Первичной структуры

Серия микроструктур, приведенная на рис. 72, показывает типичный процесс роста зерен (собирательная рекристаллизация). На рис. 12,а представлена структура сплава (твердый раствор хрома в никеле) после окончания первичной рекристаллизации. Видны мелкие равноосные зерна. Повышение температуры приводит к росту отдельных зерен за счет мелких; получается структура, состоящая из отдельных крупных зерен, окруженных мелкими (рис. 72,6). Дальнейшее повышение температуры еще увеличивает число крупных зерен (рис. 72,а), пока, наконец, мелкие зерна не окажутся «поглощенными» крупными, и вся структура тогда будет состоять ,из крупных зерен (рис. 72,г).

1) зародышевый — состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь .возникают зародышевые центры <новых

Практически, и это оказывается не совсем плохо, так как имеется пауза — интервал времени от конца деформации до начала закалочного охлаждения, во время которой происходит рекристаллизация аустенита. Оптимальные результаты достигаются тогда, когда пауза достаточна, чтобы полностью протекала первая стадия рекристаллизации, т. е. наклеп был бы снят и образовались мелкие рекристаллизован-ные зерна аустенита. Выдержка (пауза) сверх той, которая необходима для завершения первичной рекристаллизации приводит к росту зерна и ухудшению свойств. Очевидно, продолжительность паузы зависит от состава стали, температуры, степени деформации и других факторов. Поскольку при таком варианте ВТМО упрочняющего металл наклепа не создается, то и обычного упрочнения (повышения

При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией обработки или первичной рекристаллизации.

Собирательная рекристаллизация. После завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева происходит рост одних рекристаллизованных зерен за счет других путем передвижения большеугловых границ так, что зерна с вогнутыми границами «поедают» зерна с выпуклыми границами. Атом на вогнутой поверхности имеет большее число соседей и, следовательно, меньшую энергию, по сравнению с атомом, находящимся на выпуклой поверхности (рис. 37, а) В результате граница смещается в направлении центра кривизны (рис. 37, а). Механизм роста показан на рис. 37, б. Так как выпуклые границы чаще имеются у малых зерен, а вогнутые •— у больших, то в процессе роста последних малые зерна исчезают. Процесс роста новых рекристаллизованных зерен называют собирательной рекристаллизацией. Основной причиной собирательной рекристаллизации является стремление к уменьшению зернограничной («поверхностной») энергии благодаря уменьшению протяженности границ при росте зерна. Дисперсные частицы второй фазы тормозят рост зерна. Величина зерна тем меньше, чем больше объемная доля включений и выше их дисперсность.

Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассма тривать как зародышевые центры и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентировкой отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выделения примесей. В большинстве случаев причиной вторичной рекристаллизации является торможение роста большинства зерен, образовавшихся при первичной рекристаллизации, дисперсными частицами примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.

а — после первичной рекристаллизации; б — после вторичной рекристаллизации

При первичной рекристаллизации вместо крупных и вытянутых зерен после нагартов-ки образуются более мелкие равноосные зерна. На рис. 7.9,а показана структура сплава (твердый раствор Сг в Ni) после первичной рекристаллизации при 600° С. Этот процесс заключается в том, что на

В холоднодеформированном металле при нагреве миграция границ зерен и изменение их размера и формы имеет свои специфические особенности. В этом случае получает развитие процесс рекристаллизации обработки или первичной рекристаллизации. Движущей силой процесса служит накопленная при пластической деформации энергия, связанная в основном с образованием дислокаций, имеющих высокую плотность (до 10"...Ю12 см~2). Рекристаллизация обработки приводит к образованию новых равноносных зерен с обновленной кристаллической решеткой. При этом свободная энергия рекристаллизованного металла становится меньше, чем деформированного вследствие уменьшения плотности дислокаций (до 10 ...108 см ). Процесс состоит из образования зародышей новых зерен и их роста. Имеется определенная аналогия с фазовыми превращениями диффузионного типа. Накопленная в объеме зерен энергия деформации примерно в 100 раз выше поверхностной энергии их границ, поэтому рекристаллизация на первых этапах может привести к образованию мелких зерен и увеличению их числа (по сравнению с деформированным металлом).

Полигонизация — процесс образования разделенных малоугловыми границами субзерен. Полигонизация представляет собой развитие возникшей при пластической деформации ячеистой структуры. Размытые, объемные сплетения дислокаций вокруг ячеек становятся более узкими и плоскими и превращаются в субграницы, а ячейки — в субзерна. Процесс развивается при температурах более высоких, чем температура отдыха. Субграницы образуются в результате поперечного скольжения и переползания дислокаций в направлении достройки или сокращения экстраплоскостей. Хаотически распределенные дислокации выстраиваются в вертикальные стенки. Тело субзерен практически очищается от дислокаций. Решетки соседних субзерен получают небольшую разориентиров-ку (до нескольких градусов). Скорость полигонизации контролируется относительно медленной скоростью переползания дислокаций, которая определяется скоростью перемещения вакансий. Примеси, образующие на дислокациях облака Коттрелла, тормозят полигонизацию. Субзерна при продолжительной выдержке и повышении температуры склонны к коалесценции, т. е. укрупнению. Движущей силой в этом случае служит разность энергий субграниц до и после коалесценции. При дальнейшем повышении температуры получает развитие процесс первичной рекристаллизации.

При отжиге 1300°С признаков рекристаллизации не наблюдали, и зеронная структура имела вид, характерный для состояния после волочения: сильно вытянутые зерна шириной 2..,7 мкм и длиной 20...100 мим. При 1350°С обнаружено протекание первичной рекристаллизации: структура достаточно однородная, без определенной ориентации с мелкими, примерно одинаковыми по размерам зернами — 13...5 мкм. При отжиге 1400..,1550 имели место процессы собирательной рекристаллизации: при меньших температурах в структуре наблюдали как большие вытянутые зерна' шириной 100...200 мкм, длинной 300...700 мкм, так и мелкие зерна с размерами 5...50 мкм. С увеличением температуры число и размер мелких зерен уменьшался.

Это достигается тем, что сварочные материалы участвуют; а) в защите расплавленного металла в зоне протекания металлургических процессов, а в некоторых случаях и пагротого твердого металла от вредного действия атмосферного воздуха (насыщения его газами атмосферы) в течение всего процесса сварки — в процессе расплавления, переноса в дуге, пребывания в сварочной ванне, кристаллизации; б) в регулировании химического состава металла шва путем его легирования и раскисления; в) в очистке (рафинировании) металла шва — удалении серы, фосфора, включений окислов и шлаков; г) в очистке металла шва от водорода и азота; д) в ряде случаев в модифицировании, измельчении первичной структуры шва.

И ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ

Сочетание рассмотренных выше процессов, степень переохлаждения расплава перед фронтом кристаллизации могут существенно влиять на его искривление и, таким образом, приводить к формированию различных типов первичной структуры. В кристаллизации сплавов существенную роль играют диффузионные процессы и степень переохлаждения.

ТИПЫ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

Рассмотрим три возможных случая кристаллизации сплава при различной протяженности зоны концентрационного переохлаждения Ь\, Ь2 и Ьз (рис. 12.11), вызванной различными распределениями температуры в жидкой фазе Тф\, Гфа Т$3 (критерии концентрационного переохлаждения соответственно Фь d>2, Фз). Условием, определяющим характер роста кристалла и формирование первичной структуры, будет соотношение двух параметров: Ф и ACo/k (A — экспериментально определяемая постоянная для данного Со, зависящая от теплофизических свойств; k — коэффициент распределения). При малой протяженности зоны концентрационного переохлаждения Ь\ Ф\ >

Рис. 12.12. Типы первичной структуры

12.3. Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва

Форма и размеры кристаллитов шва представляют собой как бы макроэлементы первичной структуры и их часто называют макроструктурой.

Анализ процесса кристаллизации сварного шва, его макроструктуры позволяет установить направление роста, форму и характер смыкания кристаллитов в шве. Оценка параметров концентрационного переохлаждения, распределений температурных градиентов и скорости кристаллизации в различных зонах шва необходимы для определения типа образующейся первичной структуры.

Изложенные в п. 12.2 общие положения теории кристаллизации и основные закономерности формирования первичной структуры справедливы и для процессов формирования первичной структуры сварного шва.

Под влиянием конкретных тепловых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического состава сплава, градиента температур, скоростей сварки и кристаллизации в различных зонах шва возможно образование разной первичной структуры — столбчатой, полиэдрической. Столбчатая и полиэдрическая структура, в свою очередь, могут быть ячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Все эти структуры в шве можно не только получить, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следует из теории концентрационного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла, как скорость кристаллизации vKf и градиент температур в жидкой фазе grad T$, оказывающей наиболее существенное влияние на образующуюся структуру, можно рационально подбирать и изменять при сварке. Температурный градиент в жидкости может быть повышен увеличением тепловой мощности дуги путем повышения напряжения или силы тока или может быть понижен путем предварительного подогрева. Скорость кристаллизации можно регулировать изменением скорости сварки.