Referatas suvirintu lydiniu savybes ir terminis apdorojimas

9.8 (1 atsiliepimai)

Apimtis
7396 žodžiai (-ių)
Kategorija
Inžinerija

Rašto darbas
Rašto darbas
Rašto darbas
Svarbu! Žemiau pateiktos nuotraukos yra sumažintos kokybės. Norėdami matyti visos kokybės darbą spustelkite parsisiųsti.


suvirintu lydiniu savybes ir terminis apdorojimas

1. SUVIRINTŲ SUJUNGIMŲ STRUKTŪRA IR SAVYBĖS

1.1. Suvirinto sujungimo sudarymo sąlygos

Suvirinimo procese, sulydant sujungiamų gaminių briaunas arba plastiškai jas deformuojant, sujungimo zonoje pasikeičia metalo struktūra ir savybės, susidaro liekamųjų įtempimų laukas. Suvirintiems gaminiams nustatant terminio apdorojimo būtinumą ir optimalius jo režimus, būtina žinoti suvirinimo proceso ypatumus ir jo įtaką suvirinto sujungimo struktūrai ir savybėms.

Suvirinimo procesas gali būti nagrinėjamas kaip termodeformacinis ciklas arba kaip vietinis termomechaninis apdorojimas, kuris vyksta plačiame temperatūrų intervale, esant dideliems greičiams ir įvairiems deformacijos laipsniams. Tam didelę įtaką turi ssuvirinimo metodas ir režimas, suvirinamojo metalo savybės, gaminio storis ir standumas ir kiti faktoriai.

Suvirinimui daugiausia naudojami elektriniai, dujiniai arba mechaniniai koncentruoti energijos šaltiniai, betarpiškai nukreipti į suvirinimo zoną, kurią išlydo arba įkaitina iki plastinio būvio ir sudaro sąlygas suvirinamiems paviršiams susijungti. Suvirinimo procese struktūriniams metalo pokyčiams susidariusios sąlygos skiriasi nuo terminio metalo apdorojimo tuo, kad čia iki reikiamos temperatūros dažniausiai kaitinamas visas gaminys. Kaitinimo temperatūra žemesnė už metalo lydymosi temperatūrą.

Labiausiai naudojamų lydomojo suvirinimo šaltinių energijos koncentracija yra nevienoda, kinta plačiose rribose. Pirmame paveiksle parodyti pagrindinių suvirinimo šaltinių (dujinio, plazminio, lankinio, lazerinio ir elektronų spinduliiuotės) energetinės charakteristikos. Ordinatės ašyje parodytas energijos tankis ( m). Abscisės ašyje – efektyvių kaitinimo dėmių skersmuo (do). Pasvirusios linijos rodo bendrą šaltinio galią.

1 pav. Įvairių suvirinimo ššaltinių galios palyginimas: 1-dujų liepsna, 2-elektros

lankas, 3-plazminis lankas, 4-lazerio spinduliuotė, 5-elektronų spinduliuotė

Pagal visus parametrus suvirinimo šaltiniai vienas nuo kito žymiai skiriasi. Jų bendra galia kinta nuo kelių vatų iki 100 W , maksimalus energijos srauto tankis – nuo 102 iki 107 W/cm2, o efektyvios kaitinimo dėmės skersmuo nuo 100 iki 0,1 mm.

Suvirinant lydomuoju būdu, vienas iš pagrindinių reikalavimų energijos šaltiniui yra tai, kad suvirinimo procese išlydytas metalas ir šalia siūlės esanti zona (priesiūlės zona) neperkaistų.

Naudojant žemos koncentracijos energijos šaltinį, pavyzdžiui, dujinę liepsną, šalia siūlės perkaitinamas metalas ir plačioje zonoje pakinta savybės. Toks energijos šaltinis panaudojamas neefektyviai, nes didesnė šiluminės energijos dalis išsisklaido į aplinką, taip pat neigiamai paveikia kaitinamąjį metalą. Žymiai efektyvesnis ir koncentruotesnis energijos šaltinis yra elektros llankas.

Aukšta energijos koncentracija pasižymi elektronų ir lazerio spinduliuotės. Šią energiją suvirinimo procese galima reguliuoti plačiose ribose tiksliai ją dozuojant. Todėl elektronų ir lazerio spinduliuotės naudojamos legiruotųjų plienų, kitų metalų ir lydinių jautrių perkaitinimui suvirinimui.

Nuo metalo įkaitinimo, šilumos pasiskirstymo ir deformacijų gaminyje priklauso struktūriniai faziniai virsmai, mechaninės, technologinės ir eksploatacinės suvirinto sujungimo savybės. Suvirinimo įtempimams turi įtakos kaitinimo ir aušinimo ciklas. Be to terminių procesų intensyvumą nulemia suvirinimo našumas ir techninis ekonominis efektyvumas.

Suvirinto sujungimo terminio poveikio zonoje fazinius virsmus iir struktūrą nulemia pagrindiniai terminio ciklo parametrai: tmax – maksimali ciklo temperatūra; K-kaitinimo greitis temperatūrų intervale nuo Ac3 iki tmax; ,  it s – buvimo virš Ac3 laikas, atitinkamai kaitinant, aušinant ir suminis; 800-500, 600-500 – aušinimo greitis austenitui skylant 800-500 ir 600-500o temperatūrų intervaluose, o taip pat aušinimo laikas tose temperatūrose 800-500 ir 600-500; -staigus aušinimas austenito mažiausio stabilumo temperatūroje tmin.

Pagal šilumos laidumo lygtis pritaikytas suvirinimo procesams, gautos priklausomybės, kurios plačiai naudojamos suvirinimo terminių ciklų ir parametrų nustatymui.

Pirmas atvejis, kai taškinis greitai judantis galingas kaitinimo šaltinis veikia pusiau begalinį kūną, pavyzdžiui, rumbelės sudarymas ant masyvaus kūno. Proceso ribinio būvio taške A šilumos plitimo terminio poveikio zonoje lygtis:

,

čia rx – plokščias spindulys, vektorius reiškiantis atstumą nuo taško A iki Ox ašies, , kur y0 ir z0 – nejudamos taško A koordinatės, surištos su suvirinamu gaminiu;  – laikas nuo to momento kai šaltinis kerta y0Oz0 plokštumą, kurioje yra taškas A; – šaltinio efektyvioji šiluminė galia ( – naudingumo koeficientas, U – lanko įtampa, I – srovės stiprumas);  – šiluminio laidumo koeficientas; Vsuv. – suvirinimo greitis; a – temperatūrinio laidumo koeficientas.

Momentinis aušinimo greitis nustatomas:

,

čia tmin ir t0 – austenito mažiausio stabilumo ir suvirinamo gaminio temperatūros; – suvirinimo iišilginė energija.

Aušinimo trukmė  800-5000C temperatūrų intervale:

.

tmax priklausomybė nuo rx iki šaltinio persislinkimo ašies yra tokia:

,

čia c – lyginamasis šiluminis talpumas;  – tankis.

Antras atvejis, kai linijinis greitai judantis šaltinis veikia plokštę, pavyzdžiui, suvirinimas vienu traukimu pralydant. Ribinio būvio šilumos plitimo lygtis:

,

čia – temperatūros atidavimo koeficientas;  – šilumos atidavimo koeficientas; y0 – atstumas nuo taško A iki siūlės ašies.

Momentinis aušinimo greitis:

.

Aušinimo trukmė nustatoma pagal formulę:

.

Maksimali įkaitinimo temperatūra duotam taškui atstume y0 nuo siūlės ašies:

.

Temperatūros pasiskirstymas metalo paviršiuje, jį kaitinant nejudančiu taškiniu šilumos šaltiniu, parodytas paveiksle 2,a. Izotermos apskritos su šilumos šaltiniu centre. Judant šilumos šaltiniui, izotermų linijos išsitęsia pagal šaltinio judėjimo kryptį (2 pav.,b). Kuo didesnis šilumos šaltinio judėjimo greitis, tuo mažiau šilumos yra priekinėje dalyje. Labai greitai judant šaltiniui, jo greitis gali viršyti šilumos plitimo greitį, tuomet galimas siūlės neįvirinamumas.

2 pav. 600 ir 10000C temperatūros izotermos: a – nejudančiam šilumos šaltiniui,

b – judančiam šilumos šaltiniui

Šilumos pasiskirstymas pusiau begaliniame kūne įvairiose plokštumose, parodytas trečiame paveiksle.

3 pav. Temperatūros pasiskirstymas įvairiose plokštumose, taškiniam šilumos

šaltiniui judant pusiau begalinio kūno paviršiumi: a – koordinačių ašių

išdėstymo schema, b – temperatūros pagal ašį x (skaičiai rodo y reikšmes),

c – temperatūros pagal aašį y (skaičiai rodo z reikšmes), d – izotermos pusiau

begalinio kūno paviršiuje, e – izotermos pagal kūno skersinį pjūvį

Įvairių suvirinimo zonų terminiai ciklai parodyti ketvirtame paveiksle. Siūlės metalas (1 kreivė) įkaista iki aukštos temperatūros (perkaista), išsilydo ir greitai aušdamas kristalizuojasi. Suvirinimo vonelės perkaitinimo laipsnį galima reguliuoti papildomai įvedant skysto metalo, kai naudojamas impulsinis kaitinimo šaltinis.

4 pav. Suvirinimo ciklų schemos: a – vienasluoksnis, b – daugiasluoksnis,

1 – siūlės metalas, 2 – priesiūlės zona, 3 – terminio poveikio zona

Daugumai suvirintų sujungimų didelę reikšmę turi terminio poveikio zona, kuri yra šalia sulydymo ribos. Metalas prie siūlės įkaista beveik iki lydymosi temperatūros (Tlyd).. Toje vietoje metalas yra perkaitinamas, todėl ši zona dažniausiai nulemia suvirinto sujungimo stiprumą. Perkaitintos zonos terminio ciklo kreivėje (4 pav., 2) parodyti parametrai VK (įkaitinimo greitis), tK (metalo buvimo virš intensyvaus grūdelių augimo pradžios temperatūros laikas, Va (aušinimo greitis fazinio virsmo temperatūrų intervale), kurie nulemia perkaitinto metalo struktūrą ir savybes. Paprastai, daugumai mažai legiruotiesiems plienams momentinis Va nustatomas 5000C temperatūroje. Atskiriems atvejams aušinimo greitis nustatomas 800-5000C temperatūrų intervale (t8/5).

Priklausomai nuo suvirinimo metodo ir sąlygų, visi terminio ciklo parametrai kinta plačiose ribose (5 pav.,1 lentelė). Suvirinant mažos koncentracijos energijos šaltiniu, pavyzdžiui, elektrošlakiniam suvirinimui (4 kreivė)

tK ir t8/5 reikšmės didelės, kai tuo tarpu elektronų spinduliuotės šaltiniui (koncentruotas šilumos šaltinis) tų parametrų reikšmės žymiai mažesnės.

5 pav. Terminio apdorojimo (užštrichuota) ir suvirinimo vienu traukimu terminiai

ciklai: 1 – argonolankinis, 2 – rankinis lankinis, 3 – automatinis po fliusu,

4 – elektrošlakinis, 5 – terminis apdorojimas kaitinant a.d.s., 6 – terminis

apdorojimas kaitinant krosnyje

Suvirinimo procese įkaitinimo ir aušinimo greičiai didesni lyginant su terminiu apdorojimu, išskyrus kaitinant aukšto dažnio elektros srovėmis. Šalia siūlės esančios zonos terminis ciklas ypač sskiriasi nuo terminio apdorojimo ciklo tuo, kad suvirinimo procese metalas yra perkaitinamas.

1 lentelė

Įvairių sujungimo būdų terminiai ciklai

Suvirinamųjų metalų storis, mm Suvirinimo metodas Išilginė

suvirinimo energija, kJ/cm Įkaitinimo greitis 9000C temp.,0C/s Buvimo laikas virš

9000C, s Aušinimo greitis 5000C temp.,0C/s Aušinimo laikas t8/5,s

Kaitinant Aušinant

2-10 Elektronų spinduliuotės 1-5 1000-2000 0,4-0,7 1,0-2,0 20-60 1-6

3-6 Rankinis lankinis 5-15 150-400 2-8 4-10 10-20 5-15

10-25 Lankinis po fliusu 40-60 60-240 4-25 10-75 1-5 15-50

50-220 Elektrošlaki-nis 300-600 3-7 40-160 180-400 0,5-2,0 300-600

– Juostinis apvirinimas 50-120 20-60 20-50 50-120 1-3 50-150

Įvairiais lankinio suvirinimo būdais suvirinant metalus, skirtingose terminio poveikio zonose temperatūros kitimo kreivės yra panašios (4pav.,3). Jos nuo antros kreivės skiriasi tuo, kad yra mažesnė maksimali temperatūra ir mažesnis aušinimo greitis toje temperatūroje.

Kiekvieno suvirinimo būdo terminis ciklas priklauso nuo kaitinimo ššaltinio parametrų, gaminio papildomo kaitinimo ir aušinimo, suvirinamojo metalo savybių, storio ir kitų faktorių. Parenkant optimalų suvirinimo terminį ciklą atsižvelgiama į reikalingą proceso našumą, sujungimo savybes ir kokybę.

Kai suvirinami elementai yra storesni kaip 5-10 mm, siūlė formuojama keliais traukimais. Tuo aatveju terminis suvirinimo ciklas susideda iš kelių palaipsniui mažėjančių temperatūros pikų (4 pav.,b), kurie termiškai apdoroja žemiai esančius sluoksnius.

1.2. Siūlės metalo lydymas ir kristalizacija

Lydomuoju būdu suvirinto sujungimo siūlės struktūra ir savybės priklauso nuo išlydytame metale vykusių procesų ir kristalizacijos. Suvirinimo vonelės susidarymas ir jos kristalizacija labai priklauso nuo suvirinimo technologijos, tačiau esti bendri metalo lydymo ir kristalizacijos dėsningumai, kurie turi didelę įtaką siūlės susidarymui. Siūlės metalo lydymo sąlygos įtakoja kristalizacijos procesą.

Suvirinimo procese, aplinkos deguoniui reaguojant su išlydytu siūlės vonelės metalu, metalas oksiduojasi. 6 paveiksle parodyta siūlės pagrindinių mechaninių savybių (stiprumo ribos – ut, takumo ribos – y, smūginio tąsumo – KCU) priklausomybė nuo deguonies kiekio siūlėje. Siūlės metalo oksidacija žymiai pablogina siūlės mechanines savybes, todėl deguonies sumažinimas yra vienas iš ppagrindinių suvirinimo metalurgijos uždavinių.

6 pav. Deguonies kiekio įtaka siūlės mechaninėms savybėms

Išlydytas siūlės metalas oksiduojasi kai:

– geležis reaguoja su aplinkos oro deguonimi

,

– geležis reaguoja su oksido plėvelėmis, esančiomis ant suvirinamų briaunų

,

– geležies reaguoja su komponentais, esančiais elektrodų glaiste ir apsauginėje aplinkoje

,

– vyksta oksidacijos redukcijos reakcijos metalas-šlakas riboje

,

– geležis reaguoja su sudėtinėmis dujomis ir garu

.

Intensyviau oksiduojasi tie metalai, kurie yra artimesni deguoniui. Metalo giminingumą deguoniui galima nustatyti pagal susidariusio oksido patvarumą, kuris priklauso nuo temperatūros ir sąveikaujančio su oksidu deguonies sslėgio. Kylant temperatūrai oksido patvarumas mažėja, disocijuoja ir išsiskiria deguonis. Tačiau taip bus tik tuomet, kada deguonies besiliečiančio su oksidu slėgis, bus mažesnis už deguonies išsiskyrusio disocijuojant oksidui slėgį.

Oksido disocijacijos tamprumas ir, atatinkamai, elemento giminingumas deguoniui priklauso nuo temperatūros. Paprastai visų metalų oksidų disociacijos tamprumas kylant temperatūrai padidėja, o giminingumas deguoniui sumažėja. 20000C temperatūroje, esant vienodai koncentracijai, labiausiai artimas deguoniui yra Ca, paskui seka Mg, Al, Ti, Si, Mn, Cr, Mo, W, Fe, Ni ir Cu. Toks eiliškumas teisingas, jeigu elementai oksiduojasi laisvai ir nepriklausomai vienas nuo kito yra vienodose išorinėse sąlygose. Realiose suvirinimo sąlygose elemento oksidacija priklauso ne tik nuo jo giminingumo deguoniui, bet ir nuo jo koncentracijos lydale. Elementas oksiduojasi lengviau, jeigu jo yra daugiau.

Deguonies pašalinimas iš skysto metalo vadinamas išoksidinimu. Suvirinimo procese išoksidinimą galima atlikti dviem būdais: vykstant cheminėms reakcijoms tarp išoksidintojo elementų ir deguonies (nusodinamasis išoksidinimas), vykstant fiziniams ir cheminiams procesams tarp metalo ir šlako (difuzinis išoksidinimas). Išoksidintojais gali būti tie elementai, kurie yra labiau giminingi deguoniui negu suvirinamajam metalui. Elementai esantys kairiau geležies, suvirinimo vonelę apsaugo nuo oksidacijos. Dažniausiai išoksidinimui naudojamas manganas ir silicis, nes yra pigesni. Suvirinimo vonelėje vyksta tokios išoksidinimo reakcijos:

,

,

,

.

Manganas ir silicis į suvirinimo vonelę įvedami per elektrodo gglaistą, fliusą ir suvirinimo vielą.

Giminingumo deguoniui eilė Ca, Mg, Al, Ti, Si, Mn, Cr, Mo, W, Fe, Ni, Cu gali būti panaudota įvertinant elemento galimybę legiruoti siūlės metalą. Elementai esantys dešinėje nuo geležies (Ni ir Cu) praktiškai nesioksiduoja ir pereina į siūlės metalą. Kairėje pusėje, toliau nuo geležies esantys elementai labiau oksiduojasi ir laisvu pavidalu į siūlę nepatenka. Tokie elementai kaip Cr ir Mo, esantys šalia geležies, sąlyginai neblogai legiruoja siūlę.

Difuziškai išoksidinant išlydytą siūlės metalą, FeO jungiasi su šlake esančiu SiO2:

.

Susidaręs junginys iškyla į metalo paviršių ir taip deguonis pašalinamas iš suvirinimo vonelės.

Suvirinimo procese vandenilis į išlydyto metalo vonelę gali patekti iš drėgnų elektrodų, drėgnos aplinkos arba apsauginės aplinkos. Nedaug vandenilio gali būti suvirinimo vieloje ir pagrindiniame metale.

7 paveiksle parodytas vandenilio tirpumas geležyje. Kylant temperatūrai, vandenilio tirpumas didėja šuoliškai. Intensyviausiai vandenilis tirpsta geležyje, pereinant iš kieto į skystą būvį. Skystas metalas vandenilio ištirpina apytikriai 3,5 karto daugiau negu kieta fazė. Kristalizuojantis metalui, vandenilis intensyviai išsiskiria iš suvirinimo vonelės. Jeigu metalas kristalizuojasi greitai arba vandenilio lydale yra daug, jis nespėja išsiskirti, sukietėjusioje siūlėje lieka pūslelių pavidalu. Gaunamas siūlės defektas – porėtumas.

7 pav. Temperatūros įtaka vandenilio tirpumui geležyje

Vandenilis siūlėje žymiai sumažina metalo plastiškumą, “vandenilinis metalo trapumas”. Tai svarbi problema, nes dėl tto suvirintos konstrukcijos gali iš lėto suirti. Be to, vandenilis skatina plyšių susidarymą siūlėje ir terminio poveikio zonoje, nes vandenilis išsiskiria ne tik į aplinką, bet ir mikroplyšiuose arba mikrotuštumose. Susikaupęs mikroplyšiuose molekulinis vandenilis sukuria didelį slėgį, kuris didina plyšį.

Siūlėje vandenilį galima sumažinti gerai nuvalius suvirinamas briaunas ir vielą, išdžiovinus elektrodus ir fliusus bei apsaugines dujas. Vandenilio siūlėje būna mažiau kai suvirinama atvirkščio poliškumo nuolatine srove.

Efektyviai sumažinti vandenilio kiekį metale galima jį pervedant į patvarius junginius, t.y. į vandenilio fluoridą (HF) arba hidroksilą (OH). Vandeniliui surišti naudojamas fluoras arba deguonis.

Azotas į suvirinimo zoną patenka, kai blogai apsaugoma nuo oro poveikio. Kai kuriuose metaluose (varyje, sidabre, aukse) azotas praktiškai neištirpsta. Suvirinant šiuos metalus, azotas gali būti apsauginėmis dujomis. Azotas labai tirpsta titane sudarydamas cheminius junginius, labai pablogina savybes. Geležyje azotas tirpsta, ir žemiau 6000C sudaro nitridus Fe3N ir Fe4N. Azoto tirpumas geležyje priklausomai nuo temperatūros parodytas 8 paveiksle. Kaip ir vandenilio atveju geležiai kristalizuojantis, azoto tirpumas labai sumažėja, siūlėje gali susidaryti porėtumas.

8 pav. Temperatūros įtaka azoto tirpumui geležyje

Azotas turi didelę įtaką suvirintos siūlės mechaninėms savybėms (9 pav.). Esant ir nedaug azoto (0,05) siūlės smūginis tąsumas labai sumažėja.

9 pav. Azoto įtaka siūlės mechaninėms savybėms

Kadangi suvirinimo procese

azotas į siūlę patenka iš atmosferos oro, todėl jo galima išvengti suvirinimo zonoje sudarius patikimą apsauginę aplinką. Azoto kiekį mažina manganas ir titanas, nes jie giminingi jam ir sudaro junginius.

Siera ir fosforas yra kenksmingos priemaišos plienuose. Siera į suvirinimo vonelę patenka iš pagrindinio metalo, suvirinimo vielos, glaisto ir fliuso. Ypač nepageidautina kai susidaro FeS, nes kristalizuojantis skystai fazei geležies sulfidas su geležimi sudaro eutektiką, kuri išsidėsto grūdelių ribose. Eutektikos lydymosi temperatūra 9400C, palyginus žema, todėl gali susidaryti karštieji plyšiai. Sieros ppašalinimas yra svarbi metalurginė operacija. Tai pasiekiama į suvirinimo vonelę įvedus elementų labiau giminingų sierai negu geležiai, kurie sudaro junginius pasižyminčius aukšta lydymosi temperatūra ir netirpsta skystame pliene. Tokiems elementams priklauso manganas, kuris sierą suriša vykstant tokioms reakcijoms:

,

.

Mangano sulfido lydymosi temperatūra 16500C, mažai tirpsta skystame pliene, esti kaip atskira fazė. Taip išsierinta siūlė yra atspari karštiesiems plyšiams. Siūlės vonelės metalą galima išsierinti ir kalcio oksidu:

.

Fosforas siūlės metale esti geležies fosfidų pavidalu (Fe3P ir Fe2P). Fosforas žymiai sumažina ssiūlės smūginį tąsumą, ypač žemose temperatūrose. Fosforo kiekis pliene sumažinamas oksiduojant:

ir paskui fosforo oksidą pervedant į patvarius cheminius junginius:

,

.

Susidarę junginiai pasišalina kartu su šlaku.

Siūlės metalo struktūrą ir savybes galima pakeisti legiravimu. Legiruojant siūlės metalą, atsižvelgiama į legiruojančiųjų elementų ggiminingumą deguoniui. Giminingumo deguoniui didėjimo eilė: Cu-Ni-Co-Fe-W-Mo-Cr-Mn-V-Si-Ti-Zr-Al. Elementai esantys kairiau geležies, suvirinimo procese atsistato iš oksidų ir legiruoja siūlės metalą. Volframo ir molibdeno, kurie yra šalia geležies dešinėje pusėjeesančių dešinėje pusėje, pakankamai patenka į siūlės metalą. Kiti elementai intensyviai oksiduojasi todėl, kad daugiau jų patektų į siūlę, suvirinimo vonelę reikia apsaugoti nuo deguonies oksiduojančio poveikio.

Stabiliausiai siūlės metalas legiruojamas kai suvirinimui naudojami legiruotojo plieno elektrodai arba legiruotoji suvirinimo viela. Siūlės metalą gali legiruoti pagrindinis metalas kai yra giliai išlydomas. Suvirinamąjį metalą galima legiruoti taip pat glaistu arba fliusu.

Suvirinant glaistytais elektrodais reikia žinoti kiek legiruojančiųjų elementų į suvirinimo vonelę pereina iš glaisto ir strypo.

Pirmiausia randama santykinė glaisto masė:

,

čia Ggl. – glaisto masė, Gm – elektrodo strypo masė.

Apskaičiuojamas legiruojančiojo elemento kiekis siūlės mmetale:

,

čia  – legiruojančiojo elemento perėjimo iš glaisto į metalą koeficientas, Kgl. – glaisto su šiuo elementu kiekis, Mlk – legiruojančiojo elemento kiekis komponente

Užsidavus reikalingą legiruojančiojo elemento kiekį siūlės metale, reikalingas legiruojančiojo elemento kiekis strype paskaičiuojamas taip:

,

čia el – legiruojančiojo elemento perėjimo iš strypo į metalą koeficientas.

Legiruojant tuo pačiu elementu per glaistą ir strypą, legiruojančiojo elemento kiekis siūlėje apskaičiuojamas taip:

.

Perėjimo koeficientas rodo elemento fizines bei chemines savybes, nudegimą, išsitaškymą ir kt. Praktikoje naudojamasi eksperimentais gautomis vidutinėmis perėjimo kkoeficientų reikšmėmis.

Suvirinimo procese šilumos šaltinis išlydo pagrindinio metalo briaunas. Šis išlydyto metalo tūris, esantis tarp neišsilydžiusio pagrindinio metalo, vadinamas suvirinimo vonele (10 pav.). Suvirinimo vonelėje išlydytas pagrindinis metalas susimaišo su pridėtiniu metalu ir ataušus susiformuoja siūlėje.

10 pav. Suvirinimo vonelės susidarymas

Pagrindinio metalo dalis siūlėje nustatoma koeficientu:

,

čia A0 – pagrindinio išlydyto metalo skerspjūvio plotas, Aapl. – aplydyto metalo skerspjūvio plotas.

Dujų srautas ir elektrinės prigimties jėgos išlydytą metalą išstumia iš lanko apačios (arba kito kaitinimo šaltinio), vonelėje susidaro įdubimas, kuris vadinamas krateriu. Skystas metalas iš priekinės vonelės dalies teka į šaltesnę užpakalinę dalį. Tolstant kaitinimo šaltiniui, užpakalinėje vonelės dalyje intensyviai nuvedama šiluma į užpakalinę pagrindinio metalo dalį. Išlydyto metalo dalelės juda lėčiau ir kristalizuojasi.

Paprastai kristalitai auga statmenai šilumos nuvedimo plokštumai ir stambesni susidaro tuomet, kai skystos ir kietos fazės riboje (11 pav.) yra stambūs pagrindinio metalo grūdeliai.

11 pav. Kristalitų augimo suvirinimo vonelėje schema

Siūlės metalas kaip ir liejiniai kristalizuojasi netolygiai. Atšalus pirmam metalo sluoksniui trumpam sulėtėja kristalitų augimas, nes sulėtėja šilumos nuvedimas ir išsiskiria pirmo sluoksnio slaptoji kristalizacijos šiluma. Po trumpos pauzės, dėl to, kad šiluma pastoviai yra nuvedama į pagrindinį metalą, kristalizuojasi antras sluoksnis ir t.t. Taip metalas periodiškai kristalizuojasi pagal skersinę ir išilginę siūlės kryptis.

Kristalizacinių sluoksnių storis būna nuo ddešimtųjų milimetro dalių iki kelių milimetrų, priklauso nuo išlydyto metalo tūrio ir šilumos nuvedimo sąlygų. Kuo greičiau nuvedama šiluma ir kuo mažesnis skystos vonelės tūris, tuo mažesnis sluoksnių storis. Kristalizacinių sluoksnių išsidėstymas parodytas 12 paveiksle.

12 pav. Kristalizacijos sluoksnių sandūriniame sujungime schemos: a – vaizdas

iš viršaus, b – išilginiame pjūvyje, c – skersiniame pjūvyje

Susikristalizavęs vieno traukimo siūlės metalas yra stulpelinės struktūros, kuri susidaro dėl to, kad šilumos nuvedimo kryptimi, t.y. statmenai sulydymo ribai kristalitai auga greičiau, negu kitomis kryptimis. Kristalito ašis netiesi, o šiek tiek išlenkta link siūlės viršūnės. Kristalitų augimo kryptingumas priklauso nuo skysto ir kieto metalo ribos formos, kuri savo ruožtu priklauso nuo suvirinimo būdo ir režimo. Padidinus suvirinimo srovės stiprumą įvirinimas padidėja, o rumbelės pločio ir įvirinimo gylio (siūlės formos koeficientas) santykis sumažėja, todėl kristalitai augs nuo suvirinamų paviršių iki susidūrimo (13 pav.,a). Pakeitus suvirinimo režimą, gali susidaryti sąlygos kai kristalitai augs link siūlės viršūnės (13 pav.,b). Gaunamas mažesnis įvirinimas (siūlės formos koeficientas didesnis).

13 pav. Siūlės kristalizacijos kryptys: a – esant dideliam įvirinamumui,

b – esant mažam įvirinamumui

Elektrošlakinio suvirinimo procese didelio tūrio suvirinimo vonelė kaitinama iš viršaus, šilumą intensyviai nuveda pagrindinis metalas ir šoninės vandeniu aušinamos sienelės. Siūlės radialine ašine kryptimi dėl didelio suvirinimo vonelės tūrio ir llėto aušimo išauga stambūs stulpeliniai kristalitai, kurie siūlės struktūroje matomi vizualiai. (14 pav.). Struktūros susmulkinimui į išlydytą metalą dedami modifikatoriai – aliuminis, titanas, vanadis ir kt.

14 pav. Elektrošlakiniu būdu suvirintos siūlės kristalitų augimo kryptingumas:

a – išilgai siūlės, b – skersai siūlės

Kristalizuojantis metalui pasireiškia zoninė likvacija, siūlės krašte ir centre elementai pasiskirsto nevienodai. Siūlės metalas, kuris liečiasi su pagrindiniu metalu sukietėja pirmiausia, turi mažiau likvuojančiųjų priemaišų. Likvuojančiųjų priemaišų padaugėja siūlės centre, nes čia skysta fazė sukietėja vėliau. Augant kristalitams skystis praturtėja priemaišomis su žema kristalizacijos temperatūra, Jos sukietėja pirmiausia ir yra nustumiamos į centrinę siūlės dalį, todėl centras yra labiau užterštas priemaišomis. Ši siūlės dalis yra susilpninta (15 pav.).

15 pav. Priemaišomis užterštų zonų išsidėstymas siūlėje: a – siaura siūlė,

b – plati siūlė

Dendritinė likvacija charakterizuojama netolygiu elementų pasiskirstymu kristalite. Kristalizuojantis siūlės metalui kristalitų (dendritų) ašys ir atšakos išlieka švaresnėmis, nors priemaišos susikristalizavusios anksčiau užteršia dar nesukietėjusį metalą. Dendrito centrinėje dalyje yra mažiau priemaišų negu vėliau sukietėjusiose tarpdendritiniuose tarpuose. Greitai auštant siūlės vonelei metalas neilgai būna dvifaziniame būvyje, nesusidaro didelio cheminės sudėties skirtumo tarp skystos ir kietos fazių, todėl dendritinė likvacija būna mažesnė. Likvacija priklauso ir nuo kristalizacijos pradžios ir pabaigos temperatūrų. Kuo

didesnis temperatūrų skirtumas, tuo intensyvesnė likvacija. Pavyzdžiui, mažaanglio plieno kristalizacijos temperatūrinis intervalas tik 20-300C, todėl likvacija nežymi. Didėjant anglies kiekiui pliene, kristalizacijos temperatūrinis intervalas žymiai padidėja, likvacija intensyvėja.

Auštant susikristalizavusiai kietajai fazei vyksta alatropiniai virsmai (plienuose ), pasikeičia siūlės struktūra. Struktūriniai pasikeitimai alotropinių virsmų metu vadinami antrine kristalizacija.

1.3. Alatropiniai pasikeitimai ir jų vaidmuo suvirinime

Metalą kaitinant ir aušinant kietame būvyje gali pasikeisti kristalografinė gardelė, nes naujas būvis pasikeitusiose sąlygose turi mažiau laisvosios energijos. Atomų persitvarkymas kaitinamame arba aušinamame metale vadinamas alatropiniu (polimorfiniu) ppasikeitimu (virsmu). Alatropinis pasikeitimas analogiškas kristalizacijai: procesas vyksta esant perkaitinimui arba peraušinimui, nauja fazė susidaro atsirandant centrams ir jiems augant.

Antrinė kristalizacija (perkristalizacija) pakeičia sustingusios siūlės struktūrą – atsiranda ir auga nauji grūdeliai, susidaro naujos grūdelių ribos. Charakteringa tai, kad aušinant tie procesai gali vykti esant dideliam peraušinimo laipsniui. Antrinė kristalizacija gali būti difuzinė, surišta su atomų difuzija (esant mažam peraušinimo laipsniui) ir bedifuzinė (esant dideliam peraušinimo laipsniui).

Kaitinant ir aušinant siūlę polimorfiniai virsmai pakeičia kristalinę struktūrą, grūdėtumą ir savybes. PPerkristalizacijos metu naujų grūdelių užuomazgos susidaro senų grūdelių ribose. Užuomazgų skaičius ir jų augimo greitis priklauso nuo perkaitinimo ir peraušinimo laipsnio. Taip galima keisti siūlės metalo grūdelių dydį. Antrine kristalizacija galima stambių stulpelinių kristalitų struktūrą, susidariusią kristalizuojantis siūlės metalui, pakeisti ssmulkesne, lygiaašių grūdelių struktūra. Prie siūlės perkaitinto pagrindinio metalo struktūrą galima susmulkinti pakartotinai įkaitinus šiek tiek virš polimorfinio virsmo temperatūros ir paskui ataušinus vienokiu ar kitokiu greičiu.

Suvirinant slėginiu būdu kontakto zonojekieta fazė perkristalizuota ir susidaro nauji grūdeliai, kurie auga ir apima pagrindinių metalų buvusią skyrimo ribą, tuomet padidėja sujungimo stiprumas. Didelę reikšmę turi difuziniai procesai, kurie žymiai pagreitėja kai kurių polimorfinių virsmų metu. Tai panaudojama slėginiu būdu gauto sujungimo savybių pagerinimui kai siūlė kaitinama virš polimorfinio virsmo temperatūros ir ataušinama.

1.4. Difuzija suvirintuose sujungimuose

Difuzija metaluose ir lydiniuose – tai atomų judėjimas atstumu didesniu už gardelės parametrą. Atomai difunduoja į gardelės mazgus kuriuose nėra atomų (vakancijos) (16 pav.,a) arba į tarpmazgius (16 pav.,b). Tokie elementarūs judėjimo procesai surišti su masės pernešimu. Jeigu mmasės pernešimas yra kryptingas, ir kai atskirose vietose sumažėja ištirpusio tirpyklyje elemento atomų koncentracija, toks procesas vadinamas heterodifuzija, jeigu juda pagrindinio komponento atomai nekintant koncentracijai, tuomet yra savidifuzija.

16 pav. Atomų persislinkimas difuzijos metu: a – į vakanciją, b – į tarpmazgį

Savidifuzija ir heterodifuzija įtakoja procesus, vykstančius metale. Faziniai ir struktūriniai virsmai kaitinant ir aušinant metalus ir lydinius, vienokios ar kitokios struktūros gavimas yra surišti su difuziniais procesais. Martensito susidarymas grūdinant plieną yra bedifuzinis virsmas, tačiau jis priklauso nuo kietojo ttirpalo vienalytiškumo, kuris pasiekiamas atomams difunduojant kaitinamame austenite.

Labai didelę reikšmę atomų difuzija turi suvirinime. Pavyzdžiui, suvirinant slėginiu būdu, difuzija yra pagrindinis procesas, kuris nulemia suvirinimo zonos rekristalizaciją ir sujungimo geresnes mechanines savybes. Suvirinant lydomuoju būdu nuo atomų difuzijos priklauso cheminis ir mechaninis siūlės nevienodumas. Ypač didelę reikšmę heterodifuzija turi suvirinant skirtingus metalus, nes bendri difuzijos dėsningumai tampa sudėtingesniais, vyksta reakcinė difuzija ir difuzija, kurią įtakoja termodinaminis ištirpusios ir difunduojančios medžiagos aktyvumas.

1.5. Pagrindiniai difuzijos dėsningumai

Pagrindinis difuzijos parametras yra judančiojo elemento masės pernešimo greitis. Pagrindinė ištirpusio elemento judėjimo priežastis yra jo koncentracijų skirtumas įvairiose tūrio vietose ir noras vienodai pasiskirstyti. Šiuo atveju judančios medžiagos masė M proporcinga koncentracijų skirtumui dc ir atvirkščiai proporcinga atstumo intervalui dx, kuriame yra koncentracijos gradientas dc/dx:

,

čia D – difuzijos koeficientas (proporcingumo koeficientas) charakterizuoja medžiagos kiekį gramais arba moliais praeinantį pro ploto vienetą per laiko vienetą kai koncentracijos koeficientas lygus vienam. Minuso ženklas rodo, kad difuzija vyksta dx/dc mažėjimo kryptimi.

Parodyta lygtis charakterizuoja pirmą difuzijos dėsnį (pirmas Fiko dėsnis), kuris masės pernešimą susieja su difunduojančiojo elemento koncentracijos skirtumu. Difuzijos koeficientas yra labai svarbus difuzijos proceso rodiklis. Nustatytoje temperatūroje pagrindinai jis priklauso nuo tirpiklio ir difunduojančiojo elemento prigimties. Pavyzdžiui, žinant įvairių elementų difuzijos koeficientus -Fe ir -Fe ffazėse galima spręsti apie tų kietųjų tirpalų polinkį homogenizacijai arba, atvirkščiai, heteroginizacijai, juos kaitinant. Tai yra svarbu parenkant terminio apdorojimo režimus, tiriant suvirintų sujungimų cheminio ir mechaninio nevienodumo susidarymo priežastis.

Difuzijos koeficientas labai priklauso nuo temperatūros:

arba

,

čia D0 – priešeksponentinis daugiklis, Q – difuzijos aktyvacijos energija kJ/mol, R – dujų pastovioji, R8,315 kJ/mol, T – temperatūra K.

Priešeksponentinis daugiklis priklauso nuo kristalinės gardelės tipo:

,

čia a – tarpatominis atstumas, N – Avogadro skaičius, h – Planko konstanta.

Difuzijos aktyvacijos energija priklauso nuo difunduojančiojo atomo ryšio energijos tirpiklio gardelėje. Kuo didesnis Q, tuo stipriau pradinėje padėtyje laikomas atomas, tuo mažesnis D ir difuzijos greitis.

Vykstant difuzijai tirpiklio ir difunduojančiojo elementų koncentracijų skirtumas mažėja, kinta koncentracijos gradientas dc/dx. Šis koncentracijos gradiento kitimas laiko bėgyje įvertinamas antru difuzijos dėsniu (antras Fiko dėsnis), kuris vienaašiam srautui užrašomas taip:

arba

,

čia C0 – pradinė koncentracija, – kampo funkcija, kuri randama lentelėse pagal argumentą

.

Aukščiau pateikta lygtis naudojama difuzijos koeficiento įvairiose temperatūrose nustatymui, pagal eksperimentiškai nustatytas reikšmes C0, C ir x laiko  bėgyje. Visi išnagrinėti dėsningumai tinka tuomet, kai difuzijos metu ištirpusio elemento koncentracija nesiekia prisotinimo būvio.

Žinant difuzijos koeficientą D ir proceso trukmę , pagal išraišką

galima apytikriai nustatyti difuzinės zonos dydį.

Suvirinto plieno siūlės struktūrai ir savybėms didelę reikšmę tturi anglies, vandenilio, sieros, fosforo, geležies, mangano, chromo, molibdeno, aliuminio ir kitų elementų difuzija. Šių elementų difuzija turi įtakos suvirinto sujungimo cheminiam ir mechaniniam nevienodumui, rekristalizacijai, terminiam apdorojimui ir kt.

Difuzijos procese įsiterpimo ir pakeitimo atomai juda skirtingai, nes yra nevienodi jų energetiniai parametrai ir greičiai. Įsiterpimo atomai mažesni, lyginant su gardelės parametru ir tirpiklio atomais mazguose ir yra mažiau pastovūs lyginant su pakeitimo atomais gardelės mazguose. Kuo mažesnis įsiterpimo atomo skersmuo, tuo labiau jis skiriasi nuo tirpiklio atomo ir silpniau laikosi kristalinėje gardelėje, yra mažesnė jo aktyvacijos energija, didesnis difuzijos greitis (2 lentelė).

2 lentelė

Elementų, sudarančių su -Fe įsiterpimo kietąjį tirpalą,

difuzijos aktyvacijos energija

Elementas Atomo skersmuo, nm Atomo skersmens skirtumas, lyginant su geležies atomu, nm Q, J/mol

H 0,56 2,0 15700

N 1,42 1,14 76100

C 1,54 1,02 84100

B 1,78 0,76 88400

Elementų sudarančių kietuosius tirpalus aktyvacijos energijos priklausomybė nuo fizinių elemento charakteristikų yra sudėtingesnė. Tam turi įtakos ne tik difunduojančiojo ir tirpiklio atomų dydžių skirtumas, bet ir kiti faktoriai, pavyzdžiui, visapusiškas ištirpusio elemento atomo skersmens sumažėjimas. Kai kurių elementų sudarančių su -Fe pakeitimo kietąjį tirpalą aktyvacijos energija:

Elementas S Al Mo Cu Mn Ni Fe Co W Cr

Q, J/mol 121 184 247 255 278 282 284 366 376 406

Judriausi yra sieros atomai, todėl kaitinant galima panaikinti sieros likvaciją. Sunkiausiai panaikinti chromo ir volframo cheminį nevienodumą. Anglies

ir legiruojančiųjų elementų difuzija - ir -geležyje vyksta skirtingais greičiais.

-geležyje anglies difuzijos aktyvacijos energija mažesnė, o difuzijos greitis didesnis:

Elementas C Fe Mo W Cr

Q -Fe fazėje, J/mol 75 247 272 292 338

Q -Fe fazėje, J/mol 151 284 322 326 406

Padidintas difuzijos greitis -Fe fazėje sudaro sąlygas greitesniems struktūros pokyčiams plieną kaitinant temperatūroje žemiau Ac1. Tokioje temperatūroje gali būti eksploatuojami suvirinti šiluminės energetikos įrenginiai, (500-6500C), o taip pat suvirinti sujungimai termiškai apdorojami (aukštas atleidimas).

Suvirintame sujungime elementai grūdelių ribomis difunduoja aaktyviau negu grūdeliuose, nes grūdelių ribose yra didelis kristalinės sandaros defektų tankis. Grūdelių ribose susikaupia daug įvairių priemaišų, pirmiausia, anglies, vandenilio ir sieros. Dėl to gali pablogėti mechaninės savybės.

Difuzijos procesas priklauso nuo difunduojančiojo atomo sąveikos su tirpiklio gardele energetinių charakteristikų. Didelę įtaką difuzijos procesui turi temperatūra ir tirpiklio gardelės būvis, t.y. joje esantys kitų elementų atomai (legiruojančiųjų elementų). Elemento difuzijos greitis legiruotajame pliene priklauso nuo legiravimo charakterio ir laipsnio. Be abejo svarbu ir difunduojančiųjų atomų koncentracija. Difuzijos greičio priklausomybė nuo ttemperatūros parodyta 17 paveiksle. -Fe legiravimo įtaka anglies difuzijos koeficientui 7000C temperatūroje parodyta 18 paveiksle.

17 pav. Anglies difuzijos ferite koeficiento priklausomybė nuo temperatūros

18 pav. -geležies legiravimo įtaka anglies difuzijos koeficientui 7000C temperatūroje

1.6. Difuziniai procesai suvirinant metalus

Išnagrinėti difuzijos dėsningumai kai iištirpę atomai juda vienalyčiame kietajame tirpale esant koncentracijos gradientui, t.y. kietame būvyje komponentai A ir B neribotai tirpsta vienas kitame (19 pav.,a). Suvirinimo procese kontaktuojant tokiems metalams, kietame būvyje temperatūroje t koncentracijos pasiskirstymas nustatytam laikui aprašomas grafiku parodytu 19 paveiksle, a, II. Komponento A koncentracija komponente B (kietasis tirpalas B(A)) ir komponento B koncentracija komponente A (kietasis tirpalas A(B)) priklauso nuo kaitinimo temperatūros ir laiko. Koncentracijos pasiskirstymas charakterizuojamas paraboliniu dėsniu.

19 pav. Difunduojančiojo elemento koncentracijos pasiskirstymas suvirintame

sujungime kai komponentai neribotai tirpsta vienas kitame (a) ir kai

sudėtingai susimaišo (b) kietame būvyje

Proceso pradžioje, laike  temperatūroje t metalas A difunduoja į metalą B nedideliu atstumu ir pasiskirstymas A į B aprašomas 1 kreive, o B į A – 2 kreive (19 ppav.,a,II). Padidinus išlaikymo laiką iki ’, padidėja tarpusavio difuzijos gylis A į B ir B į A, koncentracijų pasiskirstymas atitiks kreives 1’ ir 2’. Abi elementų pasiskirstymo kreivės yra simetriškos, jeigu difuzijos greitis A į B lygus difuzijos greičiui B į A ir yra beveik vienodas difunduojančių atomų kiekis. Realiai A į B ir B į A difuzijos greičiai gali būti skirtingi, tuomet 1,2 ir 1’, 2’ kreivės bus nesimetriškos. Plokštuma O, atitinkanti didžiausią komponentų A ir B koncentraciją, pasislinks įį to metalo pusę, kuriame difunduojančių atomų greitis didesnis. Pavyzdžiui, jeigu A į B difunduoja greičiau negu B į A, tuomet plokštuma O pasislinks į metalo B pusę.

Nenagrinėjant visų suvirinimo procese kontaktuojančių metalų tarpusavio difuzijos, nagrinėjame atvejį kai sujungiami metalai A ir B atitinka lydinių būvio diagramą parodytą 19,b,I paveiksle. Šitame apibendrintame atvejyje , metalai kietame būvyje sudaro kietuosius tirpalus ,,,, mechaninius mišinius – eutektoides E1 ir E2 ir cheminį junginį C. Šiuos metalus suvirinti galima trijose charakteringose temperatūrose: t1, kai metalai sudaro neriboto tirpumo kietuosius tirpalus; t2, kai lydiniai sudaro kintamos sudėties kietuosius tirpalus, t.y. komponentų A ir B koncentracija šiuose tirpaluose kinta apibrėžtose ribose; t3, kai be kintamosios sudėties kietųjų tirpalų yra dviejų tipų apibrėžtos koncentracijos mechaniniai mišiniai. E1 ir E2 . 19,b,II paveiksle parodytas tik metalo B koncentracijos pasiskirstymas suvirinimo procese, jam difunduojant į metalą A. Metalo A difuzija į metalą B kokybiškai bus analogiška, o kiekybiškai skirsis priklausomai nuo to kaip skirsis difuzija A į B nuo B į A difuzijos duotoje temperatūroje.

Suvirinant temperatūroje t1 bus tas būvis, kada metalai sudaro nenutrūkstamą kietųjų tirpalų eilę (pav.19,a,II). Ataušus tokiam suvirintam sujungimui, įvairiose jo zonose įvyks antrinė kristalizacija ir susidarys vienokios ar kitokios sudėties kietieji tirpalai.

Suvirinant t2 temperatūroje vvyksta sudėtingesni difuzijos procesai. Pagal normalų kinetinį mechanizmą atomai difunduoja kietųjų tirpalų su kintama komponentų koncentracija vietose, t.y. intervaluose 1-2 (tirpalas ), 3-4 ir 7-8 (tirpalas ), 5-6 (tirpalas ) ir 9-10 (tirpalas ). Šiuose intervaluose difunduojančiojo elemento pasiskirstymas charakterizuojamas paraboline kreive (19 pav.,b,II). Intervaluose 2-3 ( ir  tirpalų mišinys), 4-5 ir 6-7 ( ir  tirpalų mišinys) ir 8-9 ( ir  tirpalų mišinys) elementas B difunduoja daugiafazėje aplinkoje ir jo pasiskirstymas neatitinka parabolinį dėsningumą. Šiuose intervaluose B elemento pasiskirstymą sąlyginai galima pavaizduoti tiesiomis pasvirusiomis atkarpomis (19 pav.,b,II).

Suvirinant t3 temperatūroje egzistuoja mechaniniai mišiniai – pastovios sudėties eutektoidės. Kietųjų tirpalų srityse 1’-2’, 3’-4’ ir 5’-6’ koncentracija kinta pagal parabolinį difuzijos dėsningumą. Eutektoidžių ir cheminio junginio srityje difuzija nevyksta, ir koncentracija staigiai pakinta iki difunduojančiojo elemento koncentracijos tose fazėse.

Difuzija lydima faziniais pokyčiais yra vadinama reaktyvine. Jai būdingas pastovios koncentracijos zonų susidarymas (cheminių junginių zonos). Suvirintame sujungime šios zonos nebūtinai turi būti kontaktuojančių metalų riboje. Jos gali būti tose vietose kur yra tinkama elementų komponentų koncentracija, jiems difunduojant nustatytoje temperatūroje. Pakartotino kaitinimo metu (termiškai apdorojant), difunduojant atomams šios zonos gali persislinkti.

Suvirintuose sujungimuose būdingas difuzinis procesas kai elementų atomai difunduoja ne dėl koncentracijų skirtumo tirpale, o dėl jų termodinaminio aktyvumo, pavyzdžiui, aanglies difuzija legiruotojo ir nelegiruotojo plienų suvirinimo riboje. Tiriant tokią difuziją, dėl kurios suvirintame sujungime susidaro sudėties ir struktūros nevienodumas, buvo pastebėta, kad suvirinant du skirtingus plienus, nepriklausomai nuo juose esančio anglies kiekio, jos difuzijos kryptį nulemia kontaktuojančių plienų legiruotumas. Anglis gali difunduoti iš plieno, kuriame yra jos mažiau (20 pav.). Pastebėta, kad silicis yra elementas “išstumiantis” anglį, o chromas, molibdenas ir vanadis “pritraukiantys” ją.

Jeigu tarp legiruojančiojo elemento ir anglies atomų ryšys yra silpnesnis negu tarp geležies ir anglies atomų, tai jie yra atstumiami nuo to elemento atomų ir stengiasi patekti į geležies atomų aplinką. Iš to seka, kad tas legiruojantysis elementas didina anglies atomų termodinaminį aktyvumą judėjimui į tas vietas kur nėra to elemento. Termodinaminį anglies atomų aktyvumą geležyje didina silicis ir nikelis. Iš kitos pusės, jeigu  – arba -Fe tirpale yra legiruojančiojo elemento atomų ir jiems anglies atomai labiau giminingi negu geležies atomams, anglies atomai stengiasi įsitvirtinti šalia tų atomų, sumažėja anglies atomų aktyvumas. Anglies atomų termodinaminį aktyvumą sumažina karbidus sudarantys elementai (manganas, chromas, molibdenas, volframas, vanadis ir kt.).

20 pav. Nuanglėjusi ir įanglinta zonos suvirintame sujungime susidariusios

dėl skirtingo anglies termodinaminio aktyvumo

Pagal anglies termodinaminį aktyvumą - arba -geležyje galima spręsti apie suvirintos zonos

struktūrinį nevienodumą. Anglies judėjimo aktyvumo koeficientas legiruotojo ir nelegiruotojo plienų sujungimo riboje:

,

čia alc ir ac – anglies aktyvumas tirpaluose, atitinkamai legiruotajam ir nelegiruotajam plienui, Nc – atominė legiruojančiojo elemento dalis.

Ši išraiška tinka esant pastoviam anglies kiekiui, nes padidinus jo atominę dalį padidėja aktyvumo koeficientas.

Teoriniais ir eksperimentiniais tyrimais nustatyta, kad -geležyje anglis energetiškai įsitvirtinusi silpniau negu -geležyje, ir todėl esant tam tikroms sąlygoms (temperatūra, kitų elementų kiekis ir kt.) jos aktyvumas ferite žymiai didesnis negu austenite, todėl anglies tirpumas ferite mmažesnis negu austenite. Kaitinant plieną Ac1-Ac3 temperatūrose yra austenito ir ferito fazės. Anglis iš ferito difunduoja į austenitą tol kol pasiekiama užsiduotai temperatūrai pusiausvyrinė koncentracija:

,

čia CAc – anglies koncentracija austenite, CFc –anglies koncentracija ferite, K – proporcingumo koeficientas, aAc – anglies aktyvumas austenite, aFc – anglies aktyvumas ferite.

Proporcingumo koeficientas K paprastai priklauso nuo temperatūros, legiruojančiųjų elementų (jeigu jų yra pliene) įtakos anglies aktyvumui fazėse ir anglies kiekio jose.

1.7. Siūlės metalo ir terminio poveikio zonos mikrostruktūra

Suvirinto sujungimo savybėms turi įtakos nne tik siūlės metalo cheminė sudėtis, bet ir siūlės metalo bei prie siūlės esančių zonų struktūra. Priklausomai nuo cheminės sudėties ir aušinimo greičio siūlės metalo struktūra gali būti įvairi. Išnagrinėsime dažniausiai pasitaikantį atvejį, kai konstrukcijos gaminamos suvirinant mažaanglį (iki 0,25C) pplieną.

Kristalizuojantis siūlės metalui susidaro nevienodos cheminės sudėties stulpeliniai kristalitai. Alatropinio virsmo metu kristalitai suskyla, susidaro struktūra susidedanti iš ferito ir perlito. Perkristalizacija susmulkina grūdelius, pagerina siūlės metalo mechanines savybes.

Išlydytame siūlės metale stulpeliniai kristalitai išauga statmena sulydymo ribai kryptimi (link siūlės centro). (21 pav.). Atidžiai stebint stulpelinių kristalitų sandarą galima matyti, kad jie yra sudaryti iš atskirų dendritų grupių. Atskiros dendritų grupės pasižymi bendru kryptingumu, tačiau gali turėti skirtingą šakotumą ir būti pasukti plokštumoje statmenoje augimo krypčiai. Tarp šių dendritų nėra aiškios ribos. Dendritų grupė turinti aiškiai apibrėžtą ribą sudaro stulpelinį kristalitą.

Tiriant antrinę stulpelinių kristalitų struktūrą matoma, kad pirminių kristalitų kontūrai, kaip taisyklė, sutampa su antrinių kristalitų kontūrais (22 pav.). Paprastai, siūlės metalo stulpelinių kristalitų antrinę struktūrą sudaro tolygiai pasiskirstęs perlitas aapsuptas plona ferito juosta. Plonas feritinis tarpsluoksnis susidaro dėl anglies difuzijos kristalitų ribomis.

21 pav. Pirminė daugiasluoksnės siūlės metalo struktūra šalia sulydymo ribos

22 pav. Tos pačios suvirintos siūlės legiruotos nikeliu struktūra: a – pirminė, b–antrinė

Pagrindinio metalo dalis, kuriai įkaitus ir ataušus įvyksta struktūriniai pokyčiai vadinama terminio poveikio zona. Zona įkaista iki aukštos temperatūros ir atšąla iki kambario temperatūros.

Sruktūrinius priesiūlės zonos pokyčius išnagrinėsime sandūriniame sujungime suvirintame vienu traukimu. Virš suvirinto sujungimo parodyta terminio poveikio zonos temperatūros kitimo kreivė surišta su Fe-C diagrama ((23 pav.).

Priklausomai nuo kaitinimo temperatūros ir, atatinkamai, struktūrinių ir fizinių mechaninių pokyčių terminio poveikio zonoje gali susidaryti tokie ruožai: 1 – visiško išlydymo (sulydymo), 2 – perkaitinimo, 3 – normalizavimo, 4 – nevisiško persikristalizavimo, 5 – rekristalizacijos, 6 – senėjimo.

23 pav. Siūlė ir terminio poveikio zonos

Nevisiško išlydymo ruože, metalui įkaitus iki aukštos temperatūros (virš soliduso ir žemiau likviduso linijų), yra kieta ir skysta fazės. Aušimo metu tarp šių fazių vykstant elementų difuzijai, susiformuoja pereinamoji zona tarp pagrindinio metalo ir siūlės. Šio ruožo cheminė sudėtis skiriasi nuo pagrindinio metalo ir siūlės, struktūra stambiagrūdė. Antrinė šio ruožo struktūra mažaangliame pliene primena vidmanšteteno struktūrą. Nors visiško išlydymo ruožas siauras (0,1-0,4 mm), tačiau jo įtaka suvirinto sujungimo stiprumui labai didelė.

Nevisiško išlydymo ruožo struktūra parodyta 24 paveiksle, kurioje gerai matomas stambiagrūdiškumas ir vidmanštetiškumas.

24 pav. Nevisiško išlydymo ruožo struktūra

Perkaitinimo ruože metalas įkaista iki soliduso temperatūros, susidaro stambiagrūdė sruktūra. Labai perkaitinus metalą gali susidaryti vidmanšteteno struktūra (25 pav.,a). Šio ruožo plotis vienasluoksnėse stambiose siūlėse yra 3-4 mm ir didesnis. Susidariusi stambiagrūdė struktūra mažai turi įtakos sujungimo stiprumui, tačiau žymiai sumažina plastiškumą. Smūginis tąsumas sumažėja 25 ir daugiau.

Normalizavimo ruože metalas įkaista šiek tiek aukščiau Ac3 temperatūros. Šiame ruože yra geros sąlygos smulkiagrūdei struktūrai susidaryti. Neperkaitus mmetalui nespėja išaugti austenito grūdeliai ir aušimo metu susiformuoja ferito perlito smulkiagrūdė struktūra (25 pav.,b). Normalizavimo ruožo mechaninės savybės gali būti geresnės lyginant su ...

Šiuo metu Jūs matote 50% šio darbo.

Matomi 7396 žodžiai iš 14792 žodžių.

Kiti mokslo darbai

IGNALINOS ATOMINĖ ELEKTRINĖ, JOS POVEIKIS ŽMONĖMS IR APLINKAI

IGNALINOS ATOMINĖ ELEKTRINĖ, JOS POVEIKIS ŽMONĖMS IR APLINKAI 1.IGNALINOS ATOMINĖ ELEKTRINĖ Ignalinos AE veikia kanalinio tipo šiluminių neutronų vandens – grafito branduoliniai reaktoriai RBMK – 1500. Toks energinis reakt...

1 atsiliepimų
Parsisiųsti
BALTIJOS AUDINIAI GAMYBOS TECHNOLOGINĖ ANALIZĖ

VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS     VERSLO VADYBOS FAKULTETAS FINANSŲ INŽINERIJOS KATEDRA   UAB „BALTIJOS AUDINIAI“ GAMYBOS TECHNOLOGINĖ ANALIZĖ   Darbą atliko:   Darbą tikrino:   Vilnius, 2014 TURINYS (adsbygoo...

2 atsiliepimų
Parsisiųsti
Trasos projektavimas

Untitled VILNIAUS TECHNOLOGIJŲ IR DIZAINO KOLEGIJA PETRO VILEIŠIO GELEŽINKELIO TRANSPORTO FAKULTETAS GELEŽINKELIŲ INFRASTRUKTŪROS IR INFORMACINIŲ SISTEMŲ KATEDRA Evaldas Prokopas GK11D gr. KELIŲ INŽINERINIAI TYRINĖJIMAI...

6 atsiliepimų
Parsisiųsti
LENGVŲJŲ AUTOMOBILIŲ VAŽIUOKLĖS TECHNINĖS PRIEŽIŪROS IR REMONTO EKONOMINIS PROJEKTAS

TURINYS ĮVADAS 2 1. ŠALTINIŲ APŽVALGA 3-4 2. LENGVŲJŲ AUTOMOBILIŲ VAŽIUOKLĖS REMONTO ĮMONĖS KŪRIMO ORGANIZACINĖ – EKONOMINĖ ANALZĖ 5 2.1. Įmonės veikla ir valdymas 5 2.2. Serviso paslaugų analizė 7 2.2.1. Technologinė ...

4 atsiliepimų
Parsisiųsti
Kumštelinio machanizmo su svyruojančiu sekikliu projektavimas

Apskaičiuoju sekiklio judesio koeficientus ks KAUNO TECHNOLOGIJOS UNIVERSITETAS PANEVĖŽIO INSTITUTAS Mašinų ir mechanizmų teorija Varianto nr.38 Kumštelinio machanizmo su svyruojančiu sekikliu projektavimas Tikrino: dės...

1 atsiliepimų
Parsisiųsti
Atsisiųsti šį darbą