Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 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 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170

5.3. Термодинамика и кинетика фазовых превращений

5.3 1 Первичная кристаллизация

5.3.1 1. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. Первичная кристаллизация является фазовым переходом материала из жидкого в твердое состояние. Термодинамически этот переход обусловлен повышением свободной внутренней энергии материала с понижением температуры, при котором энергия твердого состояния ниже определенной равновесной температуры То становится меньше энергии жидкого состояния. Для начала кристаллизации необходимо образование зародышей твердой фазы (или центров кристаллизации) и их устойчивый рост. Этот процесс получает развитие, если выделяющаяся объемная свободная энергия становится больше энергии, необходимой для образования поверхности зародыша, а общая свободная энергия системы получает устойчивую тенденцию к понижению. При этом избыток внутренней энергии выделяется в виде теплоты кристаллизации (Qk).

В чистых металлах при идеализированных условиях затвердевания имеет место гомогенная кристаллизация, для которой требуется существенное переохлаждение ниже То до фактической Гпл для достижения необходимой разницы объемных свободных энергий жидкого и твердого состояний. В технических металлах и реальных условиях сварки имеет место гетерогенная кристаллизация при относительно небольшом переохлаждении. При этом готовыми центрами кристаллизации служат в основном оплавленные зерна основного металла, а также твердые частицы в реальном жидком расплаве.

Кристаллизация при сварке имеет направленный характер, обусловленный отводом теплоты в основной металл вследствие наличия градиента температур при локальном действии сварочных источников теплоты. В результате в сварном шве, как правило, образуются столбчатые кристаллиты, растущие от поверхности оплавленного основного металла к центру шва. При этом основанием кристаллита в шве, как правило, служит оплавленное зерно основного металла, хотя возможны случаи, когда кристаллит растет от нескольких близко кристаллографически ориентированных зерен. В определенных условиях в центральной части шва возможно образование равноосных кристаллитов. Рост кристаллитов происходит прерывисто вследствие периодического образования у фронта кристаллизации (ФК) со стороны жидкой фазы зон термического переохлаждения (чистые металлы) или зон концентрационного переохлаждения (сплавы).

5 3.1.2. Кристаллизация чистых металлов При кристаллизации чистых металлов один из вариантов образования зоны термического переохлаждения связан с выделением Qk

4 Заказ № 149 97

(рис. 5.2). После затвердевания некоторого объема металла выделившаяся Qk у ФК отводится как в твердую, так. и жидкую фазы. Последнее приводит к образованию пика на кривой действительной температуры (Гд) в районе ФК и появлению участка в жидкости с отрицательным градиентом температуры. В результате процесс кристаллизации останавливается, при этом возможно частичное оплавление уже закристаллизовавшейся твердой фазы. По мере отвода теплоты от удаляющегося сварочного источника температуры жидкой фазы на некотором расстоянии от ФК становится ниже Гпл, т. е. образуется

Рис. 5.2. Кристаллизация чистых металлов в условиях термического переохлаждения: а - окончание кристаллизации слоя; б - остановка процесса кристаллизации; s - кристаллизация нового слоя; Гл " Гд-температуры плавления и действительная; - Теплота кристаллизации; д;.,-зона термического переохлаждения

зона термического переохлаждения (лгт). После того как 7д на ФК станет равной или несколько ниже Гпл происходит быстрый рост твердой фазы на расстоянии лгт. В дальнейшем также идет прерывистый рост твердой фазы с той же периодичностью. Величина лгт зависит от Qk, градиента Гд, условий отвода теплоты от ФК и других факторов. По мере увеличения лгт возможны плоский, ячеистый или дендритный типы первичной кристаллизации. На поверхности ФК всегда имеются микровыступы, обусловленные выходом под углом к его поверхности кристаллических плоскостей, обладающих тенденцией к преимущественному росту. При малом в период роста очередного слоя ФК остается «квазиплоским». При относительно большом лгт происходит потеря устойчивости плоского ФК и кристаллизация идет путем развития и роста выступов. При развитии осей первого порядка, перпендикулярных к ФК, кристаллиты получают ячеистую микроструктуру, а при развитии также боковых осей второго порядка - дендритную. При плоском типе кристаллизации кристаллиты представляют собой монокристаллические образования, разграниченные друг от друга большеугловыми гра-

ницами. При ячеистом типе кристаллизации кристаллиты представляют собой совокупность ячеек с гладкими сторонами, а при дендритном - совокупность древовидных участков, разграниченных малоугловыми границами (рис. 5.3). В чистых металлах первичная микроструктура (иногда называемая «субструк-

А -л,

(при X, )

Рис. 5.3. Кристаллизация сплавов в условиях концеитрацноиного переохлаждения: Tj,-температура ликвидуса,, Gj-градиенты прн различном распределении действительных температур; Со - исходная концентрация примеси в сплаве; с- распределение примеси в жидкой фазе у фронта кристаллизации (ФК); х.. д: н j: - зоны концентрационного переохлаждения, соответствующие ячеистому, ячеисто-дендрнт-ному и дендритному типу консталлизации

тура») кристаллитов металлографически выявляется очень трудно. Ее можно фиксировать по рельефу на чистых поверхностях швов или на шлифах по различному селективному отражению элементов первичной микроструктуры. Наличие даже незначительного количества примесей, которые скапливаются на границах, существенно повышают степень выявляемости микроструктуры.

4* 99