Кристаллизация сварных швов и сплавов.

Кристаллизация сплавов.

Закономерности кристаллизации сплавов в основном определяются концентрационным переохлаждением. Его образование обусловлено диффузионным перераспределением примесей у ФК и скоплением их со стороны жидкой фазы вследствие большей их растворимости в жидкой фазе, чем в твердой. В результате в зоне концентрационного уплотнения (δx) имеет место понижение температуры ликвидуса (Tл). Протяженность δx зависит от интенсивности диффузионного отвода примеси от ФК в жидкость (Dж) и скорости кристаллизации (vкр): δx = Dж / vкр. Величина зоны концентрационного переохлаждения (xк) определяется соотношением в распределении Tд (абсолютным значением градиента GL в жидкости у ФК) и Tл. В конечном итоге величину хк характеризует критерий концентрационного переохлаждения Ф = GL / √vкр.

Тип образующейся при кристаллизации бинарных сплавов первичной микроструктуры, как и в случае кристаллизации чистых металлов, зависит от величины хк и определяется соотношением Ф и Aco / k, где со — концентрация примеси; k — коэффициент распределения примеси в жидкой и твердой фазах, А — экспериментальный коэффициент. В многокомпонентных сплавах ориентировочно указанное соотношение может быть использовано применительно к наиболее сильно ликвирующему элементу, т. е. имеющего наименьшее значение k.

Схема кристаллизации сварных швов.

Рост кристаллитов в сварном шве происходит нормально к фронту кристаллизации, т. е. к изотермической поверхности кристаллизации (ИПК)соответствующей Тплsub.. Поскольку при сварке сварочная ванна перемещается, то ось растущего кристаллита является ортогональной траекторией к семейству ИПК, смещенных по оси шва. Определенные трудности заключаются в математическом описании ИПК методами теории тепловых процессов при сварке. Для инженерных решений ИПК аппроксимируют уравнением эллипсоида с полуосями L, Р, Н, которые соответствуют длине затвердевающей задней части сварочной ванны, половине ее ширины и глубине проплавления. В зависимости от схемы нагреваемого тела и типа источника теплоты ИПК может быть эллипсоидом с двумя равными полуосями (точечный источник на поверхности полубесконечноготела, Р = Н), эллиптической цилиндрической поверхностью (линейный источник по толщине листа, Н = δ) или частью «фиктивного» эллипсоида (точечный источник на поверхности плоского слоя, ρ < Р и h < H (рис. 1). В первом случае имеет место объемный процесс кристаллизации и оси кристаллитов являются Пространственными кривыми. При этом поскольку поперечное сечение сварочной ванны является кругом (P = H = L), то форма осей всех кристаллитов аналогична форме кристаллитов на ее поверхности. Вершины всех кристаллитов выходят на продольную ось шва на его поверхности (линию «центров»). Во втором случае имеет место плоский процесс кристаллизации, криволинейные оси кристаллитов располагаются в одной плоскости. Линия центров осей кристаллитов совпадает с осью 0Z. Форма

Форма осей  кристаллитов при различном очертании сварочной ванны эллипсоидного типа
Рис. 1. Форма осей кристаллитов при различном очертании сварочной ванны эллипсоидного типа:
а — объемный процесс кристаллизации, соответствующий точечному источнику теплоты на поверхности массивного тела; б — плоский процесс кристаллизации, соответствующий линейному источнику по толщине листа; в — объемный процесс кристаллизации, соответствующий точечному источнику на поверхности листа. H, L, Р — полуоси эллипсоида; h, l, р — полуоси части фиктивного эллипсоида,; хи — изотерма кристаллизации; хo — ось кристаллита

кристаллитов идентична во всех сечениях по толщине листа. Последнее обстоятельство в обоих случаях позволяет вести экспериментальные и расчетные исследования процесса кристаллизации на поверхности сварочной ванны. В третьем промежуточном случае характер процесса кристаллизации, форма и длина кристаллитов изменяются по глубине сварочной ванны.

Основные соотношения, характеризующие процесс кристаллизации шва, получены путем решения дифференциального уравнения ортогональной траектории к семейству изотерм кристаллизации эллиптического типа и использования выражений

Таблица 1. Параметры процесса кристаллизации шва
Параметры процесса кристаллизации Тип источника теплоты
Точечный на поверхности полубесконечного тела Линейный по толщине листа
Длина кристаллизующейся части сварочной ванны
OM = - q / {2 pi lambda T_{п л}} ({e-1} / e)

OM = - q^2 / {4 pi lambda c rho v delta^2 {T^2}_{п л}} ({e-1} / e)

Половина ширины сварочной ванны
ON = sqrt{{2 a q} / {pi e lambda v T_{п л}}}

ON = {q sqrt{2 / {pi e}}} / {2 c v rho delta T_{п л}}

Уравнение изотермы кристаллизации
x_u = OM sqrt{1 - ({y_u} / {ON})^2}

x^4 = OM sqrt{1 - ({y_u} / {ON})^2}

Уравнение оси кристаллита
x_o = - 2,328 a / v psi

x_o = - 1,164 a / v psi

Скорость кристаллизации
v_{к р} = v / sqrt{1 + (OM / ON}^2 {k^2}_y / ({1 - {k^2}_y})

v_{к р} = v / sqrt{1 + (OM / ON}^2 {k^2}_y / ({1 - {k^2}_y})

Угол наклона оси кристаллита к оси шва
a = arctg OM / ON k_y / sqrt{1 - {k^2}_y}

a = arctg OM / ON k_y / sqrt{1 - {k^2}_y}

Интегральный критерий схемы кристаллизации
Ka = int{0}{1}{adk_y}

Ka = int{0}{1}{adk_y}

Градиент температуры в точке пересечения оси кристаллита с изотермой кристаллизации
G_L = T_{п л} v / delim{[}{2a (x_u + 0,6OM)}{]} sqrt{delim{[}{2a / v + {{y^2}_u} / {2 (x_u + 0,6OM)}}{]}} + {y^2}_u

G_L = T_{п л} v / delim{[}{2a (x_u + 0,6OM)}{]} sqrt{delim{[}{{{y^2}_u v} / {2a (x_u + 0,6OM)}}{]}} + {{y^2}_u v^2} / a^2


Примечание: a = λ / cρ - коэффициент температуропроводности см2 / с; ψ - функция безразмерной координаты ky = yo / ON

ky 0,00 0,02 0,04 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
ψ -∞ -3,605 -2,911 -1,313 -1,650 -0,299 -0,093 -0,000
a и Ka в радианах.

для длины и ширины сварочной ванны. Последние выведены на основе тепловой теории при сварке для быстродвижущихся источников теплоты (табл. 1). С помощью этих соотношений можно рассчитать критерий концентрационного переохлаждения Ф. и ориентировочно оценить тип первичной структуры и схему кристаллизации Ka или а для заданной точки на оси кристаллита xо.

Эллиптическая форма сварочной ванны соответствует сварке с небольшими скоростями (приблизительно до 20—25 м/ч), при увеличении скорости ванна приобретает параболическую, а затем коническую формы. При этом методика получения основных соотношений остается прежней, а вид соотношений изменяется. Следует отметить, что возможны отклонения направления осей кристаллитов от ортогональности к ФК, которые в отдельных зонах могут достигать 30—40° в зависимости от природы и состава сплава и режима сварки.

Измерение остаточных напряжений методом разрезки пластины
Рис. 2. Распределение примеси по оси кристаллита (a), регулярная (б) и нерегулярная (в) «слоистость» шва ОХ — ось кристаллита от линии сплавления к центру шва; cж и cтв - содержание примеси в жидкой и твердой фазах около фронта кристаллизации; vкр - скорость кристаллизации






Навигация
Болты
Винты, шпильки, штифты, прокладки
Пружины
Заклепки
Шпонки
Гайки
Резьба
Валы
Муфты
Подшипники
Виды соединений
Передачи
Материал
Дополнительные материалы
Госты метизов
Сварка
Мы в соцсетях
podshipniki.moscow применяемость подшипников
Сортовой металлопрокат: str-steel.ru в Москве с доставкой.