При сварке плавлением в результате нагрева в околошовной зоне протекают следующие процессы: фазовая перекристаллизация; рост зерна; гомогенизация высокотемпературной фазы и ее превращение при охлаждении.
Фазовая перекристаллизация - это переход перлита и феррита в аустенит. Например; чем выше температура конца превращения перлита и феррита в аустенит, тем мельче начальное зерно аустенита. Если сталь легирована карбидообразующими элементами, то рост зерна аустенита начинается при более высоких температурах. При этом следует сказать, что рост зерна не заканчивается при нагреве, а продолжает расти и при охлаждении, но уже менее интенсивно.
Гомогенизацией называется процесс создания однородной структуры в сплавах в результате ликвидации концентрационных, микронеоднородностей, образующихся в сплавах при кристаллизации. Степень гомогенизации аустенита зависит от параметров термического цикла сварки. При ручной дуговой сварке стали небольшой толщины (до 10 мм), несмотря на высокие скорости нагрева, происходит заметный рост зерна аустенита, но степень его гомогенизации мала. При сварке углеродистых и низколегированных сталей, не имеющих в своем составе сильных карбидообразующих элементов, по причине сильного роста зерна устойчивость аустенита увеличивается.
Таким образом, можно сделать вывод, что при сварке наблюдаются две противоположные тенденции:
высокая температура околошовной зоны способствует росту зерна и увеличивает устойчивость аустенита;
быстрый нагрев металла и малое пребывание его при высокой температуре понижают гомогенизацию и уменьшают устойчивость аустенита.
При изучении металла сварного шва различают макро- и микроструктуру. Макроструктура рассматривается невооруженным глазом или при небольших (до 10-15-кратных) увеличениях. Структура металла, увеличенная более чем в 60-100 раз, называется микроструктурой.
Макро- и микроструктура бывает первичной и вторичной. Первичная структура образуется непосредственно в процессе затвердевания расплава, вторичная - в результате фазовых (термических) превращений. Сварные швы имеют целый комплекс структур наплавленного металла и металла, который в процессе сварки подвергался нагреву. Рассмотрим различные участки структуры сварного шва (рис. 75).


Участок наплавленного металла (шва) имеет столбчатое строение. Столбчатые кристаллиты от переходной зоны между участком неполного расплавления и наплавленным металлом направлены в глубь шва. Кристаллит состоит из отдельных дендритов, имеющих общую направленность, которые иногда могут иметь и различную разветвленность. В корне шва, ближе к переходной зоне, составляющие столбчатый кристаллит дендриты разветвлены минимально.
На участке неполного расплавления первичная структура характеризуется химической неоднородностью. Вторичная структура этого участка напоминает видманштеттову структуру*. Эта зона невелика и для дуговой сварки составляет от 0,1 до 0,5 мм.
На участке перегрева может образоваться крупнозернистая структура, которая придает металлу наименьшую пластичность и ударную вязкость. Чтобы уменьшить протяженность участка перегрева, следует увеличить скорость сварки или выполнить сварку за несколько проходов. Ширина зоны участка перегрева иногда достигает 3-4 мм.
Участок нормализации характеризуется мелкозернистым строением металла. В зависимости от размеров швов ширина участка нормализации колеблется от 0,2 до 4-5 мм.
На участке неполной перекристаллизации не все зерна основного металла подвергаются перекристаллизации. Ширина этой зоны от 0,1 до 5 мм.
Рекристаллизационный участок появляется при сварке пластических деформированных сталей, ширина этого участка составляет 0,1-1,5 мм.
Участок синеломкости расположен за участком рекристаллизации. Структура металла здесь не отличается от исходной структуры. На этом участке температура нагрева достигает 200-400°С.
Для оценки качества сварного соединения исследуют его макро- и микроструктуру. Для определения макроструктуры сварного соединения по его поперечному сечению вырезается образец, поверхность которого проходит травление. После травления на поверхности шва выступают его слои. Дефекты в шве (поры, трещины, неметаллические включения) видны, как правило, без лупы. На этом же образце под микроскопом рассматривают его микроструктуру при 100-кратном и более увеличениях. Чем меньше микроструктура, тем лучше качество сварного шва.
Макро- и микроструктуры сварных швов исследуют в том случае, если оно оговорено в технических условиях на сборку и сварку того или иного изделия.
______________________
* Видманштеттова структура — это структура стали с прямолинейным расположением волокон.


1. Каковы особенности кристаллизации металла шва?
2. Каковы структурные особенности строения сварного соединения?
3. Чем можно объяснить причины образования холодных и горячих трещин в металле сварного соединения?