилися можливості вивчення первинної структури металу із розробкою та освоєнням методики електролітичного травлення [89, 91]. На відміну від методів, що раніше застосовувалися (глибоке травлення, багаторазове травлення) електролітичне травлення дозволило досить чітко виявляти окремі тонкі особливості первинної структури і спостерігати її при великих збільшеннях.
Цікаві додаткові відомості проособливості первинної структури металу шва були отримані за допомогою рентгеноструктурного аналізу та електронної мікроскопії [16, 17, 90]. Рентгенографічний аналіз дозволив встановити, що для ділянок шва, розташованих біля лінії сплавлення, з чіткими кристалізаційними шарами і дрібними дендритами характерні вищі напруги другого роду і великі блоки [90] а-фази в порівнянні з центральними ділянками шва, в яких кристалізаційні шари не спостерігаються .
Вторинна структура металу шва на вуглецевих і низьколегованих сталях вивчалася багатьма дослідниками з початку широкого застосування зварювання у промисловості та будівництві. Характер вторинної структури залежить від хімічного складу металу шва та від термодеформаційного циклу зварювання. Ці залежності досить докладно викладені у багатьох монографіях, згаданих на початку глави. Тому зупинимося лише на деяких дослідженнях, які, на наш погляд, дозволили отримати нові дані про вторинну структуру металу шва.
Великий практичний та теоретичний інтерес має вивчення взаємозв'язку між первинною та вторинною структурами зварних швів. За допомогою електролітичного полірування та травлення в ІЕС ім. Е. О. Патона вдалося виявити поєднану картину первинної та вторинної структур металу шва, яку можна було спостерігати під мікроскопом [19]. Ці дослідження показали, що сітка меж феритних зерен дробить дендрити незалежно від їхньої хімічної неоднорідності. В результаті цього утворюється внутрішньозеренна, а в деяких випадках зонна (група зерен) хімічна неоднорідність фериту.
Висока чистота підготовки поверхні шліфів та контрастність виявлення структурних складових при електролітичному поліруванні та травленні дозволили виявити на електронному мікроскопі.мікросубструктуру: субзерна та найбільш дрібні структурні складові металу – блоки [17, 18]. Розмір блоків залежно від швидкості охолодження може змінюватися в інтервалі 15-80-10 см. Було висунуто припущення, що порівняно дрібна субструктура у поєднанні з характерною для металу шва хімічною неоднорідністю є однією з основних причин підвищеної міцності та холодостійкості шва в порівнянні зі звичайною низьковуглецю сталлю.
Тривалий час термічний цикл зв'язування був визначальним при аналізі вторинної структури металу, хоча були непрямі дані про вплив на структуру деформаційних процесів, що дуже активно розвиваються у шві.
Застосування спеціальних методів досліджень дозволило виявити низку особливостей структури металу шва, які важко було пояснити з позицій термоциклів та термокінетичних діаграм.
Початок розвитку пластичної деформації металу шва можливий безпосередньо після кристалізації перших обсягів металу. У міру охолодження характер пластичної деформації послідовно змінюється і до моменту повного охолодження металу шва зазнає досить складний процес деформування. При дуже високих температурах інтенсивно розвиваються такі види пластичної деформації, як міжзеренне поскалькування по кордонах, міграція останніх, внутрішньозеренне ковзання і два протилежно спрямовані процеси: рекристалізація, пов'язана з укрупненням зерен і повгонізація, що супроводжується дробленням зерен.
У міру зниження температури характер пластичної деформації змінюється і спостерігається послідовно перехід від високотемпературної до аекотемпературної. Ці зміни
Особливості розподілу дислокацій визначаються дуже нерівномірним розвитком пластичної деформаціїу зварному шві в складних умовах напруг, що безперервно змінюються, і температури.
У багатошарових швах особливо висока щільність дислокацій спостерігається в кореневому шарі і верхніх шарах; при цьому відзначається високий ступінь невпорядкованості та нерівномірності їх розподілу за обсягом. У меншій мірі це спостерігається у металі валиків, підданих повторному нагріванню.
Вплив деформаційного циклу на вторинну структуру металу шва спостерігалося також у роботах [20, 21]. На фіксованих мікро ділянках було встановлено, що феритна сітка збігається з розташуванням смуг проковзування по межах полігональних зерен, що спостерігаються на вихідній поверхні металу шва, а орієнтоване розташування ланцюжків дрібнодисперсних включень цементиту всередині зерен відповідно збігається зі слідами поло з ковзання на поверхні металу.
Часто при зварюванні плавленням на межі переходу від металу шва до зони термічного впливу спостерігається утворення загальних зерен. У ці зерна включені литий метал і основний, нагрітий до високих температур, але не розплавлений. Зазвичай виникнення загальних зерен пояснюється спільною кристалізацією при зварюванні. Однак такий підхід не дає можливості пояснити низку специфічних особливостей формування загальних обсягів. Більш того, наявність ділянок литого та перегрітого металів, включених в єдине загальне зерно, наводить на думку про те, що його формування відбувається у твердій фазі та визначається процесами, що розвиваються після завершення первинної кристалізації металу шва. Проведені дослідження на попередньо фіксованих ділянках переходу від металу шва до зони термічного впливу свідчать про те, що утворення загальних зерен, ймовірно, визначається розвитком високотемпературної деформації нацих ділянках [22].