Наличие искусственных центров кристаллизации будет зависеть от состава свариваемого материала и присадочной проволоки, условий сварки.

Возникающие в сварочной ванне конвективные потоки под воздействием газодинамической и электромагнитной сил должны приводить к рассредоточению нерастворившихся тугоплавких частиц.

Закономерности кристаллизации и формирования первичной структуры сварного шва.

Для того, чтобы начался процесс кристаллизации, необходимо отклонение от равновесной температуры, т.е. переохлаждение ∆Т, при этом свободная энергия изменится на ∆ F.. Повлиять на степень переохлаждение можно путем изменения скорости охлаждения металла, увеличение которой приводит к возрастанию ∆Т. (рис.4)

Рис. 3. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения

Роль степени переохлаждения при кристаллизации сводится к тому, что в жидком металле увеличивается устойчивость образований атомов, создающих зародыши при самопроизвольном процессе, и, как следствие непосредственно влияет на размер зерна. Размер зерна определяет механические свойства (мельче зерно-материал пластичнее и т.п.)

При этом способность зародыша быть центром кристаллизации является его размер R. Только после достижения Rкр зародыш станет устойчивым и начнет расти, вызывая снижение свободной энергии. При этом критический размер зародыша уменьшается с увеличением степени переохлаждения, что приводит к созданию условий для образования большего числа зародышей.

При маленькой степени переохлаждения- крупное зерно, при увеличении переохладления – более мелкое зерно.

Рассмотренные закономерности касаются естественных центров кристаллизации – зародышей образовавшихся из расплава.

В расплаве сварочной ванны, как мы уже говорили, существуют искусственные центры- различные включения. Наиболее лучшими такого рода частицами служат вещества, кристаллическая решетка которых по типу и параметрам решетки близка к решетке кристаллизующегося металла.

Поскольку искусственные центры уже существуют в жидком металле и на их образование не требуется дополнительных затрат энергии, для кристаллизации на них требуется меньшая степень переохлаждения.

Рассмотренные выше закономерности кристаллизации определяют характер строения сварных швов. Основными элементами являются кристаллиты (дендриты) (рис.4)

Рис. 4Схема роста дендрита (а) и строения слитка: 1- зона мелких кристаллов, 2-зона столбчатых кристаллов, 3- зона равноосных кристаллов.

В реальных условиях металл кристаллизуется в ограниченном пространстве с холодными стенками. В этом случае рост основной оси дендрита будет расти перпендикулярно поверхности кристаллизации.

Подрастающий ствол со временем сам становится элементом отвода тепла и от него в разных местах начинают расти ветви второго, третьего и т.д.порядка с определенной кристаллографической ориентацией.

При столкновении твердых поверхностей постройка кристаллита завершается (рис.4). При наличии многих центров кристаллизации растет много дендритов, их поверхности сталкиваются, мешая дальнейшему росту. Форма кристаллов становится неправильной, а благодаря различной ориентации поликристаллический металл становится более однородным (изотропным).

Химическая однородность.

Одной из основных особенностей дендритного строения литого металла является неоднородность состава по сечению дендрита, т.к. находящиеся составляющие в расплаве имеют разную температуру плавления.

Первые порции кристаллизующегося металла наиболее чистые (содержат меньше примесей). Оси дендритов значительно меньше загрязнены примесными атомами по сравнению с межосными пространствами.

Такое различие в содержании примесей в металле осей дендритов и межосных участков называют дендритной ликвацией. Поскольку процесс перемещения атомов примеси диффузионный и связан со временем, степень дендритной ликвации зависит от скоростей кристаллизации и охлаждения.

В большей степени к ликвации склонны углерод, сера. Фосфор, в меньшей – кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам.