Аллотропические изменения, их роль при сварке

Нагрев или охлаждение металла в твердом состоянии может вызвать переход одного вида кристаллической решетки в другой в соответствии с минимумом свободной энергии, отвечающем тому или иному расположению атомов (см. рис. 10). Такой переход одного вида кристаллической решетки в другой 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 перемещением атомов (малые степени переохлаждения) и бездиффузионной (большие степени переохлаждения).

Изменение аллотропических форм в твердом состоянии присуще различным металлам: железу – Fe_α, Fe_γ, марганцу – Мn_α, Мn_β, Мn_γ, Мn_δ; титану – Ti_α, Тi_β; кобальту – Со_α, Со_β 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.

Значение процессов вторичной кристаллизации для сварных швов.
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.