Главная


Металловедение для сварщиков (сварка сталей)




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 21 ... 63 ... 105 ... 147 ... 189 ... 231 ... 254
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41


скачать книгу Металловедение для сварщиков (сварка сталей)




В книге даны основные положения металловедения, их значение для сварки металлов и свойств получаемых соединений. При рассмотрении некоторых приклад­ных вопросов металловедения сварки основное внимание уделено сталям, как материалам, наиболее широко применяемым в различных отраслях народного хозяйства.
...
Основные промышленные способы сварки связаны с нагревом металлов в широком интервале температур и последующим охла­ждением нагретых зон с разными скоростями. Такому тепловому воздействию на металл при сварке часто сопутствует влияние внеш­них усилий или сварочных напряжений. Эти факторы в зонах свар­ных соединений металлов определяют протекание сложных струк­турных и фазовых изменений, имеющих определяющее значение для различных свойств: прочности, пластичности, вязкости, жаро­прочности, коррозионной стойкости и др_..;Структурные и фазовые превращения наряду с диффузионными процессами при сварке часто являются более сложными, чем при термической обработке металлов. В связи с этим металловедение, рассматривающее зако­номерности изменения состояния и свойств металлических сплавов разной природы и состава при различных условиях влияния внеш­них факторов — температуры, усилий, среды и др., — является одной из основ сварки.
...
Металл шва образуется при кристаллизации из жидкого состоя­ния расплавленного присадочного металла и оплавленного по кромкам свариваемого металла.
...
Сварной шов имеет строение литого металла с соответствую­щими кристаллизационными зонами. Кристаллическое строение металла шва зависит от условий плавления и кристаллизации рас­плавленного металла при сварочном цикле (гл. II), от химического состава и тяпа диаграммы состояния сплава в металле шва (гл. II), от диффузионых процессов в жидком и твердом состоянии (гл. III), от структурных и фазовых превращений при охлаждении в твер­дом состоянии (гл. VI), а также от напряжений и деформаций, возникающих при сварке (гл. IV).
...
Характер участка сплавления имеет большое значение для свойств и работоспособности сварных соединений, особенно при сварке разнородных металлов и различных по составу и структур­ному классу сталей. На состав и структурное состояние металла
...
Основные промышленные способы сварки связаны с нагревом металлов в широком интервале температур и последующим охла­ждением нагретых зон с разными скоростями. Такому тепловому воздействию на металл при сварке часто сопутствует влияние внеш­них усилий или сварочных напряжений. Эти факторы в зонах свар­ных соединений металлов определяют протекание сложных струк­турных и фазовых изменений, имеющих определяющее значение для различных свойств: прочности, пластичности, вязкости, жаро­прочности, коррозионной стойкости и др_..;Структурные и фазовые превращения наряду с диффузионными процессами при сварке часто являются более сложными, чем при термической обработке металлов. В связи с этим металловедение, рассматривающее зако­номерности изменения состояния и свойств металлических сплавов разной природы и состава при различных условиях влияния внеш­них факторов — температуры, усилий, среды и др., — является одной из основ сварки.
...
Металл шва образуется при кристаллизации из жидкого состоя­ния расплавленного присадочного металла и оплавленного по кромкам свариваемого металла.
...
Сварной шов имеет строение литого металла с соответствую­щими кристаллизационными зонами. Кристаллическое строение металла шва зависит от условий плавления и кристаллизации рас­плавленного металла при сварочном цикле (гл. II), от химического состава и тяпа диаграммы состояния сплава в металле шва (гл. II), от диффузионых процессов в жидком и твердом состоянии (гл. III), от структурных и фазовых превращений при охлаждении в твер­дом состоянии (гл. VI), а также от напряжений и деформаций, возникающих при сварке (гл. IV).
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Строение и свойства зоны теплового влияния сталей зависят от природы свариваемого металла, наличия и характера поли­морфных, фазовых и структурных превращений при нагреве и ох­лаждении (гл. V, VI, VII, VIII) и от термодеформационного цикла сварки (гл. IV, VIII). В этих зонах помимо процессов фазовых и структурных превращений могут протекать процессы рекристалли­зации и полигонизации (гл. IV).
...
При сварке давлением соединение металлов происходит в твер­дой фазе. В этом случае основными зонами сварного соединения являются контактная зона соединения и зоны теплового влияния на свариваемых сталях. При этом виде сварки увеличивается роль и значение упругой и пластической деформации, создаваемой внеш­ним усилием сдавливания свариваемых металлов (гл. IV). Кон­тактная зона сварного соединения формируется в сложных усло­виях, и для ее строения и свойств имеют значение установление металлической связи (гл. I), рекристаллизация и диффузия (гл. III и IV), характер образующихся при диффузии прослоек (гл. III, XI).
...
Особое значение все приведенные факторы имеют для свар­ных соединений легированных и высоколегированных сталей (гл. VIII—XII).
...
Отдельные вопросы металловедения сварки излагались ранее в работах С. В. Лашко и Н. Ф. Лашко, В. Н. Земзина, А. М. Ма­кары, Б. А. Мовчаиа, Н. Н. Прохорова, М. X. Шоршорова и др.
...
В настоящей книге сделана попытка общего систематизирован­ного рассмотрения основных закономерностей металловедения в связи со значением их для технологии сварки, свариваемости, строения и свойств сварных соединений.
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Строение и свойства зоны теплового влияния сталей зависят от природы свариваемого металла, наличия и характера поли­морфных, фазовых и структурных превращений при нагреве и ох­лаждении (гл. V, VI, VII, VIII) и от термодеформационного цикла сварки (гл. IV, VIII). В этих зонах помимо процессов фазовых и структурных превращений могут протекать процессы рекристалли­зации и полигонизации (гл. IV).
...
При сварке давлением соединение металлов происходит в твер­дой фазе. В этом случае основными зонами сварного соединения являются контактная зона соединения и зоны теплового влияния на свариваемых сталях. При этом виде сварки увеличивается роль и значение упругой и пластической деформации, создаваемой внеш­ним усилием сдавливания свариваемых металлов (гл. IV). Кон­тактная зона сварного соединения формируется в сложных усло­виях, и для ее строения и свойств имеют значение установление металлической связи (гл. I), рекристаллизация и диффузия (гл. III и IV), характер образующихся при диффузии прослоек (гл. III, XI).
...
Особое значение все приведенные факторы имеют для свар­ных соединений легированных и высоколегированных сталей (гл. VIII—XII).
...
Отдельные вопросы металловедения сварки излагались ранее в работах С. В. Лашко и Н. Ф. Лашко, В. Н. Земзина, А. М. Ма­кары, Б. А. Мовчаиа, Н. Н. Прохорова, М. X. Шоршорова и др.
...
В настоящей книге сделана попытка общего систематизирован­ного рассмотрения основных закономерностей металловедения в связи со значением их для технологии сварки, свариваемости, строения и свойств сварных соединений.
...
в участке сплавления влияют условия проилавлепня свариваемой стали, фазовое и структурное состояние образующихся сплавов промежуточного состава и диффузионные процессы на границе раздела (гл. III, IV, VI, XI).
...
Многообразие свойств металлов, в и том числе различие пове­дения их при сварке, обусловлено во многом разницей в строении их атомов, тех элементарных комплексов, из которых построено каждое вещество. Различия в строении, энергетическом состоянии и свойствах атомов определяют разницу в характере образуемых ими элементарных агрегатов — кристаллических решеток метал­лов, в которых свойства оказываются уже более определенными. Колонии таких агрегатов — элементарных кристаллических ячеек образуют кристаллы и поликристаллы, являющиеся теми металла­ми, с которыми мы имеем дело при практическом их использовании и свойства которых нам знакомы. Эти поликристаллические ме­таллы имеют различные массу, пластичность и прочность, по-раз­ному ведут себя при нагревах и охлаждениях, при сварке. При этом в последнее время приобрела значение сварка не только ча­стей одного и того же металла, но сварка металлов с различными по построению элементарными кристаллическими ячейками и ато­мами, отличающимися по строению и энергетическому состоя­нию. Для выяснения причин различия в свойствах металлов кратко рассмотрим основы их физического строения, в основном по тем характеристикам, которые могут иметь значение для сварки.
...
Элементарной комплексной основой элементов, и в том числе металлов, является атом, состоящий из электрически положитель­но заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся на разном расстоянии от ядра. Сумма отрицатель­ных зарядов* всех электронов данного атома равна положитель­ному заряду ядра. Таким образом, в целом атом электрически нейтрален, а числовая величина заряда ядра составляет Ze, где е — элементарный заряд электрона, 1
...
физических свойств элементов, и в том числе способность атомов к соединению друг с другом с образованием связи той или иной степени прочности, определяется разницей в электронном строе­нии.
...
Электроны в атомах находятся на разном расстоянии от ядра; это определяет их энергетический уровень и прочность связи с ядром. Естественно, что чем ближе находятся противоположно заряженные ядро и электроны, тем сильнее они притягиваются друг к другу. Кроме разного расстояния электронных оболочек от ядра, состояние электронов определяется теми орбитами, по которым они вращаются. Эти орбиты могут быть круговыми с яд­ром в центре и эллиптическими с разной степенью эллиптичности. Да и сама ориентировка орбит в пространстве может быть различ­ной. Наряду с этим сам электрон вращается вокруг своей оси и направление этого вращения может быть у разных электронов противоположным.
...
Состояние электронов в атоме характеризуется четырьмя кван­товыми числами. Главное квантовое число п
...
Четвертое — спиновое квантовое число характеризует соб­ственное вращение электрона вокруг своей оси. Вращение может происходить либо в одну, либо в другую сторону, и спиновое число та
...
Свойства атома, и в том числе энергетические показатели связи между электронами и ядром, а также связь между собой атомов одних и тех же элементов и атомов различных элементов (что важ-
...
НО Для соединения их сваркой) зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням, от степени заполнения (или, наоборот, от незаполненности) того или иного электронного уровня или подуровня, общего числа электронных уровней, от состояния последнего внешнего электронного уровня, от того, являются ли спины соседних электронов данного подуров­ня, и особенно электронов внешней оболочки, взаимно уравнове­шивающими или нет.
...
Число внешних электронов атома, т. е. электронов, находя­щихся на внешней оболочке (наивысшем энергетическом уровне) может быть от 1 до 8. Внешние электроны наименее прочно свя­заны с ядром, поэтому они легче всего отделяются или отдаляются от атома. Именно эти электроны в основном ответственны за со­здание межатомной связи, которая определяется стремлением атома к получению завершенной электронной оболочки. Поэтому по числу внешних электронов атома определяется его валентность и по степени достроенности внешней оболочки — его активность или способность вступать в соединение с другими атомами. Там, где внешняя оболочка полностью достроена (у гелия — это два электрона, у остальных элементов — не менее восьми электронов), атом вещества оказывается практически пассивным к образованию связей. К таким элементам относятся инертные газы. Валентность элемента (максимальная) в периодической системе определяется группой, в которой находится элемент, что соответствует числу электронов на внешнем уровне.
...
Соединение отдельных атомов между собой и образование атом­ных комплексов обусловливает создание молекул химических сое­динений, образование атомных агрегатов металлов и других ве­ществ. Способность атомов одного и того же вещества или различ­ных веществ соединяться друг с другом в прочный агрегат — об­разовывать неразъемное соединение является важнейшим факто­ром при сварке металлов, и в особенности при сварке давлением в твердом состоянии. При сварке давлением свариваемые поверх­ности сжимаются до сближения на расстояние, на котором могут проявиться силы атомного взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Установление атомной связи между этими поверх­ностями — необходимое условие получения сварного соединения.
...
В настоящее, время между собой сваривают металлы одни и те же (сталь—сталь, медь—медь и т. д.) и различные (сталь— никель, меДь—никель и др.). Сваривают и металлы с неметалла­ми — керамиками. Номенклатура материалов, свариваемых ме­жду собой, непрерывно расширяется.
...
Рассмотрение природы связи между атомами имеет первосте­пенное значение как для понимания условий образования раз­личных соединений, и в том числе сварных, так и для разработки новых процессов и новых видов сварных соединений.
...
НО Для соединения их сваркой) зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням, от степени заполнения (или, наоборот, от незаполненности) того или иного электронного уровня или подуровня, общего числа электронных уровней, от состояния последнего внешнего электронного уровня, от того, являются ли спины соседних электронов данного подуров­ня, и особенно электронов внешней оболочки, взаимно уравнове­шивающими или нет.
...
Число внешних электронов атома, т. е. электронов, находя­щихся на внешней оболочке (наивысшем энергетическом уровне) может быть от 1 до 8. Внешние электроны наименее прочно свя­заны с ядром, поэтому они легче всего отделяются или отдаляются от атома. Именно эти электроны в основном ответственны за со­здание межатомной связи, которая определяется стремлением атома к получению завершенной электронной оболочки. Поэтому по числу внешних электронов атома определяется его валентность и по степени достроенности внешней оболочки — его активность или способность вступать в соединение с другими атомами. Там, где внешняя оболочка полностью достроена (у гелия — это два электрона, у остальных элементов — не менее восьми электронов), атом вещества оказывается практически пассивным к образованию связей. К таким элементам относятся инертные газы. Валентность элемента (максимальная) в периодической системе определяется группой, в которой находится элемент, что соответствует числу электронов на внешнем уровне.
...
Соединение отдельных атомов между собой и образование атом­ных комплексов обусловливает создание молекул химических сое­динений, образование атомных агрегатов металлов и других ве­ществ. Способность атомов одного и того же вещества или различ­ных веществ соединяться друг с другом в прочный агрегат — об­разовывать неразъемное соединение является важнейшим факто­ром при сварке металлов, и в особенности при сварке давлением в твердом состоянии. При сварке давлением свариваемые поверх­ности сжимаются до сближения на расстояние, на котором могут проявиться силы атомного взаимодействия между свариваемыми поверхностями. Установление атомной связи между этими поверх­ностями — необходимое условие получения сварного соединения.
...
В настоящее, время между собой сваривают металлы одни и те же (сталь—сталь, медь—медь и т. д.) и различные (сталь— никель, меДь—никель и др.). Сваривают и металлы с неметалла­ми — керамиками. Номенклатура материалов, свариваемых ме­жду собой, непрерывно расширяется.
...
Рассмотрение природы связи между атомами имеет первосте­пенное значение как для понимания условий образования раз­личных соединений, и в том числе сварных, так и для разработки новых процессов и новых видов сварных соединений.
...
расположены электроны. При этом, если рассматривать какой-либо данный атом, то чем выше[энергетический уровень (чем больше главное квантовое число) электронной оболочки, тем дальше элек­троны находятся от ядра, тем выше свободная энергия электронов, тем менее прочно они связаны с ядром.
...
Имеет значение не только увеличение расстояния этих электро­нов от ядра и уменьшение силы взаимодействия между электроном и ядром, но и экранирующее влияние промежуточных электрон­ных оболочек. Поэтому электроны внешних оболочек в атоме сла­бее связаны с атомом, чем все остальные электроны. Они могут при соответствующих условиях отдаляться от атома, могут вообще его покидать, переходя, например, к другому атому, у которого внешняя оболочка имеет более низкий энергетический уровень и свободное место (недостроена). Таким образом, одним из факторов, определяющих соединение атомов, является энергетическое со­стояние электронов на внешней оболочке — валентных электро­нов: чем слабее они связаны с атомом, тем легче они переходят к об­разованию связи с другим атомом.
...
Прочность связи внешних электронов с атомом определяется помимо перечисленных и другими факторами. Большое значение имеет степень заполненности внешней оболочки. Максимальное число электронов на внешней оболочке — восемь. Пример с инерт­ными газами, имеющими полностью застроенные внешние оболочки и не образующими соединений с атомами других веществ, свидетель­ствует о том, что чем полнее застроена внешняя оболочка, тем проч­нее закреплены на ней электроны. Поэтому атомы с одним электро­ном на внешней оболочке легче всего его отдают.
...
На прочность закрепления внешнего электрона у своего атома также влияет компенсация или вернее образование замкнутых магнитных полей, создаваемых спинами электронов (вращением электронов вокруг своей оси). Если у атома имеются два внешних электрона с антипараллельными спинами (вращающимися в раз­ные стороны), т. е. имеющих четвертое квантовое число у одно­го — 1/2, у другого то магнитные поля, создаваемые при вра­щении заряда электрона, образуют более замкнутое магнитное поле, способствующее удержанию каждого из электронов. Есте­ственно, если на внешней орбите имеется только один электрон и нет электрона с антипараллельным спином, то этот электрон удерживается слабее, чем два электрона с противоположными спи­нами. Однако бывают и случаи, когда имеются пары электронов с параллельными спинами. Это обстоятельство не должно способ­ствовать их удержанию. -
...
Если рассматривать соединение двух различных атомов (сварку различных металлов), то наличие на внешних оболочках атомов с противоположными спинами должно обусловливать образова­ние уравновешенных магнитных полей и улучшениесвариваемости.
...
расположены электроны. При этом, если рассматривать какой-либо данный атом, то чем выше[энергетический уровень (чем больше главное квантовое число) электронной оболочки, тем дальше элек­троны находятся от ядра, тем выше свободная энергия электронов, тем менее прочно они связаны с ядром.
...
Имеет значение не только увеличение расстояния этих электро­нов от ядра и уменьшение силы взаимодействия между электроном и ядром, но и экранирующее влияние промежуточных электрон­ных оболочек. Поэтому электроны внешних оболочек в атоме сла­бее связаны с атомом, чем все остальные электроны. Они могут при соответствующих условиях отдаляться от атома, могут вообще его покидать, переходя, например, к другому атому, у которого внешняя оболочка имеет более низкий энергетический уровень и свободное место (недостроена). Таким образом, одним из факторов, определяющих соединение атомов, является энергетическое со­стояние электронов на внешней оболочке — валентных электро­нов: чем слабее они связаны с атомом, тем легче они переходят к об­разованию связи с другим атомом.
...
Прочность связи внешних электронов с атомом определяется помимо перечисленных и другими факторами. Большое значение имеет степень заполненности внешней оболочки. Максимальное число электронов на внешней оболочке — восемь. Пример с инерт­ными газами, имеющими полностью застроенные внешние оболочки и не образующими соединений с атомами других веществ, свидетель­ствует о том, что чем полнее застроена внешняя оболочка, тем проч­нее закреплены на ней электроны. Поэтому атомы с одним электро­ном на внешней оболочке легче всего его отдают.
...
На прочность закрепления внешнего электрона у своего атома также влияет компенсация или вернее образование замкнутых магнитных полей, создаваемых спинами электронов (вращением электронов вокруг своей оси). Если у атома имеются два внешних электрона с антипараллельными спинами (вращающимися в раз­ные стороны), т. е. имеющих четвертое квантовое число у одно­го — 1/2, у другого то магнитные поля, создаваемые при вра­щении заряда электрона, образуют более замкнутое магнитное поле, способствующее удержанию каждого из электронов. Есте­ственно, если на внешней орбите имеется только один электрон и нет электрона с антипараллельным спином, то этот электрон удерживается слабее, чем два электрона с противоположными спи­нами. Однако бывают и случаи, когда имеются пары электронов с параллельными спинами. Это обстоятельство не должно способ­ствовать их удержанию. -
...
Если рассматривать соединение двух различных атомов (сварку различных металлов), то наличие на внешних оболочках атомов с противоположными спинами должно обусловливать образова­ние уравновешенных магнитных полей и улучшениесвариваемости.
...
ным потенциалом— напряжением, которое необходимо приложить, чтобы оторвать электрон и сделать атом положительно заряженным ионом. У атома может быть несколько ионизационных потенциа­лов в соответствии с тем, сколько у него электронов на внешней оболочке и какой по счету электрон отрывается.
...
Значения первых ионизационных потенциалов различных эле­ментов (отрыв первого электрона с внешней орбиты) — важный показатель способности атомов к установлению межатомных связей — приведены в табл. 1. Из таблицы видна периодичность изменения данной характеристики. Наиболее высокие потенциалы ионизации имеют элементы с полностью завстрееной внешней обо­лочкой (инертные газы). По мере уменьшения степени заполнения внешнего уровня потенциал, как правило, падает. Наинизшие по­тенциалы имеют элементы с наименее заостренными оболочками. По мере увеличения атомного номера элемента сказывается экра­нирующее влияние внутренних электронных уровней.
...
Ионизационные потенциалы в определенной степени, по-види­мому, могут служить энергетическим показателем способности к соединению отдельных частей тех или иных металлов. При условии, что произошло сближение соединяемых частей на рассто­яния сил атомного взаимодействия и соединяемые поверхности чисты, для установления соответствующей атомной связи нужна какая-то энергия для активации атомов соединяемых частей. Чем ниже потенциал ионизации атома, тем легче его сделать активным для установления связи. С этой точки зрения среди интересующих технику металлов легче всего должен свариваться в твердом или пластичном состоянии между собой алюминий (ионизационный потенциал 5,98 эВ), несколько труднее — титан (6,82 эВ), затем — ниобий (6,88 эВ), молибден (7,1 эВ), свинец (7,42 эВ), серебро (7,57 эВ), никель (7,63 эВ), магний (7,64 эВ), медь (7,72 эВ), железо (7,8 эВ), вольфрам (7,98 эВ). Конечно, не только потен­циал ионизации имеет значение для сварки давлением (в твердом состоянии). Важны и некоторые другие характеристики (в част­ности, возможность сближения при деформации), о чем речь будет идти дальше. Это определяет возможность отклонения от приве­денного порядка.
...
Основой межатомной связи и, следовательно, образования не­разъемных соединений является взаимодействие электронов, а дви­жущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к полу­чению завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов по уровням и подуровням. В результате различных взаимодействий между атомами может об­разовываться несколько типов наиболее устойчивых электронных
...
ным потенциалом— напряжением, которое необходимо приложить, чтобы оторвать электрон и сделать атом положительно заряженным ионом. У атома может быть несколько ионизационных потенциа­лов в соответствии с тем, сколько у него электронов на внешней оболочке и какой по счету электрон отрывается.
...
Значения первых ионизационных потенциалов различных эле­ментов (отрыв первого электрона с внешней орбиты) — важный показатель способности атомов к установлению межатомных связей — приведены в табл. 1. Из таблицы видна периодичность изменения данной характеристики. Наиболее высокие потенциалы ионизации имеют элементы с полностью завстрееной внешней обо­лочкой (инертные газы). По мере уменьшения степени заполнения внешнего уровня потенциал, как правило, падает. Наинизшие по­тенциалы имеют элементы с наименее заостренными оболочками. По мере увеличения атомного номера элемента сказывается экра­нирующее влияние внутренних электронных уровней.
...
Ионизационные потенциалы в определенной степени, по-види­мому, могут служить энергетическим показателем способности к соединению отдельных частей тех или иных металлов. При условии, что произошло сближение соединяемых частей на рассто­яния сил атомного взаимодействия и соединяемые поверхности чисты, для установления соответствующей атомной связи нужна какая-то энергия для активации атомов соединяемых частей. Чем ниже потенциал ионизации атома, тем легче его сделать активным для установления связи. С этой точки зрения среди интересующих технику металлов легче всего должен свариваться в твердом или пластичном состоянии между собой алюминий (ионизационный потенциал 5,98 эВ), несколько труднее — титан (6,82 эВ), затем — ниобий (6,88 эВ), молибден (7,1 эВ), свинец (7,42 эВ), серебро (7,57 эВ), никель (7,63 эВ), магний (7,64 эВ), медь (7,72 эВ), железо (7,8 эВ), вольфрам (7,98 эВ). Конечно, не только потен­циал ионизации имеет значение для сварки давлением (в твердом состоянии). Важны и некоторые другие характеристики (в част­ности, возможность сближения при деформации), о чем речь будет идти дальше. Это определяет возможность отклонения от приве­денного порядка.
...
Основой межатомной связи и, следовательно, образования не­разъемных соединений является взаимодействие электронов, а дви­жущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к полу­чению завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов по уровням и подуровням. В результате различных взаимодействий между атомами может об­разовываться несколько типов наиболее устойчивых электронных
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и струк­туры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким обра­зом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных эле­ментов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигура­ции по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфи­гурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоедине­ние их другими создает положительно и отрицательно заряжен­ные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно воз­можна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и струк­туры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким обра­зом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных эле­ментов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигура­ции по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфи­гурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоедине­ние их другими создает положительно и отрицательно заряжен­ные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно воз­можна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
структур. Ими оказываются структуры инертных газов и струк­туры, имеющие во внешней оболочке 18 электронов. Таким обра­зом, при взаимодействии между собой атомов различных веществ каждый из них путем отдачи или захвата электронов стремится приобрести ближайшее ему устойчивое электронное строение. Схематическое изображе ! е склонности атомов различных эле­ментов к переходу в наиболее устойчивые электронные конфигура­ции по Косселю—Некрасову представлено на рис. 1. Атомы металлов стремятся к достижению устойчивой электронной конфи­гурации, как правило, путем отдачи электронов.
...
Возможность отдачи электронов одними атомами и присоедине­ние их другими создает положительно и отрицательно заряжен­ные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. По типу образования такая связь между атомами называется ионной (рис. 2, а) и естественно воз­можна только между атомами элементов, обладающих различной способностью к отдаче и присоединению электронов. Ионную связь часто называют еще гетерополярной в связи с тем, что она возни-
...
кает между различно заряженными атомами. Примером такого ион­ного соединения может быть поваренная соль. В ней атом натрия отдает электрон и становится положительным ионом, а атом хлора приобретает электрон и становится отрицательным ионом.
...
Другим видом связи атомов в твердых телах является ковалент­ная или гомеополярная, иногда ее называют атомной связью (рис. 2, б).
...
Молекулярная связь (связь Ван-дер-Ваальса) характерна для атомов с относительно легко деформируемыми электронными обо­лочками и для объединившихся в молекулы атомов, также способ­ных к деформации внешних объединенных оболочек.
...
Взаимовлияние магнитных полей большого числа атомов или молекул приводит к тому, что в некоторых^ из них возникает за­метно выраженная поляризация — облако отрицательно заря­женных электронов смещается в одну сторону, а положительно заряженные ядра — в другую. Образующиеся таким образом диполи способствуют поляризации соседних атомов или молекул, в результате чего вся дипольная система ориенти­руется таким образом, что друг с другом контактируют противо­положные заряды, между которыми действуют силы притяжения, определяющие связь (рис. 2, в).
...
Прочность молекулярной связи определяется действием двух сил. С одной стороны, между двумя частицами действуют силы притяжения, обусловленные поляризацией зарядов, с другой — при сильном приближении друг к другу частиц начинают действо­вать силы отталкивания, обусловленные взаимодействием внеш­них электронных слоев (рис. 3). С увеличением расстояния между частицами силы отталкивания уменьшаются гораздо резче, чем силы притяжения. Это обусловливает при определенном расстоя­нии установление равновесия (рис. 3). Расстояние с10
...
Металлы имеют особый тип связи между атомами, названный поэтому металлической связью. Особенность металлической связи обусловлена некоторыми характерными признаками строения внешних оболочек металлических атомов. Как правило, у атомов этих элементов на внешней оболочке имеется только один или два электрона. Это определяет то, что связь электронов с атомом ока­зывается не сильной и электроны сравнительно легко могут от­деляться от атома. Об этом свидетельствуют невысокие потенци­алы ионизации атомов металлов (табл. 1). В связи с особенностями строения металлических атомов — слабой связью внешнего элек­трона, металлические свойства оказываются ярче всего выражен­ными у элементов, находящихся в левой (первые группы с малым числом валентных электронов) нижней (большее число экрани­рующих электронных оболочек) части периодической таблицы.
...
Слабая связь внешнего электрона приводит к тому, что в атом­ном агрегате эти электроны отрываются и беспорядочно блуждают между образовавшимися (оставшимися) положительными ионами (рис. 2, г).
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атом­ный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, ка­кое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный элек­тронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложе­нии внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Связь между отдельными атомами в таком атомном металли­ческом агрегате обусловлена взаимодействием каркаса из положи­тельных ионов и отрицательно заряженным электронным газом. Определенное значение для связи имеют и те обмены, которые про­исходят между электронным газом и нейтральными атомами. Металлическая связь в целом достаточно прочна и эластична в связи с наличием первичного электронного газа как несущего элемента этой связи.
...
Природа металлической связи слишком сложна, чтобы^можно было четко перечислить все факторы и характер их влияния на прочность связи между атомами в металлах и на значение их при сварке. Об относительной прочности этих связей у разных метал­лов можно судить по косвенным признакам — теплоте плавления и теплоте испарения, поскольку и в том и в другом случае тепловая энергия затрачивается на преодоление, разрушение атомных свя­зей. При плавлении, по-видимому, происходит первая стадия разру­шения кристаллического комплекса металлов. Однако отдельные агрегаты кристаллитов могут сохраняться у металлов и в распла­вленном состоянии. Полное разрушение кристаллов и нарушение связей происходит при испарении. Поэтому по скрытой теплоте испарения, а еще лучше по сумме теплоты испарения и теплоты пла­вления, можно приближенно судить о сравнительной прочности атомной связи у различных металлов и соответственно о прочности соединения, в том числе и сварного.
...
Табл. 2 позволяет считать, что при достаточном сближении и активации чистых металлических поверхностей прочность связи в образующемся сварном соединении должна возрастать от маг­ния к вольфраму.
...
Если сопоставить данные табл. 2 с величинами потенциалов ионизации (см. табл. 1), то можно полагать, что на основании учета только этих двух факторов лучше всего в твердом состоянии должны свариваться титан и ниобий (при достаточной деформации и сбли­жении), так как у них при низких потенциалах ионизации и соот­ветственной низкой энергии активации атомов оказывается наибо­лее прочной связь в образующемся соединении. Хуже всего, по тем же признакам, должен свариваться магний (высокий потен­циал ионизации и невысокая прочность связи). Неплохо должен свариваться алюминий. Медь и железо по рассматриваемым прин-
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атом­ный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, ка­кое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный элек­тронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложе­нии внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Связь между отдельными атомами в таком атомном металли­ческом агрегате обусловлена взаимодействием каркаса из положи­тельных ионов и отрицательно заряженным электронным газом. Определенное значение для связи имеют и те обмены, которые про­исходят между электронным газом и нейтральными атомами. Металлическая связь в целом достаточно прочна и эластична в связи с наличием первичного электронного газа как несущего элемента этой связи.
...
Природа металлической связи слишком сложна, чтобы^можно было четко перечислить все факторы и характер их влияния на прочность связи между атомами в металлах и на значение их при сварке. Об относительной прочности этих связей у разных метал­лов можно судить по косвенным признакам — теплоте плавления и теплоте испарения, поскольку и в том и в другом случае тепловая энергия затрачивается на преодоление, разрушение атомных свя­зей. При плавлении, по-видимому, происходит первая стадия разру­шения кристаллического комплекса металлов. Однако отдельные агрегаты кристаллитов могут сохраняться у металлов и в распла­вленном состоянии. Полное разрушение кристаллов и нарушение связей происходит при испарении. Поэтому по скрытой теплоте испарения, а еще лучше по сумме теплоты испарения и теплоты пла­вления, можно приближенно судить о сравнительной прочности атомной связи у различных металлов и соответственно о прочности соединения, в том числе и сварного.
...
Табл. 2 позволяет считать, что при достаточном сближении и активации чистых металлических поверхностей прочность связи в образующемся сварном соединении должна возрастать от маг­ния к вольфраму.
...
Если сопоставить данные табл. 2 с величинами потенциалов ионизации (см. табл. 1), то можно полагать, что на основании учета только этих двух факторов лучше всего в твердом состоянии должны свариваться титан и ниобий (при достаточной деформации и сбли­жении), так как у них при низких потенциалах ионизации и соот­ветственной низкой энергии активации атомов оказывается наибо­лее прочной связь в образующемся соединении. Хуже всего, по тем же признакам, должен свариваться магний (высокий потен­циал ионизации и невысокая прочность связи). Неплохо должен свариваться алюминий. Медь и железо по рассматриваемым прин-
...
ванных атомов может присоединиться электрон из блуждающих в электронном газе. Таким'образом, в каждый данный момент атом­ный агрегат металла имеет положительно заряженные ионы, ка­кое-то число нейтральных атомов и отрицательно заряженный элек­тронный газ с беспорядочным движением электронов. При наложе­нии внешней разности потенциалов к такому металлу создается упорядоченное, направленное движение оторвавшихся от атомов электронов от минуса к плюсу. В металле возникает ток. Поэтому оторванные от атомов электроны в металле называют электронами проводимости.
...
Для гексагональной характерно расположение в виде шестигран­ника (рис. 4). Многократное повторение такого элемента постро­ения (элементарной ячейки) создает кристалл того или иного ме­талла (элемента или вещества). Атомы в таких решетках распо­ложены не на произвольно больших расстояниях, как изображают схему элементарной ячейки или решетки, а на расстояниях, опре­деляемых равнодействующими сил взаимодействия между поло­жительными зарядами ионов (избыточные заряды ядер), отрица­тельными зарядами оставшихся оболочек и взаимодействия поло­жительных зарядов ионов с отрицательно заряженным электрон­ным газом. Таким образом это прилегающие друг к другу упру­гие шары. Расстояние между центрами атомов, естественно, будет зависеть от закономерности их расположения, т. е. с изменением типа решетки одного и того же вещества расстояние между цен­трами атомов будет меняться (в силу упругости шаров).
...
У многих металлов наблюдается так называемый полиморфизм т. е. изменение типа кристаллической решетки с изменением тем­пературы. Так, например, у железа имеются две основные поли­морфные формы: кубическая объемно-центрированная и кубиче­ская гранецентрированная. Изменение кристаллического строения одного и того же металла с изменением температуры объясняется изменением энергетического состояния атомов и, соответственно, взаимодействия оболочек.
...
Таким образом, кристаллическую решетку помимо ее типа характеризуют атомный диаметр и параметр (постоянная) решетки. Атомный диаметр — это расстояние (соответственно атомный
...
радиус — половина расстояния) между центрами двух ближайших (контактирую­щих) атомов. В соответствии с изложенным атомный диаметр — в определенной мере условная величина, зависящая для одного и того же элемента от типа решетки. Параметр решетки характеризуется раз­мерами ребер элементарной кристалличе­ской ячейки. Для кубической решетки имеется один параметр а
...
Однако при некоторых обстоятельствах, о чем речь будет идти дальше, кубическая решетка может искажаться, и одна из ее гра­ней при этом становится больше другой. Такая тетрагональность решетки характеризуется двумя параметрами: а я с
...
Помимо указанных характеристик кристаллическая решетка характеризуется также координационным числом, плотностью упа­ковки или степенью заполнения, индексами атомных плоскостей.
...
Координационное число характеризует условия взаимодей­ствия атомов и принцип построения решетки. Оно определяется числом атомов, находящихся на наименьшем равном расстоянии отданного атома. Так, например, у простой кубической решетки, имеющей только по атому в вершине куба, координационное число равно шести (К =
...
нения атомами объема элементарной ячейки, определяемая числом атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки того или иного типа. В простой кубической решетке каждый из восьми атомов, находящихся в вершине куба, принадлежит од­новременно восьми ячейкам. Таким образом, одна ячейка содер­жит только один атом. В объемно-центрированной кубической решетке к этому одному атому добавляется один атом в центре куба, т. е. элементарная ячейка объемно-центрированной решетки состоит из двух атомов.
...
Аналогичным образом определяется, что ячейка гранецентри-рованной решетки состоит из четырех атомов. Зная число атомов, приходящихся на одну ячейку, можно определить степень запол­нения решетки. Для объемно-центрированной кубической решетки с параметром а
...
будут кристаллографическими координатными осями, а масштаб выразится в осевых единицах. Индексами той или иной плоскости будут три целых числа, обратно пропорциональные числу осевых единиц, отсекаемых плоскостью на соответствующих координатных осях. Например, для кубической решетки (рис. 6, а)
...
Важная характеристика различных атомных плоскостей, гу­стота заполнения ее атомами, по существу, определяет прочность связи на этой плоскости. В кубической объемно-центрированной решетке на плоскости (100)
...
Характеристики кристаллического строения некоторых металлов
...
Для соединения двух металлов, помимо прочего, должно иметь значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения соединяемых металлов, т. е. для их сварки, будут в том случае, если у них будут одинако­выми кристаллические решетки, близкими параметры однотипных решеток и размеры атомов.
...
Высказанное соображение позволяет из приведенных в табл. 3 металлов выделить три группы с одинаковыми по типу кристалли­ческими решетками (табл. 4). Из табл. 4 видно, что очень близки друг к другу по типу решетки, ее параметру и межатомному рас­стоянию никель, медь и серебро, а при температуре выше поли­морфного превращения и железо. Никель, медь и серебро должны поэтому хорошо соединяться между собой методами сварки давле­нием в твердом состоянии. При температуре выше а —> у-превра-щения к указанным элементам добавляется и железо. При том же типе кубической гранецентрированной решетки алюминий не­сколько отличается от перечисленных элементов параметром и диаметром атома. Это отличие составляет —12%, и, по-видимому, алюминий соединить с никелем, медью и серебром труднее. Еще труднее по этому признаку должен привариваться к перечислен­ным элементам свинец.
...
Из объемно-центрированных металлов неплохо должны соеди­няться между собой титан и ниобий, выше температуры 900° С также и вольфрам. Соединение с железом должно происходить труднее из-за большей разницы в характеристиках кристалличе­ской решетки.
...
Рассмотренное выше идеальное строение кристаллической ре­шетки металлов в реальных кристаллах практически не имеет места. Только при идеальных условиях кристаллизации и роста в так называемых нитевидных кристаллах толщиной всего в не­сколько микрометров удается получить кристаллическое строение, близкое к тому, о котором шла речь.
...
В реальных кристаллах четкая закономерность построения кристаллической решетки нарушается наличием несовершенств. Роль несовершенств кристаллического строения огромна. Они определяют основные механические свойства металлов, их способ­ность сопротивляться воздействию внешних сил, способность к де­формации при нагружении, склонность к хрупкости, а также пове­дение при сварке, особенно давлением в твердом состоянии и при сварке плавлением. Имеются три основных вида несовершенств: точечные, линейные и плоские. Точечные (нульмерные) несовершен­ства (рис. 7) — это пропуски отдельных атомов в решетке (незапол­ненные узлы); лишние, внедренные атомы в междуузлии; замещен­ные в узле атомы данного элемента атомами другого элемента.
...
Любое из перечисленных несовершенств приводит не только к нарушению геометрически правильного атомного строения, но и к энергетическим изменениям в области дефекта. В этом месте могут уменьшиться или увеличиться, а также исказиться пара-
...
кубической решетки. Такая местная геомет­рическая и энергетическая неравномерность в решетке приводит к тому, что при нали­чии каких-либо внешних энергетических воздействий (теплота, колебания, облучение и т. д.) дефектные места первыми выходят из занимаемого положения и начинают пере­мещаться. Если речь идет о пропусках в узлах или замещенных в узлах атомах, то при их перемещении место в узле занимает атом основного элемента, свободная энергия в этом узле понижается до величины свобод­ной энергии бездефектных узлов решетки. Может быть и так, что при перемещении
...
Рис. 7. Точечные дефекты кристаллической решет­ки:
...
Линейные (одномерные) дефекты образуются вследствие появления в какой-то части кристалла дополни­тельной атомной плоскости (экстра­плоскости) вследствие частичного сдвига в кристалле одной части пло­скостей по отношению к другой.
...
Линия дислокации представляет со­бой проекцию внедренного атомного ряда и обозначается значком _|_, если дислокация положительная (экстра­
...
Степень искажения кристаллической решетки — показатель энергии нестабильности дислокации. Этот показатель определя­ется вектором Бюргерса— отрезком, на который одна из сторон замкнутого четырехугольника вокруг дислокации (АВСИ)
...
дислокации можно представить себе как смещение в кристалле одной части атомных рядов по отношению к другой (рис. 9, а)
...
В связи с меньшей энергетической устойчивостью места выхода дислокаций на поверхность легче травятся и обнаруживаются, таким образом, на полированной поверхности в виде ямок травле­ния (рис. 10).
...
Причины образования дислокаций до сих пор достаточно точно не установлены. Однако чаще всего появление их связывают с ус­ловиями кристаллизации. При этом значение могут иметь различ­ные факторы, нарушающие последовательное бездефектное по­строение кристаллической решетки металла. Этими факторами могут быть возникновение напряжений в растущем кристалле, его деформация, сегрегация примесей с изменением состава смеж­ных атомных слоев, ускоренное охлаждение, осложняющее нор­мальные условия роста зерен.
...
Особенно большое скопление дислокаций имеет место на гра­ницах зерен. В этих участках высокая плотность дислокаций связана с сильной (большеугловой) разориентировкой атомных плоскостей на поверхностях различных зерен, выросших из раз­ных центров. Однако повышенная плотность дислокаций имеет место и на границах субзерен с небольшой разориентировкой (малоугловые границы), образовавшихся вследствие полигони-зации.
...
Размножение дислокаций происходит при пластической де­формации. В этом случае протекают-также процессы движения и торможения дислокаций. 24
...
дислокации можно представить себе как смещение в кристалле одной части атомных рядов по отношению к другой (рис. 9, а)
...
В связи с меньшей энергетической устойчивостью места выхода дислокаций на поверхность легче травятся и обнаруживаются, таким образом, на полированной поверхности в виде ямок травле­ния (рис. 10).
...
каций, общая их протяженность в 1 см3 металла (размерность см/см3 или см-2); 3) в процессе возникновения и движения дислока­ций, в процессе пластической деформации они перемещаются к по­верхности, в результате чего на поверхности увеличивается плот­ность участков с повышенной сво­
...
Большое значение имеют дисло­кации для строения и свойств свар­ных соединений. При методах сварки плавлением условия кристаллизации сварочной ванны в связи с термиче­ским циклом сварки во многом от­личны от условий кристаллизации слитков и отливок. Это оказывает характерное влияние на кристалли­ческое строение сварного шва и несовершенства кристаллического строения, плотность которых в швах часто превышает плотность их в круп­ных литых изделиях. Большое зна­чение при этом имеют процессы по-лигонизации, происходящие часто в металле шва после завершения его кристаллизации.
...
циклом сварки. Значение всех этих процессов при сварке плавлением подробнее рассмотрено в гл. II, IV, VI и др., в настоящем разделе дано лишь краткое описание природы и значения дефектов кристалличе-
...
а — связи поверхностных атомов соединяемых металлов (различных) до сближения; б — то же, после сближения на расстояние, близкое к параметру кристаллической ре­шетки одного из металлов, до акти­вации отдельных атомов; в — то же, после активации отдельных атомов;
...
Рис. П. Образование и перемещение краевых дислокаций под действием внешней силы:
...
ского строения металлов. Особенно большое значение дефекты кристаллического строения .имеют при сварке металлов давле­нием в твердом состоянии. Согласно последним представле­ниям, сварка давлением в твердом состоянии предусматривает два необходимых условия. Первое — это сближение сварива­емых соединяемых поверхностей на оптимальное расстояние, при котором могут реализоваться силы атомного взаимодействия. Однако такого сближения еще недостаточно, чтобы произошло соединение сближенных поверхностей в неразъемное соедине­ние. Поскольку поверхностные атомы на сближенных независи­мых поверхностях не активны, их силовые поля уравновешены полями соседних и внутренних атомов в каждой из свари­ваемых частей (рис. 12, а, б).
...
Однако для установления таких связей с атомами приближен­ной поверхности следует разорвать пересыщенные связи поверх­ностных атомов. Для этого необходимо второе условие — затрата определенной энергии для их активации. Такая активация уча­стков на соединяемых поверхностях достигается при пластиче­ской деформации их в процессе сдавливания за счет выхода на по­верхность дислокаций с повышенной свободной энергией. При этом условии может совершиться электронный обмен между ато­мами соединяемых поверхностей и установление прочной ковалент-ной или металлической связи с образованием за счет этого неразъем­ного сварного соединения (рис. 12, в, г).
...
Без активации поверхностных атомов и электронного обмена связь между поверхностями может быть в лучшем случае только гомеополярной (Ван-дер-Ваальса), непрочной, и такое соединение не будет надежным сварным.
...
Можно предполагать, что активация атомов на поверхности и электронный обмен между атомами соединяемых поверхностей могут быть достигнуты и другими средствами, например нагре­вом, а может быть даже за счет создания между ними определенной разности потенциалов. Однако и то и другое не исключают надле­жащего влияния выхода на поверхность дефектных участков кри­сталлической решетки с повышенной свободной энергией.
...
ского строения металлов. Особенно большое значение дефекты кристаллического строения .имеют при сварке металлов давле­нием в твердом состоянии. Согласно последним представле­ниям, сварка давлением в твердом состоянии предусматривает два необходимых условия. Первое — это сближение сварива­емых соединяемых поверхностей на оптимальное расстояние, при котором могут реализоваться силы атомного взаимодействия. Однако такого сближения еще недостаточно, чтобы произошло соединение сближенных поверхностей в неразъемное соедине­ние. Поскольку поверхностные атомы на сближенных независи­мых поверхностях не активны, их силовые поля уравновешены полями соседних и внутренних атомов в каждой из свари­ваемых частей (рис. 12, а, б).
...
Однако для установления таких связей с атомами приближен­ной поверхности следует разорвать пересыщенные связи поверх­ностных атомов. Для этого необходимо второе условие — затрата определенной энергии для их активации. Такая активация уча­стков на соединяемых поверхностях достигается при пластиче­ской деформации их в процессе сдавливания за счет выхода на по­верхность дислокаций с повышенной свободной энергией. При этом условии может совершиться электронный обмен между ато­мами соединяемых поверхностей и установление прочной ковалент-ной или металлической связи с образованием за счет этого неразъем­ного сварного соединения (рис. 12, в, г).
...
Без активации поверхностных атомов и электронного обмена связь между поверхностями может быть в лучшем случае только гомеополярной (Ван-дер-Ваальса), непрочной, и такое соединение не будет надежным сварным.
...
Можно предполагать, что активация атомов на поверхности и электронный обмен между атомами соединяемых поверхностей могут быть достигнуты и другими средствами, например нагре­вом, а может быть даже за счет создания между ними определенной разности потенциалов. Однако и то и другое не исключают надле­жащего влияния выхода на поверхность дефектных участков кри­сталлической решетки с повышенной свободной энергией.
...
ского строения металлов. Особенно большое значение дефекты кристаллического строения .имеют при сварке металлов давле­нием в твердом состоянии. Согласно последним представле­ниям, сварка давлением в твердом состоянии предусматривает два необходимых условия. Первое — это сближение сварива­емых соединяемых поверхностей на оптимальное расстояние, при котором могут реализоваться силы атомного взаимодействия. Однако такого сближения еще недостаточно, чтобы произошло соединение сближенных поверхностей в неразъемное соедине­ние. Поскольку поверхностные атомы на сближенных независи­мых поверхностях не активны, их силовые поля уравновешены полями соседних и внутренних атомов в каждой из свари­ваемых частей (рис. 12, а, б).
...
При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода свароч­ной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка свар­ного соединения. Во многом образование сварочной ванны и ее кристаллизация зависят от технологии сварки, что убедительно показано в работах А. А. Ерохина, Г. Л. Петрова, И. К. Походни, Н. Н. Прохорова и др., однако существуют и общие закономер­ности плавления и кристаллизации, имеющие важное значение для образования металла шва при дуговой сварке плавлением.
...
Металлы — кристаллические вещества характеризуются при данных условиях строго определенным пространственным распо­ложением атомов. Такое закономерное взаимное расположение атомов у каждого металла обусловлено их энергетическим состоя­нием (взаимодействие системы электронов с ядром) и в соответ­ствии с этим минимумом свободной энергии системы атомов. Таким образом, металл в твердом состоянии при данной темпера­туре имеет определенное, энергетически наиболее устойчивое кри­сталлическое (атомное) строение с минимумом свободной энер­гии Т7.
...
Нагрев или охлаждение вносят в состояние атомов энергети­ческие изменения — изменяются амплитуда колебаний атомов — величины отклонений от узловых положений, условия энергети­ческих взаимодействий внутри самого атома. Все это может при­вести к перестройке в их взаимном расположении, а новое взаимное расположение для данной температуры будет отвечать минимуму свободной энергии системы атомов при изменившемся их энергети­ческом состоянии.
...
Таким образом, изменение температуры меняет свободую энер­гию системы атомов. Свободная энергия каждой из систем атомов с повышением температуры уменьшается, однако для какой-то из систем она может снижаться быстрее. Поэтому, если 7^ (сво-
...
При различных методах сварки плавлением кристаллическое строение металла шва, связанное с условиями перехода свароч­ной ванны из жидкого состояния в твердое, является одним из факторов, определяющих качество и свойства этого участка свар­ного соединения. Во многом образование сварочной ванны и ее кристаллизация зависят от технологии сварки, что убедительно показано в работах А. А. Ерохина, Г. Л. Петрова, И. К. Походни, Н. Н. Прохорова и др., однако существуют и общие закономер­ности плавления и кристаллизации, имеющие важное значение для образования металла шва при дуговой сварке плавлением.
...
Рис. 13. Изменение свободной энергии кристаллического вещества и его рас­плава при повышении температуры: Тх
...
Рис. 13. Изменение свободной энергии кристаллического вещества и его рас­плава при повышении температуры:
...
устойчивыми, и поэтому систематически происходит их разрушение в одном месте и образование — в другом. Размер этих группиро­вок и их устойчивость должны зависеть от степени отклонения от равновесных энергетических условий — от равновесной темпе­ратуры плавления. Чем больше это отклонение и чем больше тем­пература перегрева ЛТП, тем меньше по размеру атомные группи­ровки и тем меньше их устойчивость.
...
Эти группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении ниже равновесной температуры Т2 они станут элементами для надстройки новых атом­ных слоев и образования кристаллов, т. е. естественными центрами самопроизвольной кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем более крупнокристаллическим оказывается металл при пере­ходе из жидкого состояния в твердое.
...
Таким образом, условия плавления металла оказывают влия­ние на процесс последующей кристаллизации и соответственно на свойства металла сварного шва.
...
Рассматривая влияние условий плавления на последующую кристаллизацию и свойства, необходимо остановиться на роли неметаллических включений и карбидов, неизбежно присутству­ющих в сталях и металле сварочной ванны. И те, и другие, сохра­няясь после расплавления в жидком металле, также могут служить затравками для кристаллизации, т. е. центрами несамопроизволь­ной кристаллизации. Этим явлением несамопроизвольной кристал­лизации пользуются на практике для модификации •— измельче­ния кристаллитов при затвердевании.
...
Модифицирующее действие таких включений, естественно, со­храняется только в том случае, если они не растворяются в ванне расплавленного металла. В связи с этим представляют интерес тем­пературы плавления и растворения твердых и тугоплавких вклю­чений, которые могут находиться в стали при ее нагреве и плавле­нии. Особенно большое значение поведение этих включений при плавлении должно иметь для сварки, так как продолжительность пребывания металла при высоких температурах в твердом и жид­ком состояниях очень невелика.
...
Ниже, по данным Ю. А. Геллера и др., приведены приближен­ные значения температур растворения труднорастворимых кар­бидов различных элементов при нагреве стали в твердом состоя­нии. Поскольку растворение карбидов — процесс диффузионный (см. гл. III), оно протекает во времени. Приведенные сведения относятся к продолжительности нагрева ~3 мин. При меньшей продолжительности нагрева полного растворения карбидов та­ких элементов, как \\^, V , Т5, при нагреве стали в твердом состоя­нии может не произойти, и карбиды частично перейдут в жидкую ванну:
...
устойчивыми, и поэтому систематически происходит их разрушение в одном месте и образование — в другом. Размер этих группиро­вок и их устойчивость должны зависеть от степени отклонения от равновесных энергетических условий — от равновесной темпе­ратуры плавления. Чем больше это отклонение и чем больше тем­пература перегрева ЛТП, тем меньше по размеру атомные группи­ровки и тем меньше их устойчивость.
...
Эти группировки атомов имеют большое значение для процесса кристаллизации, поскольку при охлаждении ниже равновесной температуры Т2 они станут элементами для надстройки новых атом­ных слоев и образования кристаллов, т. е. естественными центрами самопроизвольной кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем более крупнокристаллическим оказывается металл при пере­ходе из жидкого состояния в твердое.
...
Таким образом, условия плавления металла оказывают влия­ние на процесс последующей кристаллизации и соответственно на свойства металла сварного шва.
...
Рассматривая влияние условий плавления на последующую кристаллизацию и свойства, необходимо остановиться на роли неметаллических включений и карбидов, неизбежно присутству­ющих в сталях и металле сварочной ванны. И те, и другие, сохра­няясь после расплавления в жидком металле, также могут служить затравками для кристаллизации, т. е. центрами несамопроизволь­ной кристаллизации. Этим явлением несамопроизвольной кристал­лизации пользуются на практике для модификации •— измельче­ния кристаллитов при затвердевании.
...
Модифицирующее действие таких включений, естественно, со­храняется только в том случае, если они не растворяются в ванне расплавленного металла. В связи с этим представляют интерес тем­пературы плавления и растворения твердых и тугоплавких вклю­чений, которые могут находиться в стали при ее нагреве и плавле­нии. Особенно большое значение поведение этих включений при плавлении должно иметь для сварки, так как продолжительность пребывания металла при высоких температурах в твердом и жид­ком состояниях очень невелика.
...
В принципе, в ванне жидкой расплавленной стали даже при небольших степенях перегрева, карбиды всех основных легирую­щих элементов должны растворяться в соответствии с данными тройных диаграмм состояния железо—углерод—легирующий эле­мент. Однако процесс их растворения и в этом случае носит диф­фузионный характер и протекает во времени. Поэтому при быстро-протекающем нагреве, малых степенях перегрева и малой продол­жительности существования ванны наиболее тугоплавкие карбиды могут сохраниться. Об относительной скорости растворения в жид­кой стали различных карбидов можно судить по их температуре плавления [11].
...
дугой доходит примерно до 2300° С, однако продолжительность пребывания ванны при этой температуре крайне мала, поэтому рас­считывать на полное растворение тугоплавких примесей при этой температуре не приходится. Продолжительность существования сварочной ванны для разных видов и режимов сварки существенно различается, однако для трех указанных случаев она, как правило, не превышает 1—2 мин (если исходить из соотношения ^ = £в/исв, где 1п
...
Исходя из всего рассмотренного, можно считать, что к началу периода кристаллизации в сварочной ванне из-за большого пере­грева либо нет совсем либо остается очень мало естественных цен­тров кристаллизации, какими могли стать сохранившиеся группи­ровки атомов, и неизбежны искусственные зародыши кристаллиза­ции, природа и количество которых зависят от состава сваривае­мого и присадочного материалов, условий сварки и используемых сварочных материалов. Попадание в ванну из металла,электрод­ного покрытия или флюса соединений таких металлов, как Ш, Мо, V, Л,
...
Возникающие в сварочной ванне конвекционные потоки в свя­зи с воздействием газодинамической и электромагнитной сил долж­ны приводить к рассредоточению нерастворившихся тугоплавких частиц.
...
Процесс кристаллизации расплавленного металла так же, как и процесс плавления, связан с переходом к состоянию с мень­шей свободной энергией. Если считать, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое объем его мало меняется (а это практически правильно, так как для большинства металлов сред­нее изменение плотности составляет 3%), то справедливо выраже­ние и
...
Для того чтобы начался процесс кристаллизации, не­обходимо отклонение от рав­новесной температуры — пе­реохлаждение жидкого ме­талла на величину Д7К. При этом свободная энергия ме­талла изменится на вели­чину А/к.' Практически влиять на степень переохлаждения можно, изменяя скорость ох­лаждения металла, увеличе­
...
увеличение степени переохлаждения может быть беспредельным. Практически предельная ее величина зависит от природы ме­талла. Например, по данным Ю. М. Лахтина, при охлаждении расплавленного олова достигнута величина АТК
...
Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость группо­вых образований (построений) атомов, создающих центры дальней­шей кристаллизации при самопроизвольном процессе. Естественно, чем меньше величина АТК, чем ближе к равновесной температуре
...
размеру и менее устойчивы образу­ющиеся центры кристаллизации. Это обстоятельство определяется связью размера образующегося зародыша кристаллизации 7? с изменением сво­бодной энергии А/к. С одной стороны, с увеличением размера зародыша сво­бодная энергия должна уменьшаться в связи с увеличением объема жидкого металла, переходящего в более равновесное при данном пе­реохлаждении твердое состояние
...
Рис. 15. Влияние размеров кристал­ла (зародыша) при переходе из жидкого состояния в твердое на из­менение свободной энергии металла:
...
1 — влияние увеличения объема ме­талла, не переходящего из жидкого состояния в твердое; 2 — влияние увеличения поверхностной энергии;
...
Рис. 14. Влияние скорости охлаждения на степень переохлаждения металла (схема)
...
Рис. 17. Зависимость скорости зарождения центров кристалли­зации и скорости роста кристал­лов от степени переохлаждения: I
...
Критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения (рис. 16), это приводит к тому, что с уве­личением степени переохлаждения создаются условия для обра­зования большего числа зародышей.
...
Одновременно с появлением зародышей начинается их рост — подстройка атомов с образованием соответствующей кристалличе­ской решетки. Естественно, что и процесс роста кристалла в рас­плаве (переход из жидкого состояния в твердое) связан с откло­нением от равновесной температуры — от степени переохлажде­ния. И скорость зарождения кристаллов (с. з.), и скорость их роста (с. р.) повышаются с увеличением степени переохлаждения (рис. 17). Однако повышение скорости образования зародышей происходит при переохлаждении быстрее, чем повышение скорости их роста. Чем больше переохлаждение, тем большей оказывается разница между скоростями этих процессов. Поэтому при малых степенях переохлаждения (при малых скоростях охлаждения) закристал­лизовавшийся металл оказывается более крупнозернистым, чем при больших степенях переохлаждения (больших скоростях охла­ждения). Это имеет важное практическое значение.
...
Приведенная закономерность увеличения скоростей зарожде­ния и роста кристаллов справедлива только до определенных зна­чений степени переохлаждения, после чего, достигнув максимума, эти скорости начинают снижаться. Это связано с тем, что и заро­ждение, и особенно рост кристаллов, требуют непрерывного по-
...
Рис. 17. Зависимость скорости зарождения центров кристалли­зации и скорости роста кристал­лов от степени переохлаждения: I
...
ступления атомов к местам их образования и роста, а подвижность атомов с понижением температуры уменьшается. Таким образом, с увеличением степени переохлаждения скорости зарождения и роста кристаллов повышаются, пока определяющим фактором является уменьшение свободной энергии металла, и начинают снижаться после того, как решающее значение приобретает умень­шение подвижности атомов.
...
Помимо таких естественных очагов кристаллизации, какими становятся образовавшиеся из расплава зародыши, кристалли­зация может развиваться на частицах включений, не растворив­шихся при плавлении или выделившихся из расплава выше тем­пературы начала кристаллизации металла. Наилучшими затрав­ками такого рода служат вещества, кристаллическая решетка ко­торых по типу и параметру близка к решетке кристаллизующегося металла. Поэтому наилучшими очагами для такой кристаллиза­ции являются частицы или поверхности того же металла, что и расплав. Однако примеси, не имеющие указанного структурного соответствия с расплавленным металлом, также могут стать искус­ственными центрами для кристаллизации, если они находились в расплаве и поверхностные силы привели к адсорбции на них атомов расплавленного металла. Поскольку рассмотренные центры кристаллизации существуют и в жидком металле, для кристалли­зации на них требуется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного зародыша — кристаллизация на них начинается раньше.
...
Рассмотренные общие закономерности кристаллизации опре­деляют характер строения металлургических слитков металлов, фасонного литья и металлов сварных швов. Основными элемен­тами литого строения являются дендрит и кристаллит. Эти эле­менты присущи как крупным отливкам и слиткам, так и сварным швам, однако характер кристаллизации крупных отливок и свар­ных швов, выполненных сваркой плавлением, существенно от­личается.
...
Образование при кристаллизации дендритов—древовидных кри­сталлов со стволом и ветвями — определяется двумя положениями. Во-первых, рост первичного образования зародыша кристалла наиболее активно идет в направлении, перпендикулярном плоско­стям с наибольшей плотностью упаковки атомов. Во-вторых, там, где отвод теплоты от атома неравномерен, наиболее активно рост идет в направлении, перпендикулярном плоскости отвода теплоты.
...
В реальных условиях кристаллизация расплавленного ме­талла идет в пространстве, ограниченном твердыми, более холод­ными поверхностями — стенки и дно изложницы, стенки литей­ной формы, границы твердого металла в сварочной ванне. В этом случае рост основной оси (ось первого порядка — стволы дендри­тов), образующейся близко от поверхности кристаллизации, Должен идти перпендикулярно к этой поверхности. В этом же
...
ступления атомов к местам их образования и роста, а подвижность атомов с понижением температуры уменьшается. Таким образом, с увеличением степени переохлаждения скорости зарождения и роста кристаллов повышаются, пока определяющим фактором является уменьшение свободной энергии металла, и начинают снижаться после того, как решающее значение приобретает умень­шение подвижности атомов.
...
Помимо таких естественных очагов кристаллизации, какими становятся образовавшиеся из расплава зародыши, кристалли­зация может развиваться на частицах включений, не растворив­шихся при плавлении или выделившихся из расплава выше тем­пературы начала кристаллизации металла. Наилучшими затрав­ками такого рода служат вещества, кристаллическая решетка ко­торых по типу и параметру близка к решетке кристаллизующегося металла. Поэтому наилучшими очагами для такой кристаллиза­ции являются частицы или поверхности того же металла, что и расплав. Однако примеси, не имеющие указанного структурного соответствия с расплавленным металлом, также могут стать искус­ственными центрами для кристаллизации, если они находились в расплаве и поверхностные силы привели к адсорбции на них атомов расплавленного металла. Поскольку рассмотренные центры кристаллизации существуют и в жидком металле, для кристалли­зации на них требуется меньшая степень переохлаждения, чем для образования естественного зародыша — кристаллизация на них начинается раньше.
...
Рассмотренные общие закономерности кристаллизации опре­деляют характер строения металлургических слитков металлов, фасонного литья и металлов сварных швов. Основными элемен­тами литого строения являются дендрит и кристаллит. Эти эле­менты присущи как крупным отливкам и слиткам, так и сварным швам, однако характер кристаллизации крупных отливок и свар­ных швов, выполненных сваркой плавлением, существенно от­личается.
...
Образование при кристаллизации дендритов—древовидных кри­сталлов со стволом и ветвями — определяется двумя положениями. Во-первых, рост первичного образования зародыша кристалла наиболее активно идет в направлении, перпендикулярном плоско­стям с наибольшей плотностью упаковки атомов. Во-вторых, там, где отвод теплоты от атома неравномерен, наиболее активно рост идет в направлении, перпендикулярном плоскости отвода теплоты.
...
В реальных условиях кристаллизация расплавленного ме­талла идет в пространстве, ограниченном твердыми, более холод­ными поверхностями — стенки и дно изложницы, стенки литей­ной формы, границы твердого металла в сварочной ванне. В этом случае рост основной оси (ось первого порядка — стволы дендри­тов), образующейся близко от поверхности кристаллизации, Должен идти перпендикулярно к этой поверхности. В этом же
...
направлении в стволе выстраиваются одинаковые кристаллографи­ческие плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные плотно-упакованным. Подрастающий ствол сам становится элементом от­вода теплоты, в связи с чем от него в разных местах в сторону начинают расти ветви — оси второго порядка также с указанной определенной ориентацией кристаллографических плоскостей. За­тем от этих осей второго порядка растут оси третьего порядка и т. д.
...
При столкновении твердых поверхностей растущих осей раз­ных порядков завершается постройка кристаллита. Оси кристалли­тов имеют ориентированное кристаллическое строение и анизо­тропны по свойствам. Если дендрит растет не на холодной плоско­сти, а от центра кристаллизации в центре расплава, условия его роста определяются только преимущественным наслоением атомов по определенным плоскостям, и он принимает более сферическую форму, в то время как дендрит, растущий на плоскости, вытяги­вается перпендикулярно плоскости отвода теплоты.
...
Наличие многих очагов кристаллизации приводит к тому, что при кристаллизации зарождается и растет много дендритов или равновесных кристаллов. Поверхности растущих кристаллов стал­киваются и мешают взаимному развитию. Поэтому форма их ста­новится неправильной, размеры разными, а благодаря различной ориентировке конгломерат — поликристаллический металл те­ряет анизотропность отдельных осей и становится изотропным. Образовавшиеся при таком росте, потерявшие правильную форму разориентированные дендриты и кристаллы называют кристал­литами.
...
При рассмотрении дендритного строения литого металла сле­дует иметь в виду еще одну особенность — неоднородность хи­мического состава по сечению дендрита. В связи с тем, что первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые, содержат меньше примесей, оси дендритов значительно меньше загрязнены примесями, чем металл в межосных пространствах. Эту разницу по содержанию примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скорости кристаллиза­ции и скорости охлаждения. Наиболее склонны к ликвации угле­род, сера, фосфор. В меньшей степени к ликвации склонны крем­ний, марганец, хром, молибден, вольфрам. Степень дендритной ликвации может быть очень большой. По данным А. М. Якушева, дендритная ликвация в трехтонном слитке стали составляет: по сере —200%, фосфору —120%, углероду —60%, кремнию —20%, марганцу —15%.
...
С учетом изложенных общих закономерностей кристаллиза­ции, можно рассмотреть металлургические особенности кристал­лизации и кристаллического строения слитков и сварных швов, полученных методами дуговой сварки плавлением. -36
...
направлении в стволе выстраиваются одинаковые кристаллографи­ческие плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные плотно-упакованным. Подрастающий ствол сам становится элементом от­вода теплоты, в связи с чем от него в разных местах в сторону начинают расти ветви — оси второго порядка также с указанной определенной ориентацией кристаллографических плоскостей. За­тем от этих осей второго порядка растут оси третьего порядка и т. д.
...
При столкновении твердых поверхностей растущих осей раз­ных порядков завершается постройка кристаллита. Оси кристалли­тов имеют ориентированное кристаллическое строение и анизо­тропны по свойствам. Если дендрит растет не на холодной плоско­сти, а от центра кристаллизации в центре расплава, условия его роста определяются только преимущественным наслоением атомов по определенным плоскостям, и он принимает более сферическую форму, в то время как дендрит, растущий на плоскости, вытяги­вается перпендикулярно плоскости отвода теплоты.
...
Наличие многих очагов кристаллизации приводит к тому, что при кристаллизации зарождается и растет много дендритов или равновесных кристаллов. Поверхности растущих кристаллов стал­киваются и мешают взаимному развитию. Поэтому форма их ста­новится неправильной, размеры разными, а благодаря различной ориентировке конгломерат — поликристаллический металл те­ряет анизотропность отдельных осей и становится изотропным. Образовавшиеся при таком росте, потерявшие правильную форму разориентированные дендриты и кристаллы называют кристал­литами.
...
При рассмотрении дендритного строения литого металла сле­дует иметь в виду еще одну особенность — неоднородность хи­мического состава по сечению дендрита. В связи с тем, что первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые, содержат меньше примесей, оси дендритов значительно меньше загрязнены примесями, чем металл в межосных пространствах. Эту разницу по содержанию примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скорости кристаллиза­ции и скорости охлаждения. Наиболее склонны к ликвации угле­род, сера, фосфор. В меньшей степени к ликвации склонны крем­ний, марганец, хром, молибден, вольфрам. Степень дендритной ликвации может быть очень большой. По данным А. М. Якушева, дендритная ликвация в трехтонном слитке стали составляет: по сере —200%, фосфору —120%, углероду —60%, кремнию —20%, марганцу —15%.
...
С учетом изложенных общих закономерностей кристаллиза­ции, можно рассмотреть металлургические особенности кристал­лизации и кристаллического строения слитков и сварных швов, полученных методами дуговой сварки плавлением. -36
...
направлении в стволе выстраиваются одинаковые кристаллографи­ческие плоскости элементарных ячеек, перпендикулярные плотно-упакованным. Подрастающий ствол сам становится элементом от­вода теплоты, в связи с чем от него в разных местах в сторону начинают расти ветви — оси второго порядка также с указанной определенной ориентацией кристаллографических плоскостей. За­тем от этих осей второго порядка растут оси третьего порядка и т. д.
...
Кристаллизация слитка после заливки жидкого металла в излож­ницы (рис. 18) начинается с образо­вания слоя мелких разориентирован-ных кристаллов 2
...
поверхности отвода теплоты — стенкам изложницы. Остаю­щийся жидкий металл в центральной части слитка окружен толстым слоем только что закристаллизовавшегося металла, име­ющего высокую температуру, близкую к температуре кристалли­зации. В связи с отсутствием источника активного, направленного отвода теплоты переход в твердое состояние металла практически подвергается либо законам естественной кристаллизации с заро­ждением и ростом центров кристаллизации, либо кристаллизации на готовых зародышах в виде различного рода включений. По-видимому, чаще всего имеют место оба эти фактора. Поэтому, в центре образуется зона разориентированных, близких к равно­осным, кристаллов 4.
...
В слитке, естественно, имеются ликвационные зоны, связанные с неодновременностью кристаллизации по участкам. В соответствии с этим растворимые примеси оттесняются к центру и к верхней части слитка.
...
На рис. 19 представлена схема мгновенного состояния свароч­ной ванны жидкого металла при дуговой сварке плавлением и рас­пределение в ней температур по различным сечениям. В очаге горгния дуги металл сварочной ванны имеет самую высокую тем­пературу ~ 230СГ С, значительно выше температуры кристаллиза­ции. С удалением от очага дуги по разным направлениям темпе­ратура жидкого металла снижается и вблизи кромок, а также вблизи ранее закристаллизовавшегося металла шва становится близкой к температуре кристаллизации. Однако в связи с тем, что в сечении Г—Г,
...
Если мгновенно прекра­тить сварку и создать усло­вия для удержания головной части ванны, то характер кристаллизации можно пред­ставить так, как это изобра­жено на рис. 20. Рост кри­сталлов идет с закристалли­зовавшейся поверхности ме­талла шва. Кристаллы из хвостовой части вытягива­ются вдоль оси шва и имеют большую протяженность, кри­
...
Рис. 19. Схема мгновенного состояния свароч­ной ванны при дуговой сварке с присадочным материалом и распределение температур в различных сечениях жидкой ванны;
...
стей, прорастающие с кро­мок в задней части ванны, составляют с осью шва опре­деленный угол. Размеры и угол наклона к оси шва кри­сталлов, растущих с боковых
...
кромках, приводит к тому, что с жидким металлом ванны сопри­касаются оплавленные, выросшие зерна основного металла. Эти выросшие зерна на границе сплавления служат зародышевой ос­новой для кристаллизации металла сварочной ванны. На оплавлен­ной поверхности зародышами кристаллизации могут стать также не успевшие раствориться и расплавиться карбиды тугоплавких элементов и неметаллические включения. Поэтому рост столбча­тых кристаллов в жидкой сварочной ванне представляет собой пример кристаллизации на искусственных зародышах. Эти кри­сталлы сварочной ванны растут от кромок и имеют вид дендритов разной величины.
...
При сравнительно малой продолжительности существования сварочной ванны (малый объем ванны, повышенная скорость сварки Др.) столбчатые кристаллы могут прорасти до встречи в области центральной линии шва (рис. 22, а).
...
дующих слоев. Однако при мно­гослойной сварке скорости охла­ждения каждого из слоев обычно больше скорости охлаждения ванны при однослойной сварке металла такой же толщины, поэтому кристаллическое строе­ние отдельных слоев и шва в це­лом оказывается более мелким и плотным, с менее, выраженной
...
ликвацией примесей по зонам. Говоря о ликвации примесей, необ­ходимо упомянуть еще об одном явлении — прерывности кристал­лизации и ликвации примесей по слоям кристаллизации. Было заме­чено, что рост кристаллов идет не непрерывно, а с периодическими остановками. Явление это связывается с остановками кристаллиза­ции, вызванными тепловым эффектом (выделение теплоты) при пере­ходе из жидкого состояния в твердое и другими обстоятельствами. При таком прерывистом росте слоев кристаллизации сначала засты­вает наиболее чистый металл, а к концу слоя—металл с повышенным содержанием примесей. В целом неоднородность состава металла шва по слоям кристаллизации подобна показанной на рис. 23.
...
Ранее приведены не все вероятные виды кристаллизации свар­ных швов, а лишь характерные. По этим характерным видам и об­щим законам кристаллизации можно судить о кристаллизации швов и в других случаях.
...
Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другую в соответствии с минимумом свободной энергии, отвечающем тому или иному расположению атомов (см. рис. 13). Такой переход од­ного вида кристаллической решетки в другую при нагреве или охлаждении металла называют аллотропическим или полиморф­ным превращением. Процессы аллотропических изменений подчи­няются законам кристаллизации — для протекания они требуют перенагрева или переохлаждения; рост зерен новой фазы — кри­сталлов с другой атомной решеткой подчиняется законам зарожде­ния и роста зародышей.
...
После кристаллизации из жидкого состояния вторичная кри­сталлизация (перекристаллизация) в твердом состоянии изменяет картину кристаллического строения — возникают и растут новые зерна, появляются новые границы зерен. Характерной особен­ностью для перекристаллизации в твердом состоянии при охлажде­нии является то, что она может происходить при различных, вплоть до очень больших, степенях переохлаждения. Поэтому вторичная кристаллизация может быть диффузионной ■— связанной с пере-
...
дующих слоев. Однако при мно­гослойной сварке скорости охла­ждения каждого из слоев обычно больше скорости охлаждения ванны при однослойной сварке металла такой же толщины, поэтому кристаллическое строе­ние отдельных слоев и шва в це­лом оказывается более мелким и плотным, с менее, выраженной
...
ликвацией примесей по зонам. Говоря о ликвации примесей, необ­ходимо упомянуть еще об одном явлении — прерывности кристал­лизации и ликвации примесей по слоям кристаллизации. Было заме­чено, что рост кристаллов идет не непрерывно, а с периодическими остановками. Явление это связывается с остановками кристаллиза­ции, вызванными тепловым эффектом (выделение теплоты) при пере­ходе из жидкого состояния в твердое и другими обстоятельствами. При таком прерывистом росте слоев кристаллизации сначала засты­вает наиболее чистый металл, а к концу слоя—металл с повышенным содержанием примесей. В целом неоднородность состава металла шва по слоям кристаллизации подобна показанной на рис. 23.
...
Ранее приведены не все вероятные виды кристаллизации свар­ных швов, а лишь характерные. По этим характерным видам и об­щим законам кристаллизации можно судить о кристаллизации швов и в других случаях.
...
Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другую в соответствии с минимумом свободной энергии, отвечающем тому или иному расположению атомов (см. рис. 13). Такой переход од­ного вида кристаллической решетки в другую при нагреве или охлаждении металла называют аллотропическим или полиморф­ным превращением. Процессы аллотропических изменений подчи­няются законам кристаллизации — для протекания они требуют перенагрева или переохлаждения; рост зерен новой фазы — кри­сталлов с другой атомной решеткой подчиняется законам зарожде­ния и роста зародышей.
...
Рис. 23. Характер химической неодно­родности металла сварного^шва по слоям кристаллизации
...
Изменение аллотропических форм в твердом состоянии при­суще различным металлам: железу — Fea, Fey, марганцу — Mna, Mnp, Мпу, Мпб, титану — Tia, Tip, кобальту — Coa, Сор и др. Обычно форму, соответствующую более низкой темпе­ратуре, обозначают а, а более высокой р, у
...
Полиморфные превращения как при нагреве, так и при охла­ждении имеют большое значение и оказываются очень важным фактором влияния на кристаллическую структуру, зернистость и свойства металлов и сплавов.
...
При перекристаллизации зародыши новых зерен возникают, как правило, на границах старых; число зародышей и скорость их роста зависят от скорости нагрева и величины перенагрева, скорости охлаждения и переохлаждения. Это позволяет влиять на размеры зерен в металлах и сплавах.
...
Особое значение процессов вторичной кристаллизации для сварных швов имеет несколько аспектов. Во-первых, при охла­ждении после сварки, если металл сварного шва (закристаллизо­вавшейся сварочной ванны) подвергается вторичной кристалли­зации, нарушается неблагоприятное строение в виде вытянутых столбчатых кристаллов и возникает новая, более мелкозернистая структура, часто из мелких равноосных зерен. Во-вторых, перегре­тые при сварке плавлением или сварке давлением зоны основного металла можно вновь сделать мелкозернистыми за счет дополни­тельного нагрева с малым перенагревом выше температуры поли­морфного превращения с последующим охлаждением с той или иной скоростью.
...
И, в-третьих, при сварке металлов давлением в твердом состоя­нии после обеспечения надлежащего контакта и создания актив­ных центров при перекристаллизации в твердом состоянии, со­провождающейся образованием и ростом новых зерен, происходит прорастание их через бывшую границу раздела и повышение ка­чества и свойств сварного соединения. Немаловажную роль играют и процессы диффузии, которые существенно ускоряются, особенно при некоторых видах полиморфных превращений. Такой эффект улучшения свойств сварного соединения при полиморфном пре­вращении иногда используют, подвергая сварное соединение при сварке давлением многократным циклическим нагревам и охла­ждениям с переходом через температуру превращения.
...
В промышленности чаще всего применяют не чистые металлы, сплавы двух или нескольких элементов на основе (т. е. преи­мущественном содержании) какого-либо одного металла. Так,
...
Изменение аллотропических форм в твердом состоянии при­суще различным металлам: железу — Fea, Fey, марганцу — Mna, Mnp, Мпу, Мпб, титану — Tia, Tip, кобальту — Coa, Сор и др. Обычно форму, соответствующую более низкой темпе­ратуре, обозначают а, а более высокой р, у
...
Полиморфные превращения как при нагреве, так и при охла­ждении имеют большое значение и оказываются очень важным фактором влияния на кристаллическую структуру, зернистость и свойства металлов и сплавов.
...




Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки
Иллюстрации к началам курса «Основы материаловедения»
Необычные свойства обычных металлов