При кристаллизации металла шва имеет место ликвация. Ликвацией называют неравномерное распре­деление составляющих сплава, приводящих к неоднород­ности его химического состава. Ликвация обусловлена наличием в металле шва легирующих элементов и приме­сей, нерастворимых в нем или обладающих ограниченной растворимостью при температуре затвердевания — это сера, фосфор, углерод и др.

Зональная (макроскопическая) ликвация в металле шва характеризуется различием химического состава пе­риферийной и центральной его части. Вызывается это тем, что металл периферийных зон шва, затвердевающий в первую очередь, содержит минимальное количество ликвидирующих примесей. Содержание же примесей в оставшемся жидком расплаве возрастает. По мере роста кристаллитов расплав обогащается примесями, имеющими низкую температуру затвердевания, которые оттесняются в середине шва, поэтому центральная часть шва оказывается наиболее загрязненной примесями; в этой части шва возникает так называемая зона слабины шва. Она приобретает заметное развитие в нижних одно­проходных швах значительного сечения.

Дендритная (внутрикристаллическая) микроскопиче­ская ликвация характеризуется неоднородностью хими­ческого состава отдельных составляющих кристаллитов. Это имеет место вследствие того, что при затвердевании металла шва первые кристаллиты, образующие оси, а за­тем ветви дендритов содержат меньше примесей, чем исходный жидкий расплав. По мере роста осей и ветвей

дендрита расплав обогащается примесями, и образовав­шийся кристаллит оказывается неоднородным по хими­ческому составу: центральные и начальные части дендрита состоят из наиболее чистого твердого раствора, а меж­дендритные пространства и особенно пограничные зоны его наиболее загрязнены.

В условиях сварки увеличение скорости охлаждения металла шва уменьшает длительность пребывания металла сварочной ванны в двухфазном состоянии, приводит к уменьшению разницы между составом твердой и жидкой фа­зы, в результате чего дендритная ликвация менее развита.

Процессы ликвации зависят также от температуры начала и конца кристаллизации. Чем больше этот темпе­ратурный интервал, тем интенсивнее проявляются про­цессы ликвации. Так, для малоуглеродистой стали тем­пературный интервал кристаллизации составляет всего 20—30 °С, поэтому значительного развития ликвация не получает. С повышением содержания углерода в стали температурный интервал кристаллизации резко возра­стает, что способствует интенсивной ликвации металла. Это наряду с другими трудностями усложняет сварку сталей с повышенным содержанием углерода.

Ранее рассмотренное охватывает процессы дендритной ликвации в сплавах при первичной кристаллизации, но сплавы на основе железа в связи с аллотропическими пре­вращениями в твердом состоянии при температуре, отве­чающей точке Ас3, переходят из у - в a-состояние, что со­провождается изменением строения шва за счет появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллитов.

Изменение формы зерен при аллотропических превра­щениях, происходящих в твердом металле, называют вторичной кристаллизацией.

Характер вторичной кристаллизации металла шва зависит от его химического состава, скорости охлаждения и ряда других факторов и будет нами рассмотрен ниже при изучении особенностей сварки различных металлов и сплавов.

Микроструктура металла шва и зоны термического влияния

На свойства сварного соединения наряду с хи­мическим составом металла шва значительное влияние оказывает структура металла шва и околошовной зоны.

В зависимости от химического состава и скорости охла­ждения структура металла шва может быть самой раз­нообразной, поэтому рассмотрим частный случай сварки самого распространенного материала для сварных кон­струкций низкоуглсродистой стали с содержанием угле­рода до 0,2 %.

В процессе первичной кристаллизации металла шва этой стали получаются столбчатые кристаллы с неодно­родным химическим составом. При аллотропическом пре­вращении железа кристаллиты распадаются, и образуется структура, состоящая из зерен феррита и небольшого количества перлита. І Іропсходящее в результате перекри­сталлизации измельчение зерен оказывает благоприятное влияние на механические свойства металла шва.

Рассмотрим характерные микроструктуры металла шва, выполненного различными способами сварки на низко­углеродистой стали. Сварной шов, выполненный тонко­покрытым электродом, имеет мелкозернистую структуру. В структуре преобладает феррит; перлита очень мало, потому что углерод, как и другие легирующие примеси, выгорает. В структуре металла имеются нитриды в виде игл или пластинок, а также оксиды и дру гие включения. При сварке толстопокрытыми электродами в связи с мень­шей скоростью охлаждения металл шва имеет более круп­нозернистую столбчатую структуру, состоящую из зерен феррита и перлита.

Хорошая защита металла при сварке и легирование его через покрытие способствуют получению достаточно чистого (без включений) металла шва заданного химиче­ского состава. Структура металла шва, выполненного под слоем флюса, имеет более грубое столбчатое строение и состоит из зерен перлита и феррита. Высокая чистота и большая однородность химического состава металла шва обеспечивают его высокие механические свойства.

Структура сварного шва заданного химического со­става определяется условиями охлаждения, влияющими на процессы вторичной кристаллизации и на диффузион­ные процессы.

Участок основного металла, подвергшийся в процессе сварки нагреву до температуры, при которой в нем проис­ходят изменения структуры металла, называют около - шовней зоной (зоной термического влияния). Темпера­тура, до которой нагреваются отдельные точки околошов - кои зоны, изменяется от температуры плавления до окружающей, а структура металла околошовной зоны зависит от его химического состава, теплофизических свойств и от термического цикла сварки.

Структурные изменения в околошовной зоне рассмо­трим на однопроходном стыковом соединении. При этом над сечением соединения строим кривую распределения максимальных температур и в том же масштабе, рядом,

размещаем часть диаграммы железо—углерод. Проецируя с диаграммы Fe—С на сварное соединение границы уча­стков одинаковой микроструктуры, можем с небольшой погрешностью определить в сварном соединении границы отдельных участков зоны термического влияния (рис. 60).

В зависимости от температуры нагрева и, следователь­но, структурных и физико-механических изменений в око­лошовной зоне различают следующие участки: / — не­полного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализа­ции; 4 — неполной перекристаллизации; 5 — рекристал­лизации; 6 — синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному, его часто пазы - вают переходной зоной; он представляет собой узкую полоску основного металла, которая при сварке нахо­дится при температурах ниже линии ликвидуса, но выше солидуса. В процессе сварки этот участок нагревается до температуры, несколько превосходящей температуру пла­вления, и находится в твердожидком состоянии, что спо­собствует протеканию диффузии некоторых элементов между твердой и жидкой фазой переходной зоны; поэтому переходная она отличается по своему химическому составу как от основного, так и от наплавленного металла.

Ширина участка неполного расплавления зависит от характера источника нагрева и состава металла и изме­няется от 0,1 до 0,4 мм. Свойства этого участка оказы­вают подчас решающее влияние на работоспособность сварной конструкции.

Участок перегрева ограничивается температурными границами: со стороны шва температурой участка непол­ного расплавления, а со стороны основного металла тем­пературой примерно 1100° С. На этом участке металл при сварочном нагреве претерпевает аллотропическое пре­вращение из 6- в у-железо, н в связи с тем, что металл этого участка нагревается значительно выше точки Ас3, наблюдается перегрев и рост аустенитного зерна.

В процессе остывания вторичная структура на этом участке зависит от состава металла и термического цикла сварки. Так, в некоторых случаях ручкой сварки при значительном перегреве в сталях с повышенным содер­жанием углерода, а при электрошлаковой сварке даже в низкоуглероднетой стали образуется крупнозернистая видмапштедтовая структура, которая незначительно влия­ет на прочность металла, но заметно снижает его пластич­ность. Ударная вязкость при этом падает на 25 % и более.

Ширина этого участка изменяется от 1 до 3 мм.

Участок нормализации охватывает металл, нагретый в процессе сварки от температуры несколько выше крити­ческой точки Ас3 до температуры 1100 °С. На этом участке создаются благоприятные условия для образования мел­козернистой вторичной структуры. Механические свой­ства металла на участке нормализации обычно выше свойств основного металла, не подвергшегося нагреву при сварке. Ширина этого участка в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 1,2 до 4 мм.

Участок неполной перекристаллизации охватывает ме­талл, подвергшийся нагреву в интервале температур то - чеч от Асг до Ас3. Для низкоуглеродистой стали этот ин­тервал температур составляет немногим более 100 °С (от 725 до 850 °С). Металл на этом участке подвергается только частичной перекристаллизации. Поэтому здесь наряду с зернами основного металла, не изменившимися при нагреве, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подвергавшейся пластической деформации. На этом участке в интервале температур 450—700 °С из об­ломков зерен зарождаются и растут новые равноосновые зерна. Если до сварки металл не подвергался пластиче­ской деформации (например, литые сплавы), процесс рекристаллизации не имеет места.

Участок синеломкости охватывает температурный ин­тервал 200—400 °С, при котором появляются синие цвета побежалости на поверхности металла. Характеризуется тем, что при сварке низ ко углеродистых сталей, содержа­щих более 0,005 % On, 0,005 % N2 и 0,0005 % Н2, на участке наблюдается резкое падение ударной вязкости. Оно, вероятно, вызывается старением металла, при кото­ром из пересыщенного твердого раствора выпадают избы­точные составляющие, в данном случае азот, углерод, которые в виде тонкодисперсных нитридов и карбидов скапливаются вокруг дефектных участков кристалличе-

ской решітки, повышая таким образом прочность и снижая и л а с тн ч н ость.

Сравнительные средине размеры участков зоны терми­ческого влияния по опытным данным для некоторых видов и способов сварки приведены в табл. 21. Размеры отдель­ных участков юны термического влияния (ЗТВ) и общая ее ширина зависят от условий нагрева и охлаждения, определяемых погонной энергией сварки, толщиной и тенлофпзпческимп характеристиками свариваемого ме­талла, а также температурой окружающей среды.