Хорошо свариваются те металлы и сплавы, которые в своем составе имеют элементы, обладающие неограниченной взаимной растворимостью как в жидком, так и в твердом состоянии. Такие металлы и сплавы не будут образовывать соединения, вызывающие охрупчивание сварного соединения. Хорошую взаимную растворимость имеют железо и никель, железо и ванадий, железо и хром, молибден и тантал, никель и вольфрам, никель и медь, никель и кобальт, хром и молибден, хром и ванадий, хром и титан и т. д.
Процесс кристаллизации сварных швов отличается от кристаллизации слитков высокими скоростями кристаллизации, поскольку после интенсивного нагрева металла концентрированным источником теплоты происходит быстрый отвод теплоты в свариваемое изделие. Скорость охлаждения сварных швов исчисляется десятками и сотнями градусов в секунду.
Кристаллизацию сварных швов изучают металлографическим методом, исследуя образовавшиеся структуры. Этим методом установлено, что в верхней части швов располагаются наиболее крупные, а в нижней – наиболее мелкие кристаллы. В средней части швов кристаллы имеют удлиненную форму - транскристаллитное строение, а в верхней части швов ветвистую форму - дендритное строение.
Процесс кристаллизации сварных швов осуществляется прерывисто, чем объясняется появление кристаллизационных слоев, каждый из которых состоит из нескольких основных участков (рис. 74): нижнего - с небольшим содержанием углерода, серы и фосфора (имеющего наиболее интенсивное почернение при травлении); среднего – наиболее широкого, характеризующегося сравнительно однородным почернением и содержащего углерод, серу и фосфор в тех же количествах, что и металл шва; верхнего, характеризующегося интенсивным ослаблением почернения.


Первый участок возникает в результате кристаллизации тонкой прослойки жидкого металла, примыкающей к оплавленной поверхности, которая обогащена углеродом, серой и фосфором, переместившимся из примыкающих участков основного металла.
Второй участок кристаллизуется из жидкого металла исходного состава. Вследствие большой скорости кристаллизации затвердевший металл ванны по однородности близок к жидкому металлу, из которого он образовался. Третий участок слоя формируется более обедненным углеродом, серой и фосфором.
Образование последующих слоев происходит таким же образом. При формировании столбчатых кристаллитов из каждого оплавленного кристаллита основного металла вырастает целая группа одинаково ориентированных дендритов, составляющих столбчатый кристаллит. Направленность главных осей дендритов определяется направлением теплоотвода, а геометрические размеры дендритов зависят от геометрических размеров столбчатых кристаллитов. Более крупным столбчатым кристаллитам соответствуют более крупные разветвленные дендриты. В процессе затвердевания сварных швов перед фронтом растущих кристаллитов маточный раствор насыщается различными примесями. В самую последнюю очередь затвердевает средняя часть швов, поэтому обычно в ней сосредоточивается максимальное количество примесей.
При сварке плавлением любое сварное соединение имеет два ярко выраженных участка: закристаллизовавшийся металл шва и зону термического влияния в основном металле. В большинстве случаев наиболее резкие изменения структуры и свойств основного металла происходят в околошовной зоне. Эти изменения могут вызвать снижение пластичности и ударной вязкости сварного соединения в результате роста зерна, что связано с перегревом, а также полной или частичной закалкой и образованием горячих и холодных трещин. Горячие трещины образуются в условиях повышенных температур из-за большой усадки металла сварочной ванны при охлаждении и изменения состава свариваемых материалов. Большой склонностью к горячим трещинам, например, обладают сплавы, содержащие около 5% хрома и от 1,0 до 2,5% углерода, и сплавы с 9-10% хрома при содержании 0,9-1,2% углерода.
Холодные трещины образуются в металле шва и околошовной зоне из-за резкого изменения механических свойств, а также характера напряженного состояния вследствие фазовых и структурных превращений. В образовании холодных трещин при сварке сталей существенную роль играет водород, который выделяется из твердого раствора в имеющиеся в металле микрообъемы (пустоты). В них выделившийся атомарный водород соединяется в молекулы и создает в окружающем объеме металла внутреннее давление, которое образует высокое напряжение, способствующее образованию трещин при нагрузке и даже без нагрева.