Физическое строение металлов и сварных соединений

Основой химических элементов, в том числе и металлов, является атом, состоящий из электрически положительного заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Способность атомов соединяться друг с другом, образовывая связи различной прочности, объясняется разницей в электронном строении элементов. Свойства атома, а также связь между собой атомов одних и тех же элементов и атомов различных элементов зависят от общего числа электронов в атоме, расположения их по электронным уровням. Соединение отдельных атомов между собой и образование атомных комплексов обусловливает создание молекул химических соединений, образование атомных агрегатов металлов и других веществ. Эта способность атомов одного и того же или различных веществ образовывать неразъемное соединение является важнейшим фактором при сварке металлов. Основой образования неразъемных соединений является взаимодействие электронов, а движущей силой этого взаимодействия — стремление атомов к образованию завершенных электронных оболочек и достижению наиболее устойчивого распределения электронов. Возможность отдачи электронов одними атомами и присоединения их другими создает положительно и отрицательно заряженные ионы, которые, притягиваясь друг к другу, обусловливают наличие прочной атомной связи. Оставшиеся у ионов заполненные или незаполненные оболочки, взаимодействуя, определяют строгую закономерность расположения атомов-ионов в пространственной кристаллической решетке. Характер этого расположения атомов определяет вид пространственной кристаллической решетки. Для соединения двух металлов имеет значение соответствие их кристаллического строения и размеров атомов. Лучшие условия для совмещения атомов и установления общности кристаллического строения атомов, т. е. для сварки, будут при одинаковых кристаллических решетках, однотипных решетках с близкими параметрами и атомами с близкими размерами. В реальных условиях четкая закономерность нарушается наличием несовершенств кристаллической структуры, которые определяют основные механические свойства металлов— способность сопротивляться воздействию внешних сил, способность к деформации при нагружении, склонность к хрупкости и поведение при сварке.

Металлы как кристаллические вещества при данных температуре и давлении характеризуются строго определенным пространственным расположением атомов, т. е. металл в твердом состоянии при данной температуре имеет энергетически устойчивое кристаллическое строение с минимумом свободной энергии, которой обладает атом или комбинация атомов. Нагрев или охлаждение вносят в состояние атомов энергетические изменения, а это может привести к перестройке в их взаимном расположении с минимумом свободной энергии. Следовательно, изменение температуры приводит к изменению свободной энергии. Однако до определенных температур нагрева металл остается кристаллическим телом. Повышение температуры приведет к дальнейшему изменению энергетического состояния атомов, близкому к энергетическому состоянию жидкости. При увеличении нагрева цельность металлической решетки нарушается, а в отдельных участках могут сохраняться отдельные группировки относительно закономерно построенных атомов. В силу энергетических условий они не могут быть устойчивыми, поэтому происходит их систематическое разрушение и образование. Эти группировки атомов в процессе кристаллизации становятся центрами кристаллизации. Чем меньше этих центров, тем из более крупных кристаллов будет состоять металл при переходе из жидкого состояния в твердое. Следовательно, условия плавления металла оказывают влияние на процесс кристаллизации и соответственно на свойства металла сварного шва. Однако из-за большого перегрева металла в сварочной ванне к моменту кристаллизации останется очень мало указанных центров кристаллизации или они вообще будут отсутствовать. Поэтому в сварочную ванну необходимо вводить искусственные центры кристаллизации, природа и количество которых зависят от условий сварки и используемых сварочных материалов, состава основного и присадочного металлов.

В связи с многообразием условий образования и охлаждения сварочной ванны кристаллизация    ее происходит значительно сложнее по сравнению со слитком. В месте горения дуги металл сварочной ванны имеет температуру, значительно превышающую температуру кристаллизации (около 2300°С). С удалением от очага дуги температура жидкого металла снижается и вблизи кромок и ранее закристаллизовавшегося металла становится близкой к температуре кристаллизации. На линии, проходящей через дугу и свариваемые кромки, температура расплава на границе жидкого и твердого металлов выше, чем в местах ближе к хвостовой части ванны, поэтому рост кристаллов в хвостовой части ванны значительно опережает рост кристаллов у кромок в зоне максимальных температур.

Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другую, который называется аллотропическим (полиморфным) превращением и подчиняется законам кристаллизации. После перехода металла из жидкого состояния в твердое (перекристаллизация) изменяется его кристаллическое строение. Перекристаллизация как при нагреве, так и при охлаждении является очень важным фактором, влияющим на кристаллическую структуру, зернистость и свойства металлов. При сварке перекристаллизация позволяет нарушить неблагоприятное строение в виде вытянутых столбчатых кристаллов и создать более мелкозернистую структуру. Перегретые при сварке зоны основного металла можно за счет дополнительного нагрева с последующим   охлаждением   вновь   сделать   мелкозернистыми.

Упругая и пластическая (остаточная) деформация металла в зоне сварного соединения, связанная с локальным нагревом при сварке плавлением, оказывает в ряде случаев решающее влияние на формирование качественного сварного соединения. Деформация происходит под действием внешних сил. При упругой деформации после устранения этой внешней силы форма и размеры металлической конструкции восстанавливаются, а при пластической — остаются неизменными. В процессе сварки и охлаждения металл сварного соединения подвергается сложному температурно-деформационному воздействию. После остывания в зоне шва и прилегающих к нему небольших участков основного металла остаются высокие напряжения и соответствующие упругие деформации. Механизм   пластической  деформации связывают с Перемещением несовершенств кристаллического строения металлов. Однако перемещение несовершенств (дислокаций) происходит не свободно, а с задержкой у различных препятствий, создающих условия для увеличения сопротивления, а следовательно, и усилия для продвижения последующих дислокаций. Поэтому по мере перемещений дислокаций и соответственно роста пластической деформации металл упрочняется, что приближает стадию его разрушения. Явления, происходящие в металле при пластической деформации, повышают свободную энергию металла, связанную с тем, что упругопластические преобразования в процессе охлаждения приводят к возникновению высокого уровня остаточных сварочных напряжений, вызывающих в отдельных кристаллитах сдвиговую деформацию, а в остальных — упругие искажения. Такое состояние металла сварных соединений делает его более предрасположенным к образованию очагов разрушения под влиянием внешних нагрузок. Повысить термодинамическую устойчивость металла сварного соединения и приблизить ее к основному металлу можно с помощью нагрева, при котором происходят процессы возврата структуры металла и рекристаллизации.

На первой стадии нагрева металла при сравнительно невысокой температуре начинаются изменения, связанные с дефектами кристаллического строения. При дальнейшем повышении температуры в некоторых металлах развивается вторая стадия возврата структуры металла. Чаще всего это бывает в металлах при нагреве после небольших деформаций или в процессе горячей деформации при пониженной температуре. При дальнейшем нагреве начинается процесс первичной рекристаллизации. Небольшое дальнейшее повышение температуры или увеличение времени пребывания при температуре начала рекристаллизации приводит к изменению структуры металла, когда металл приобретает высокую пластичность, а созданная наклепом повышенная прочность снижается. За первой стадией рекристаллизации следует вторая, при которой за счет диффузионных процессов происходит активный рост зерен. Процессы рекристаллизации имеют разностороннее значение при формировании сварных соединений. При дуговой сварке процесс рекристаллизации влияет на строение и свойства сварного соединения. Термодеформационный цикл сварки создает упругопластическую деформацию и высокий уровень остаточных сварочных напряжений. Неравномерность упругопластической деформации при сварке обусловливает различную степень деформирования кристаллитов и их рост. В конечном итоге это приводит к тому, что в сварном соединении возникает четко выраженная разнозернистость, отрицательно влияющая на свойства металла, особенно на его вязкость.

Разрушение металлов чаще всего наступает на завершающей стадии холодной пластической деформации. Для деформации и разрушения сварных соединений возникновение и развитие микропластической деформации в отдельных кристаллитах имеет серьезное значение, и, в частности, может быть одной из основных причин появления холодных трещин, которые образуются в различных зонах сварных соединений (в основном в зоне теплового влияния) через различные интервалы времени после завершения сварки. Для возникновения трещин необходимо наличие усилий, вызывающих упругую и локальную, или микропластическую деформацию. В ненагруженном сварном соединении такими усилиями являются остаточные сварочные напряжения. Поэтому все явления, ведущие к повышению уровня остаточных сварочных напряжений, способствуют появлению холодных трещин. Это может быть большая скорость охлаждения, концентрация и пересечение сварных швов, жесткие и замкнутые контуры сварных участков, резкие переходы сечений, локализация нагрева. Принимая меры к устранению указанных факторов, можно предотвратить появление холодных трещин.

Металл зоны сварного соединения в основном характеризуется таким же комплексом свойств, как и свариваемый металл. Однако в связи с тем, что в сварном соединении может быть значительная разница в свойствах металла различных зон, свойства сварного соединения оценивают по его отдельным зонам и сварного соединения в целом.