Размер зерна, от которого зависит склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин, будет определять­ся ходом процесса кристаллизации. Рассмотрим процесс пер­вичной кристаллизации металла и факторы, влияющие на этот процесс.

Так же как и при образовании любой новой фазы, началь­ной стадией процесса образования кристаллов в расплаве яв­ляется появление в нем зародышей. Согласно [2811, в условиях равновесия в жидкости присутствуют комплексы атомов со структурой, соответствующей структуре твердой фазы. Эти комплексы могут разрастаться в кристалл только втом случае, если при данной температуре их размер будет больше критиче­ского размера зародыша. Радиус устойчивого зародыша сфе­рической формы [281]

ГкР = 2оГ£/1п, АГ, (V.6)

где а — межфазное натяжение на границе зародыша с распла­вом; Те — температура плавления; Llul — теплота плавле­ния; АТ — степень переохлаждения.

Работа образования такого зародыша применительно к про­цессу кристаллизации металлов [90]:

W = l6nasT%/3L2nJ] (AT)2. (V.7)

Число устойчивых зародышей, образующихся в единицу времени в единице объема жидкости [281]:

16яс*г|

і - n>' kT P-u? JkTp 3С {*г>гкТ h ’

где пж — число атомов в единице объема жидкости; k — по­стоянная Больцмана; h — постоянная Планка; Ь’а — энергия активации перехода атомов от жидкости к кристаллу; Т — абсолютная температура.

Поскольку скорость образования зародышей зависит от энергии активации перехода атомов от жидкости к кристаллу, интенсификация диффузионных процессов в расплаве, напри­мер за счет электромагнитного перемешивания металла, долж­на уменьшить величину Uа. В этом случае интенсивность об­разования зародышей будет стремиться к величине

16ло3Г£

, пжкТ ~ ТУкТ

h

Из выражений (V.6) — (V.9) следует, что размеры крити­ческого зародыша кристалла и интенсивность их образования существенно зависят от степени переохлаждения расплава и от величины о. Поэтому наличие в жидкости элементов, способ­ных изменить величину межфазного натяжения на границе расплав — кристалл, может повлиять на скорость образова­ния зародышей.

Наличие в металле поверхностно-активных элементов может снизить и степень переохлаждения расплава [31, 109]. Так, по данным [31], введение в железо 0,1 % церия и лантана, которые отличаются поверхностной активностью в расплавах железа, вызывает снижение степени его переохлаждения с 593 до 313—323 К-

На процесс появления зародышей кристаллов в металле, так же как и на процесс образования зародышей газовых пузы­рей и неметаллических включений, большое влияние оказыва­ет наличие в расплаве готовых поверхностей раздела. В усло­виях сварки образование кристаллов может происходить на границах с зернами основного металла, расположенными на границе сплавления, а также с кристаллами предыдущего слоя
металла при многослойной сварке или наплавке. Помимо это­го, роль центров кристаллизации могут выполнять различные тугоплавкие частицы, присутствующие в металле сварочной ванны. При этом, чем больше частичек в расплаве, тем выше скорость образования зародышей кристаллизации, что видно из выражения [90]: / = N%e-w/<-AT % где N о — число частичек примеси.

При наличии в расплаве частичек различного состава на процесс зародышеобразования будут влиять те из них, для ко­торых характерно меньшее значение величины АТ. Степень переохлаждения, необходимая для гетерогенного зарождения центров кристаллизации, зависит от размера частичек. Это видно, если преобразовать выражение (V.6): АТ =

= 2oTE! LnnrkKp. Для того чтобы все частички, присутству­ющие в расплаве, могли стать центрами кристаллизации, не­обходимо глубокое переохлаждение металла.

Как отмечалось, выделение новой фазы на готовой поверх­ности зависит от величины краевого угла смачивания и будет особенно интенсивным, если частички хорошо смачиваются расплавом. Кроме того, работа образования центров кристал­лизации будет снижаться, если частички имеют кристалличе­скую решетку, по своему строению близкую к кристаллизую­щемуся металлу. Такими частичками являются, например, оксиды кристаллизующегося металла [60, 167].

Влияние оксидов железа на структуру железа изучено в ра­боте [167], где было установлено, что наличие оксидов желе­за в расплаве снижает степень переохлаждения железа в 3— 3,5 раза. Введение растворимых добавок (Ni, А1, Ті) практиче­ски не влияет на степень переохлаждения.

Однако, поскольку температура плавления оксидов железа близка к температуре плавления железа, влияние наличия оксидов на скорость процесса кристаллизации начинает прояв­ляться только при некоторой степени переохлаждения распла­ва, когда они перейдут в твердое состояние.

На скорость образования зародышей кристаллизации ели - яеттакже и форма поверхности раздела. Например, если форма подложки, на которой происходит образование зародышей, будет вогнутой, то зародыши возникают при меньшей степени переохлаждения, чем на плоской или выпуклой подложке. Это объясняется тем, что между работой образования зародыша на плоской поверхности твердого тела и величиной объема за­родыша существует следующая зависимость [231]:

IF - oVJRK, (V.10)

где RK — радиус кривизны зародыша.

Совместное рассмотрение рис. 63 и формулы (V. 10), кото­рая в случае искривленной по­верхности раздела будет являть­ся приближенной, свидетельст­вует о правильности предыду­щего вывода.

Большую вероятность обра­зования зародыша в гетероген­ной системе обычно связывают с уменьшением работы, необхо­димой для его образования. Однако в случае образования на подложке зародыша кристалла его появление облегчается еще и потому, что в этом случае обмен атомами между зародышем и расплавленным металлом будет более интенсивным, чем при образовании зародыша в гомогенной системе. Это приводит к увеличению множителя e~Ua/kT, а следовательно, и к повы­шению вероятности их появления.

Как отмечалось, величина Ua снижается при перемешива­нии металла, что также способствует образованию зародышей кристаллов. Однако интенсивность перемешивания расплав­ленного металла, осуществляемого за счет электромагнитных сил или вводимых ультразвуковых колебаний, может изменить под действием силы вязкого трения состояние переходного слоя и величину межфазного натяжения на границе расплав — кристалл [248]. Расчеты показывают, что для стали с кристал­лом, радиус которого равен 0,1 • 10 м, величина межфазного натяжения на границе расплав — кристалл при интенсивности ультразвуковых колебаний 1-Ю4 Вт/м2 и частоте 2 • 1C4 Гц снижается на До = 80 мДж/м2. Поэтому в формулы (V.6), (V.7) и (V.9) при перемешивании металла следует подставлять значение межфазного натяжения оф, найденное из выражения Оф = а — До, где о — межфазное натяжение на границе расплав — кристалл в неподвижной среде. Как оказалось [2481, величина До мало зависит от природы металла. Поэтому, чем меньше поверхностное натяжение металла, тем в большей мере на процесс кристаллизации повлияет введение колеба­ний в металл сварочной ванны.

Таким образом, интенсивность образования зародышей кристаллов и их критический размер зависят от поверхност­ных свойств расплава и границы расплав — кристалл, а также от величины степени переохлаждения металла, его физических свойств, наличия в металле тугоплавких частиц, их структуры и от интенсивности перемешивания металла.

Окончательный размер кристаллического зерна во многом
.определяется соотношением скорости образования центров кристаллизации I и линейной скорости роста этих центров v

[217]: d = htY v/I, где /гэ — безразмерная величина, завися­щая от формы зерна; для кубического зерна hs = 1,093; для сферического зерна ha — 1,29.

Кроме того, на скорость роста кристаллов и на их форму в значительной мере будет влиять наличие в расплаве поверх­ностно-активных элементов. Это связано с тем, что поверхност­но-активные элементы, адсорбируясь на поверхность кристал­лов, существенно изменяют их поверхностные свойства, даже если этот слой имеет толщину порядка моноатомного слоя [ 138]. Связь между ростом отдельных граней кристалла и величиной межфазного натяжения на соответствующих гранях, согласно правилу Вульфа, устанавливается следующим соотношением:

оіЦ1 = const, (V. ll)

где lt — длина перпендикуляра, опущенного из центра кри­сталлизации на t-ю грань или ее продолжение; а, — межфазное натяжение на границе расплава с і-й гранью кристалла.

Зависимость (V. 11) свидетельствует о значительном влиянии поверхностно-активных элементов на процесс роста кристал­лов. Причем обычно действие этих элементов проявляется при весьма малых их концентрациях в расплаве, что свидетельству­ет о значительной роли адсорбционных явлений в рассматри­ваемом процессе.

Из выражения (V. 11) следует, что грани, отличающиеся большим значением поверхностного натяжения, растут быст­рее, чем грани с низким поверхностным натяжением. Поэтому при наличии в сварочной ванне поверхностно-активных ве­ществ, адсорбирующих на границу расплав — кристалл, уменьшается линейная скорость кристаллизации, что приводит к измельчению зерна.

Связь размеров кристалла с наличием в жидкости поверх­ностно-активных веществ подтверждается многими экспери­ментами. Так, было установлено влияние Al, Mn, Zn, Na и не­которых других элементов на поверхностное натяжение и ли­тую структуру олова [111].

Влияние кальция на поверхностное натяжение и первичную кристаллизацию стали Х15Н25М6 исследовалось Р. И. Залета - евой, Н. С. Крещановским и Л. Л. Куниным. Зависимость структуры наплавленного металла от поверхностной актив­ности составляющих электродных покрытий рассмотрена В. Н. Скворцовым.

Из практики сварки известно, что на размер зерна влияют также скорость охлаждения металла сварочной ванны и интен­
сивность перемешивания расплава. С увеличением этих пока­зателей размер зерна уменьшается. Если действие повышения скорости охлаждения, приводящее к уменьшению времени роста зерна понятно, то влияние интенсивности перемешива­ния требует более подробного изучения.

Согласно диффузионной теории Нернста, поверхность кри­сталлов покрыта тонким слоем малоподвижного расплава («дворик» кристаллизации). Этот слой толщиной 6С и создает основное сопротивление диффузионному переходу вещества на поверхность растущего кристалла. Очевидно, что рост кри­сталла можно ускорить, уменьшив величину 6С. Этого можно достичь за счет электромагнитного перемешивания металла и введения в сварочную ванну ультразвуковых колебаний.

В работе [43] было рассмотрено влияние амплитуды сме­щения кристалла под действием ультразвуковых колебаний Ак на величину 6С для следующих трех случаев: 1) Ак 6С; 2) Ак = 6С; 3) Ак 6С. При этом толщина диффузионного слоя при наличии ультразвуковых колебаний будет соответст-

без ультразвуковых колебаний).

Как видно, наибольшее уменьшение толщины диффузион­ного слоя, а значит и наибольшая скорость роста кристаллов будет наблюдаться в первом случае. Причем рост кристаллов будет более интенсивным, если применять перемешивание ме­талла в сочетании с его ультразвуковым колебанием. Это свя­зано с дополнительным уменьшением 6С за счет перемешивания и большей вероятности реализации первого случая.

Таким образом, использование перемешивания металла сварочной ванны за счет электромагнитных сил н ультразву­ковых колебаний должно привести к повышению скорости роста зерна и увеличению его размеров. Однако на практике применение таких приемов всегда приводит к уменьшению размеров зерна. Это можно объяснить двумя причинами. Во - первых, как было показано, использование приемов, приводя­щих к перемешиванию металла, увеличивает число зародышей кристаллов. Во-вторых, при перемешивании металла может произойти диспергирование выросших кристаллов в результа­те захлопывания кавитационных пузырьков (см. гл. IV). Кроме того, дробление выросших кристаллов может быть вызвано си­лами вязкого трения, возникающими при движении твердых частиц относительно расплава.

Сила удара кристалла о встречное тело (кристалл, стенки

сварочной ванны, тугоплавкие частицы) [90]: Р = рк Vpacn„l2g, где рк — плотность кристалла; g — ускорение свободного па­дения; Нраспл — скорость перемещения расплава.

Для случая сварки сталей можно считать, что рк = 7,38 X X 103 кг/м3. Тогда для цраспл = 0,1 м/с Р = 35,3 Па; для Ораспл = 0,3 м/с Р — 44,1 Па; для црасПл = 1,0 м/с Р = = 353 Па.

С учетом незначительной прочности едва затвердевших кристаллов указанные силы, возрастающие с увеличением скорости перемешивания металла, могут оказаться достаточ­ными для дробления кристаллов, что приведет к увеличению числа центров кристаллизации и, в конечном итоге, к полу­чению мелкозернистой структуры. Кроме того, при электромаг­нитном перемешивании металла сварочной ванны измельчение структуры может происходить за счет изменения температур­ного режима сварочной ванны [82], поскольку структурообра - зование сталей зависит [13, 57, 90] от взаимного расположения изохрон ликвидуса жидкого металла и температурного поля вблизи фронта кристаллизации.