Аллотропические изменения, их роль при сварке

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. 13 Изменение свободной энергии кристаллического вещества и его расплава при повышении температуры:
Т₁ — температура перехода α→γ, Т₂ — температура плавления;
1. Fα = f (T); 2. Fγ = f (T). 3. F_ж = f (T)
Fα  - свободная энергия системы атомов с условным обозначением α
Fγ - свободная энергия системы атомов с условным обозначением γ

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 перемещением атомов (малые степени переохлаждения) и бездиффузи-онной (большие степени переохлаждения).

Изменение аллотропических форм в твердом состоянии присуще различным металлам- железу — Feα, Feγ, марганцу — Mnα, Mnβ, Mnγ, Мnδ, титану — Tiα, Tiβ, кобальту — Coα, Coβ и др. Обычно форму, соответствующую более низкой температуре, обозначают α, а более высокой β, γ и т. д.

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.

Источник: Л.С. Лившиц. "Металловедение для сварщиков". Москва. Машиностроение, 1979.