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 nekaitintu pagrindiniu metalu.

Nevisiško persikristalizavimo ruože metalas įkaista virš Ac1 ir žemiau Ac3 temperatūrų. Virš Ac1 temperatūros perlitas virsta austenitu. Susidaręs austenitas stengiasi ištirpinti feritą. Dalis ferito ištirpsta, kita ferito grūdelių dalis nepakinta. Auštant plienui austenite ištirpęs feritas išsiskiria smulkiais grūdeliais, o austenitas žemiau Ac1 temperatūros virsta perlitu. Todėl nevisiško persikristalizavimo ruože greta senųjų stambių ferito grūdelių esti smulkių ferito ir perlito grūdelių (25 pav.,c). Plienas su tokia struktūra yra prastos kokybės.

Rekristalizacija pastebima suvirinant šaltai deformuotą plieną kai jis įkaista nuo 4500C iki Ac1 temperatūros. Šiame ruože vietoj ištęstų grūdelių susidaro nauja lygiaašių grūdelių struktūra. Jeigu metalas nebuvo šaltai deformuotas, tai rekristalizacija nevyks.

Senėjimo ruože, plienui įkaitus nuo 200 iki 4500C temperatūros, ryškių struktūrinių pakitimų nebūna. Tačiau padidėja kai kurių plieno rūšių stiprumas ir sumažėja plastiškumas. Plastiškumas sumažėja tada, kai iš kietojo tirpalo išsiskyrusios smulkios priemaišų dalelės išsidėsto grūdelių ribose.

25 pav. Terminio poveikio zonos struktūra: a – perkaitinimo ruožas,

b – normalizavimo ruožas, c – nevisiško persikristalizavimo ruožas

2. SUVIRINTŲ SUJUNGIMŲ TERMINIS APDOROJIMAS

2.1. Faziniai virsmai kaitinant plieną suvirinimo procese

Kaitinant plieną perlitas virš Ac1 temperatūros virsta austenitu. Eksperimentiškai nustatyta, kad aaustenito užuomazgos susidaro ferito cementito ribose. Dauguma tyrinėtojų teigia, kad austenito užuomazgos susidaro dėl fliuktuacijų, ir formaliai nagrinėjami du atvejai. Vieni teigia, kad austenitas susidaro dėl koncentracijos fliuktuacijų. Vietose, kuriose yra 0,8 C, esant net ir mažam perkaitinimui, virš Ac1 polimorfinio virsmo metu feritas virsta austenitu () ir tampa austenito grūdelių augimo centrais. Kiti teigia, kad austenitas pirmiausia susidaro ne dėl koncentracijos fliuktuacijų, o dėl gardelės persitvarkymo fliuktuacijų. Ferito viduje ploteliai su fliuktuacinės prigimties austenito gardele susidaro ir pranyksta. Virš Ac1 temperatūros ribose su cementitu į tuos plotelius iš karbido difunduoja anglis ir kai jie įgauna kritinį dydį tampa patvariais austenito augimo centrais.

Tarpfazinės ribos judėjimo greitis, vienai fazei augant kitos fazės sąskaita, atvirkščiai proporcingas koncentracijos padidėjimui riboje. Dėl to, kad koncentracijos padidėjimas austenito ferito riboje mažesnis negu austenito cementito riboje, austenito grūdeliai ferito kryptimi auga žymiai greičiau negu link cementito (26 pav.). Perlite išnykus feritui visada lieka neištirpusio cementito. Perlito virsmas į austenitą baigiasi ištirpus ferito plokštelėms. Paskui ištirpsta likęs cementitas. Tose vietose kur buvo cementitas anglies koncentracija yra padidinta.

26 pav. Austenito susidarymo schema: a – pusiausvyrinė austenito koncentracija

riboje su feritu, b – pusiausvyrinė austenito koncentracija riboje su cementitu

Jeigu pradinėje struktūroje yra laisvo ferito, tai austenito

grūdelio riba juda į jo pusę. Kadangi laisvo ferito grūdeliai didesni už perlite esančio ferito plokšteles, jis išnyksta vėliau. Išnykus laisvam feritui, tose austenito grūdelio vietose yra mažesnė anglies koncentracija, kuri vėliau išsilygina. 27 paveiksle parodyta austenito susidarymo kinetika.

27 pav. Austenito susidarymo kinetika ikieutektoidiniame pliene: 1 – ferito, esančio

perlite, ištirpimas, 2 – cementito ištirpimas, 3 – laisvo ferito ištirpimas,

3′ – laisvo ferito perėjimo į austenitą pabaiga žemiau Ac3 temperatūros,

4 – homogenizacijos pabaiga

Austenito grūdeliai gali aaugti tolygiai arba dalis grūdelių auga greičiau, t.y. stambūs grūdeliai auga smulkių kaimyninių grūdelių sąskaita. Smulkių grūdelių augimą stabdo dispersinės dalelės, dažniausiai aliuminio nitridas.

Didesnis anglies kiekis austenite skatina grūdelių augimą. Padidinus austenite anglies kiekį virš ribinės koncentracijos, sulėtėja austenito grūdelių augimas dėl susidariusių cementito dalelių.

Beveik visi legiruojantieji elementai, išskyrus manganą, stabdo austenito grūdelių augimą. Karbidus sudarantys elementai Ti, Zr, ir V labiau stabdo grūdelių augimą negu Cr, Mo ir W.

Perlitui virstant austenitu plieno lyginamasis tūris sumažėja apytikriai 1, kas iššaukia pplastinę deformaciją ir fazinį austenito sukietinimą. Faziškai sukietintame austenita vyksta rekristalizacija, kurios temperatūra gali sutapti su austenizacijos temperatūra arba gali būti aukštesnė.

Pirminė austenito rekristalizacija turi didelę praktinę reikšmę, jeigu pradinė plieno struktūra yra kristalografiškai dėsninga, pavyzdžiui, vidmanšteteno, ir ypač eesant martensitui arba beinitui. Suvirintas sujungimas aušdamas ore gali užsigrūdinti susidarant martensitui arba beinitui. Atkaitinant tokį plieną gali pasireikšti struktūrinis paveldimumas, kai kaitinant susidaręs austenitas yra orientuotai susietas su pradine struktūra ir, jeigu pradiniai grūdeliai buvo stambūs, tai naujai susidarę austenito grūdeliai taip pat gali būti stambūs. Fazinis sukietinimas austenite padidina kristalinės gardelės defektų tankį ir susidaro termodinaminės sąlygos pirminei rekristalizacijai. Tuomet austenito grūdeliai susidaro ir auga iš daugybės centrų, gaunama smulkiagrūdė struktūra orientuotai nesusieta su pradine struktūra.

2.2. Faziniai virsmai aušinamame pliene

Svarbiausi faziniai virsmai aušinant plieną yra perlitinis, beinitinis (tarpinis) ir martensitinis. Auštančio plieno virsmą konkrečiame terminiame apdorojime arba suvirinime nulemia du pagrindiniai faktoriai: termodinaminės sąlygos ir relaksaciniai procesai. Virsmo metu sistema akumuliuoja tampriąją energiją, kuri atsiranda dėl pradinės ir nnaujos fazių lyginamųjų tūrių skirtumo. Sistemos energetinis balansas nusakomas susikaupusia tampriąja energija ir relaksacija. Kai tarp naujos ir pradinės fazių susidaro koherentinės ribos, tuomet paviršinės energijos vaidmuo žymiai mažesnis už tampriosios energijos. Susidarant nekoherentinėms riboms nurodytų energijų santykis atvirkščias. Vertinant sistemos energetinį balansą reikia atsižvelgti kokį indėlį įneša kristalinės sandaros defektai, ištirpusių elementų ir priemaišų atomai.

Atomai polimorfinio virsmo metu juda kai yra pakankama aktyvacijos energija. Anglies difuzijos austenite aktyvacijos energija yra 116-121 kJ/mol, o esant Cr, Mo, W padidėja iki 1150-162 kJ/mol. Minėtų elementų difuzijos austenite aktyvacijos energija yra 250-333 kJ/mol.

Termiškai apdorojant ar suvirinant plieną faziniai virsmai vyksta kintant temperatūrai laiko bėgyje, todėl pokyčiams analizuoti naudojamos termokinetinės austenito virsmo diagramos (28 pav.,a), o gautų struktūrų nagrinėjimui – struktūrines diagramas (28 pav.,b). Pagal diagramą galima nustatyti parametrus charakterizuo-jančius  virsmo kinetiką: aušinimo laiką iki beinito (B), ferito (F) arba perlito (P) susidarymo.

28 pav. Termokinetinė austenito virsmo diagrama (a) ir struktūrinė diagrama (b)

plienui, kuriame yra 0,15 C, legiruotam chromu ir manganu: A – austenitas,

BA – apatinis beinitas, BV – viršutinis beinitas, F – feritas, P – perlitas,

M – martensitas

Esti normalus, martensitinis ir tarpinis polimorfinių virsmų mechanizmas. Normalus virsmas būdingas feritiniam ir perlitiniam  pasikeitimui, kai nauja fazė susidaro atomams difunduojant per fazių skyrimo ribas. Diagramoje AF linija rodo peraušinto austenito skilimą išsiskiriant feritui. Priklausomai nuo austenizacijos temperatūros atitinkamai nuo austenito grūdelių dydžio, aušinant susidaro įvairios formos feritas. Lėtai aušinant, austenitas skyla sudarydamas poliedrinį feritą, o greitai aušinant – adatinį feritą. Poliedrinis feritas susidaro austenito grūdelių ribose. Nedideli boro kiekiai (iki 0,05) sumažina struktūriškai laisvo ferito išsiskyrimo greitį. Šis efektas labiau pasireiškia plieną papildomai legiruojant manganu.

Skirtingai nuo normalaus ferito susidarymo mechanizmo, stambiagrūdis, plieno turinčio 0,08-0,4 C, austenitas greitai aušinant sskyla sudarydamas vidmanštetinį feritą, kuriame yra aiškiai matoma stambiagrūdė struktūra. Esant pakankamai dideliam peraušinimui feritas kaip atskira fazė išsiskirti negali ir neeutektoidinės sudėties plienas įgauna kvazieutektoidinę struktūrą. Esant tam tikram peraušinimo laipsniui austenite auga ferito plokštelės lygiagrečios plokštumoms 111A, t.y. susidaro vidmanšteto struktūra. Plienus legiruojant siliciu ir manganu (iki 2) vidmanštetinio ferito augimo greitis sumažėja apytikriai 10 kartų, nes apribojama anglies difuzija.

Išsiskyręs struktūriškai laisvas feritas sąlygoja perlitinį virsmą, t.y. toliau aušinant susidaro ferito cementito plokštelių mišinys – perlitas ( linijoje AP). Žemėjant temperatūriniam virsmo intervalui mišinio plokštelės plonėja. Kai tarplokštelinis atstumas yra 0,5-0,7 mkm priimta ferito cementito mišinį vadinti perlitu, 0,3-0,4 mkm – sorbitu, 0,1-0,2 mkm – trostitu.

Perlito kolonijų dydis priklauso nuo perlito centrų linijinio augimo ir susidarymo greičių santykio. Perlito kolonijų dispersiškumą nulemia austenito grūdelių dydis ir jo homogeniškumas.

Legiruojantieji elementai perlitinį virsmą gali sulėtinti: 1) kai sudaro specialius karbidus, 2) kai sumažėja anglies difuzija, 3) kai sumažėja polimorfinio  virsmo greitis. Plienus legiruojant Cr, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr padidėja austenito stabilumas perlitinėje srityje, sumažėja perlito susidarymo ir augimo greičiai.

Plieną aušinant greitai (greičiu didesniu už kritinį) austenitas atšąla iki žemų temperatūrų ir virsta martensitu. Martensitas yra persotintas anglies kietasis tirpalas  geležyje.

Martensitinio virsmo metu dėsningai persitvarko gardelė, kkurioje atomai nepasikeičia vietomis, o tik vienas nuo kito nutolsta atstumu mažesniu už gardelės parametrą. Įvyksta bendras tarpusavyje surištų atomų pasislinkimas (poslinkis). Kiekvienas atomas lieka apsuptas tų pačių kaimyninių atomų kaip ir pradinėje struktūroje. Augant martensitiniam kristalui, koherentinėje riboje tarp martensito ir austenito tamprioji deformacija pasiekia takumo ribą ir išnykus koherentiškumui įtempimai sumažėja. Kai martensito ir austenito riboje atomai yra išsidėstę nedėsningai, slystantis ribų judėjimas yra negalimas ir greitas kristalo augimas baigiasi.

Jeigu gryno metalo dviejų modifikacijų stabilios pusiausvyros temperatūra pakankamai aukšta (pvz. Fe 9110C), tai atomai gardelėje gali persitvarkyti vykstant “normaliam” polimorfiniam virsmui esant atomų savidifuzijai ir martensitiniu būdu. Grynos geležies (0,0015C) martensitinio virsmo pradžios temperatūra 7500C. Tam, kad virsmas vyktų pagal martensitinį mechanizmą, geležį austenitinėje srityje reikia labai perkaitinti ir labai greitai ataušinti, tuomet nuslopinamas normalus polimorfinis pasikeitimas.

Jeigu gryno metalo dviejų modifikacijų pusiausvyros temperatūra palyginus žema (4000C), tai dėl mažo atomų judrumo realizuojamas tik martensitinis virsmas.

Dauguma hipotezių teigia apie heterogeninį martensito susidarymą austenito grūdelių tūriuose su mažesniu anglies kiekiu. Prieš prasidedant martensitiniam virsmui tuose tūriuose susidaro ypatingos struktūros – sritys su artimos tvarkos pažeidimu ir anomaliniu tampriųjų savybių pasiskirstymu. Tai patvirtina garso emisijos duomenys gauti dar neprasidėjus martensitiniam virsmui, liudijantys, kad austenite vyksta pasikeitimai.

Bendru atveju martensitiniam virsmui

charakteringas daugialaipsniškumas. Būna aterminis, sprogstamasis ir izoterminis martensitinis virsmas (29 pav.).

Aterminis martensitinis virsmas būdingas angliniams ir legiruotiesiems plienams, kurių martensitinio virsmo pradžios temperatūra yra virš 1000C. Šio virsmo metu martensito kiekis tolygiai didėja nepertraukiamai žemėjant temperatūrai Mpr. – Mpab. intervale. Nutraukus aušinimą virsmas nevyksta.

Sprogstamojo martensitinio virsmo metu Mpr. temperatūroje austenitas staigiai virsta martensitu. Sprogstamasis virsmas yra lydimas garsiniu efektu ir laikinu temperatūros padidėjimu (300C) dėl išsiskyrusios slaptosios šilumos. Tokia virsmo kinetika būna Fe-Ni, Fe-Ni-C lydiniuose, kurių Mpr. yra žemiau kkambario temperatūros.

29 pav. Martensitinio virsmo kinetikos kreivės: Mpr. – martensitinio virsmo

pradžia, Mpab. – martensitinio virsmo pabaiga

Izoterminis martensitinis virsmas pagal savo kinetiką išoriškai panašus į difuzinį virsmą. Skiriasi tuo, kad martensitinis virsmas baigiasi dar esant pradinei fazei, t.y. lieka austenito. Šis virsmas būna Fe-Ni-Mn, Fe-Ni-Cr lydiniuose, kurių Mpr. yra žemiau kambario temperatūros.

Martensito kristalai vidutinio anglingumo ir daugiaanglių plienų austenite auga greičiu siekiančiu 109 mkm/s. Martensito kristalinė gardelė erdvinei centruota pasižyminti tetragoniškumu. Tetragoniškumas didėja didėjant anglies kiekiui kietajame tirpale. Martensitas ssusidaro austenito grūdelyje. Visos kliūtys dislokacijų judėjimui (grūdelių ribos, priemaišos, karbidai) mažina martensito kristalų dydį. Smulkiagrūdžiame austenite susidaro dispersiški martensito kristalai, kurių struktūros negalima matyti paprastu optiniu mikroskopu. Toks martensitas vadinamas nestruktūriniu arba gardenitu. Yra dvi morfologinės martensito atmainos, kurios sskiriasi kristalų sandara, substruktūra, o taip pat gabituso plokštuma (austenito ir martensito fazių skyrimo plokštuma) – plokštelinis ir juostelinis martensitas (30 pav.). Plokštelinis (adatinis) martensitas paprastai susidaro daugiaangliuose, vidutiniškai ir daug legiruotuose plienuose. Plokštelių plotis 2-3 mkm. Pirmieji martensito kristalai praeina per visą austenito grūdelį. Esant stambesniems austenito grūdeliams, virsmo metu susidaro didesni martensito kristalai. Juostinis (paketinis) martensitas susidaro grūdinant mažaanglius, mažai ir vidutiniškai legiruotus plienus. Martensito kristalai išsidėstę lygiagrečiai vienas kitam sudaro paketą, kuriame martensito juostelės atskirtos ribomis. Austenito grūdelyje gali susidaryti keli juostiniai paketai. Juostiniame martensite yra didelis dislokacijų tankis (iki 1012 cm-2). Juostelių storis kristale 0,1-0,3 mkm.

Teigiama, kad juostinis martensitas intensyviai susidaro,  virsmo pradžioje esant slydimo deformacijai, o plokštelinis martensitas – esant dvigubam slydimui. Peraušinus aaustenitą, slydimo deformacija yra apsunkinta, geresnės sąlygos dvigubo slydimo deformacijai. Tokiose sąlygose susidaro ne juostinis martensitas, o plokštelinis martensitas. Analogiški procesai vyksta ir didinant anglies kiekį pliene.

Aliuminis ir kobaltas aukština martensitinio virsmo pradžios temperatūrą, o kiti elementai, išskyrus silicį, pažemina. Silicis neturi įtakos Mpr. temperatūrai. Labiausiai Mpr. temperatūra žemėja didėjant anglies kiekiui. Elementai žeminantys Mpr. temperatūrą didina liekamojo austenito kiekį grūdintame pliene.

30 pav. Martensito mikrostruktūros ir martensito kristalų susidarymo schemos:

a – juostinis martensitas, b – plokštelinis martensitas

Beinitinis (tarpinis) virsmas vvyksta temperatūrose kurios yra tarp perlitinio ir martensitinio virsmo temperatūrų, kai geležies atomų difuzija yra sulėtinta, o anglies atomai difunduoja palyginus greitai. Auštant plienui austenito grūdeliuose difuziniu būdu persiskirsto anglis, susidaro mikrotūriai su skirtingu anglies kiekiu. Tose vietose kur yra mažiau anglies austenitas virsta mažaangliu martensitu. Austenito mikrotūriuose praturtintuose anglimi išsiskiria smulkios cementito dalelės, sumažėja anglies kiekis austenite ir jis difuzijos būdu taip pat virsta mažaangliu martensitu. Kai kurie austenito mikrotūriai praturtinti anglimi nevirsta martensitu, todėl po beinitinio virsmo struktūroje gali būti liekamojo austenito.

Būna viršutinis beinitas, kuris susidaro 500-3500C temperatūrose ir apatinis beinitas, kuris susidaro 350-2500C temperatūrose (31 pav.). Viršutinio beinito struktūroje matomi plunksninės struktūros grūdeliai ir pailgi karbidai išsidėstę kristalų

31 pav. Beinito mikrostruktūros ir beinito susidarymo schemos: a – viršutinis beinitas,

b – apatinis beinitas

ribose. Apatinio beinito struktūra panaši į mažaanglio plieno martensitą. Karbidinės dalelės yra -fazės (martensito) plokštelių viduje. Viršutinio ir apatinio beinito struktūros skiriasi todėl, kad viršutiniame beinite karbidai išsiskiria austenite, o apatiniame beinite – persotintose anglimi ferito plokštelėse.

2.3. Legiruojančiųjų elementų įtaka austenito skilimo kinetikai

Mažai legiruotųjų plienų pagrindiniai legiruojantieji elementai yra Si, Mn, Cr, Mo. Cheminė plienų sudėtis ir mechaninės savybės pateiktos trečioje lentelėje. Legiruojančiųjų elementų įtaką charakteristinei aušinimo trukmei ir struktūros fazinei sudėčiai parodyta 32 ppaveiksle.

3 lentelė

Mažai legiruotų plienų cheminė sudėtis ir mechaninės savybės

Plieno

žymėjimas Cheminė sudėtis, Mechaninės savybės

C Si Mn Cr Mo y, MPa ut, MPa ,

Mn – 0 0,11 0,21 – – – 281 391 50,9

Mn – 0,5 0,11 0,22 0,46 – – 253 385 55,4

Mn – 1,0 0,11 0,21 1,06 – – 290 438 53,2

Mn – 2,0 0,12 0,21 2,05 – – 346 561 44,2

Cr – 0 0,11 0,21 0,46 – – 253 385 55,4

Cr – 0,5 0,11 0,22 0,35 0,47 – 252 380 49,8

Cr – 1,0 0,10 0,23 0,35 1,00 – 254 395 51,8

Cr – 2,0 0,10 0,23 0,35 1,97 – 258 440 47,1

Cr – 4,0 0,09 0,22 0,37 3,86 – 544 712 29,0

Mo – 0 0,11 0,21 0,46 – – 253 385 55,4

Mo – 0,5 0,12 0,16 0,45 – 0,48 255 413 44,8

Mo – 1,0 0,11 0,23 0,43 – 0,96 286 486 42,3

Mo – 1,6 0,11 0,22 0,37 – 1,66 376 590 31,0

32 pav. Legiruojančiųjų elementų, esančių pliene, įtaka suvirinto sujungimo priesiūlės

metalo charakteristinei aušinimo trukmei: 1 – F, 2 – P, 3 – pab.B, 4 – B

 virsmą charakterizuoja aušinimo trukmė iki beinito (B), ferito (F) ir perlito (P) pasirodymo.

Maksimali kaitinimo temperatūra 13500C, aušinimo trukmė 800-500 buvo keičiama nuo 0,2 iki 600 s. Galima išskirti tris charakteringus 800-500 reikšmių intervalus: I – rankiniam lankiniam suvirinimui (suvirinant plokšteles, kurių storis iki 20 mm), II – lankiniam suvirinimui apsauginėse dujose ir po fliusu esant ribotai išilginei energijai, III – elektrošlakiniam suvirinimui ir lankiniam suvirinimui po fliusu esant padidintai išilginei energijai. Pagal 32 paveiksle parodytas diagramas galima prognozuoti priesiūlės zonos struktūros fazinę sudėtį priklausomai nuo cheminės plieno sudėties ir aušinimo trukmės 800-500, bet negalima įvertinti fazių kiekio struktūroje, pavyzdžiui, intervale I mažaangliame pliene  virsmo metu paprastai susiformuoja beinitinė feritinė struktūra. Didėjant silicio kiekiui pliene, priklausomai nuo 800-500, galima gauti martensitinę beinitinę (kai 800-500  0,4 s) arba beinitinę perlitinę feritinę sstruktūrą (kai 800-500 1,5-2 s). Legiruojant daugiau negu 1 Mn ir 3 Cr ir esant mažos 800-500 reikšmėms gaunama martensitinė struktūra.

Legiruojantieji elementai žemina  virsmo temperatūrą, pavyzdžiui, 2 mangano ferito susidarymo temperatūrą (tF) pažemina 1500C, o martensito – 1000C, kartu sumažina kritinį grūdinimo greitį nuo 3000 iki 1000C/s. Chromo kiekiui didėjant nuo 0,5 iki 4,0 tF pažemėja 50-700C, o tM – 700C, kartu kr800-500 sumažėja nuo 750 iki 1000C/s. Molibdeno kiekiui didėjant iki 1,6, tF pažemėja 1000C, o tM – 300C, kr800-500 beveik nepakinta ir yra 7500C/s lygio.

4 lentelėje parodytas suvirintų legiruotųjų plienų priesiūlės zonos kietumas priklausomai nuo 800-500. Mažaanglio plieno martensito kietumas 3000-3500 MPa. Padidinus mangano kiekį iki 2,0 ir molibdeno iki 1,6 martensito kietumas padidėja iki 4000 MPa. Chromo įtaka martensito kietumui nežymi. Esant 800-500 5 s, kai Mn  1,0, Cr  2,0, ir Mo  1,0 nėra pavojaus, kad priesiūlės metalas grūdinsis.

4 lentelė

Suvirintų legiruotųjų plienų priesiūlės zonos kietumas MPa priklausomai nuo 800-500

Plieno žymėjimas 800-500, s

0,2 5 100

Mn – 0 3500 1600 1300

Mn – 0,5 3500 1600 1300

Mn – 1,0 3700 2400 1800

Mn – 2,0 4000 3500 2000

Cr – 0 3300 1500 1400

Cr – 1,0 3800 2200 1600

Cr – 2,0 3800 2900 2200

Cr – 4,0 3800 3600 3300

Mo – 0 3400 1600 1300

Mo – 0,5 4000 2100 1900

Mo – 1,0 4000 2400 2100

Mo – 1,6 4000 2800 2300

2.4. Suvirintų sujungimų terminio apdorojimo paskirtis

Pagrindinė terminio apdorojimo paskirtis – padidinti suvirintos konstrukcijos

stiprumą ir patikimumą. Suvirintos, kaip ir kitais metodais pagamintos, konstrukcijos patikimumas priklauso nuo medžiagos iš kurių ji pagaminta, įtempimų dydžio ir pasiskirstymo bei pagaminimo kokybės.

Ištyrus defektus pastebėtus konstrukciją gaminant, bandant arba eksploatuo-jant, nustatyta, kad jie gali atsirasti kartu veikiant keliems faktoriams, kuriuos galima suskirstyti į tris grupes:

1) įtempimų koncentratoriai atsiradę dėl blogai suprojektuotos konstrukcijos (konstruktyviniai), gaminant (technologiniai) ir eksploatacijos metu esant nuovargiui, korozijai arba valkšnumui,

2) dideli įtempimai susidarę veikiant terminiam poveikiui ar darbinėms apkrovoms,

3) panaudotas metalas, kuris neatitinka darbo sąlygų.

Kiekvienu konkrečiu atveju galima vvieną iš trijų konstrukcijos suirimo priežasčių laikyti pagrindine.

Mazgams, pagamintiems iš pakankamai stipraus mažaanglio ir mažai legiruotojo plieno, labiausiai pavojingas sukietinto metalo deformacinis senėjimas. Deformacinis senėjimas galimas konstrukcijoje suvirintoje iš šaltai deformuotų ruošinių, kurie suvirinant įkaito iki 100-3000C.

Konstrukcijose suvirintose iš padidinto stiprumo mažai ir vidutiniškai legiruotojo plieno, kuris yra jautrus termodeformaciniam suvirinimo ciklui, daugiausiai trapus irimas prasideda nuo koncentratorių esančių šalia užsigrūdinusios dalies siūlės terminio poveikio zonoje.

Suvirintai konstrukcijai taikant terminį apdorojimą reikia įvertinti pagrindinius faktorius, kurie turi įtakos plieno suvirinamumui iir suvirinto sujungimo savybėms. Terminio apdorojimo režimai priklauso nuo plieno lydymo būdo ir legiravimo , konstrukcijos tipo ir suvirinamųjų elementų storio, suvirinimo metodo ir siūlės legiravimo, darbo sąlygų ir kitų faktorių. Terminis apdorojimas yra daug darbo reikalaujanti operacija ir žymiai ppadidina konstrukcijos kainą. Stambiems mazgams terminio apdorojimo kaina sudaro 25-28 visos suvirinamų darbų kainos. Terminį apdorojimą reikia taikyti esant būtinumui.

Suvirintam sujungimui terminis apdorojimas taikomas įtempimams panaikinti, sukietinimui sumažinti, terminio poveikio zonos savybėms pagerinti arba struktūriniam ir mechaniniam nevienodumui sumažinti.

2.5. Terminio apdorojimo parinkimas

Terminio apdorojimo būdai taikomi detalių savybių pagerinimui gali būti panaudoti ir suvirintiems sujungimams. Mažaanglio ir mažai legiruotojo plieno suvirintiems mazgams dažniausiai taikomas terminis apdorojimas, kai kaitinama iki temperatūros žemesnės už Ac1 t.y. atleidimas arba pirmo tipo atkaitinimas. Panaikinami įtempimai, pagerinama terminio poveikio zonos struktūra ir savybės. Kaitinant skirtingų plienų suvirintą sujungimą gali vykti procesai kaip ir termocheminiame plienų apdorojime, difunduojant atomams susiformuoja nevienodos cheminės sudėties zonos. Atleidimas ir stabilizuojantysis atkaitinimas yra pagrindinės suvirintų sujungimų terminio apdorojimo operacijos. Jeigu atskirų zzonų savybės žymiai skiriasi, atleidimu ir stabilizuojančiuoju atkaitinimu negalima jų pagerinti, tuomet taikomas pilnas terminis apdorojimas, pavyzdžiui, normalizavimas arba grūdinimas ir atleidimas.

2.6. Austenitinio plieno suvirintų sujungimų terminis apdorojimas

Nors į gausiai legiruotųjų chrominių nikelinių plienų sudėtį specialiai neįvedama karbidus sudarančiųjų elementų (molibdeno, titano, niobio ir kt.), dažniausiai jų struktūroje be austenito po karštojo arba šaltojo valcavimo gali būti ferito ir karbidų. Feritas ir karbidai austenitiniame pliene keičia savybes, dažniausiai pablogina atsparumą korozijai, o taip pat plastiškumą ir smūginį tąsumą. Vienfazei aaustenitinei struktūrai gauti taikoma austenitizacija.

Austenitinio plieno struktūros kitimas priklausomai nuo anglies kiekio parodytas 33 paveiksle. SE linija rodo karbidų ištirpimą austenite kaitinant plieną arba išsiskyrimą aušinant. Plienus turinčius iki 0,1 anglies austenizacijai reikia įkaitinti nuo 750 iki 9500C temperatūrų. Plienai, kuriuose yra karbidus sudarančiųjų elementų kaitinami iki aukštesnių temperatūrų (1050-11500C).

33 pav. Anglies įtaka chrominio nikelinio plieno (18 Cr, 10 Ni) struktūrai

Užgrūdintą austenitinį plieną kaitinant iki 5000C temperatūros austenite išsiskiria karbidai. Padidėja plieno stiprumas, sumažėja plastiškumas ir atsparumas korozijai. Kaitinant iki 850-9000C karbidai tirpsta lėtai, o plienuose su karbidus sudarančiais elementais jie visai netirpsta arba pradeda išsiskirti.

Suvirinant austenitinius plienus, dėl nevienodos temperatūros terminio poveikio zonoje, susidaro skirtingų fazinių sudėčių ruožas. Atsparumas korozijai sumažėja, prie grūdelių ribų sumažėjus chromo kiekiui dėl išsiskyrusių karbidų. Korozija plinta grūdelių ribomis (tarpkristalinė korozija) (34 pav.). Suvirintą austenitinį plieną eksploatuojant agresyvioje paaukštintos temperatūros aplinkoje, tarpkristalinei korozijai išvengti taikomas terminis apdorojimas, t.y. 3-5 valandų kaitinimas 9000C temperatūroje. Toje temperatūroje iš austenito išsiskiriant karbidams ir kartu vykstant difuziniams procesams, zonos prie grūdelių ribų yra praturtinamos chromu. Tokiems suvirintiems sujungimams grūdinimas ir normalizavimas iš aukštų temperatūrų (1000-11500C) neleistinas, nes po tokios austenizacijos, kaitinant 500-6500C temperatūroje eksploatacijos metu iš kietojo tirpalo išsiskyria karbidai, padidėja prisiūlės jautrumas tarpkristalinei korozijai. Suvirintus sujungimus, kkurie eksploatuojami korozijai aktyvioje aplinkoje neįkaitinti arba įkaitinti iki 3000C, galima grūdinti arba normalizuoti po įkaitinimo iki aukštų temperatūrų.

34 pav. Tarpkristalinė korozija siūlės terminio poveikio zonoje

Austenitinius plienus tikslinga naudoti konstrukcijoms dirbančioms žemose temperatūrose, nes jie yra atsparūs šaltyje ir išsaugo gerą smūginį tąsumą. Suvirintas sujungimas yra plastiškiausias esant homogeninei struktūrai, kuri gaunama grūdinant iš 1050-11500C temperatūros.

Siūlės austenitinis metalas, kaip taisyklė, yra mažiau plastiškas ir atsparus šaltyje lyginant su pagrindiniu metalu. Tai nulemia siūlės metalo kristalinė sandara. Auštanti siūlė nepersikristalizuoja, išlieka stambiagrūdė transkristalinė struktūra. Austenizacija padidina siūlės metalo homogeniškumą, pagerėja plastiškumas ir atsparumas šaltyje.

Austenitinis plienas, kaip patvari karštyje medžiaga, naudojamas konstrukcijose kaitinamose iki 6500C. Chrominiai nikeliniai arba chrominiai nikeliniai manganiniai plienai turi karbidus arba intermetalidus sudarančių elementų (molibdeno, vanadžio, niobio ir kt.). Karbidinei fazei susidaryti ir austenitui stabilizuoti anglies kiekis padidinamas iki 0,4. Esant sunkiai tirpiems titano, niobio, cirkonio karbidams, plienus terminiam apdorojimui (austenizacijai) reikia kaitinti iki 12000C temperatūros. Kita karštyje patvarių plienų ypatybė ta, kad sendinimo temperatūra aukšta (700-8000C). Toje temperatūroje iš kietojo tirpalo išsiskiria plieną sustiprinanti fazė (karbidai, intermetalidai). Tokius plienus eksploatuojant 620-6500C temperatūrose austenite gali išsiskirti karbidai arba intermetalidai, kurie keičia plieno savybes. Savybėms stabilizuoti, sendinimo metu reikia kaitinti 100-1500C aukštesnėje temperatūroje negu konstrukcijos eksploatacijos temperatūra.

2.7. Mažaanglio pplieno suvirintų sujungimų terminis apdorojimas

Mažaangliai nelegiruotieji plienai termiškai neapdorojami. Kai kuriais atvejais grūdelių susmulkinimui, sukietinimui panaikinti, apdirbamumui pjovimu pagerinti šie plienai normalizuojami. Suvirintų sujungimų terminis apdorojimas yra sudėtingesnė problema. Racionaliausi terminio apdorojimo būdai yra normalizavimas ir aukštas atleidimas. Terminio apdorojimo panaudojimą nulemia keletas faktorių – suvirintų elementų storis, suvirinimo sąlygos, gaminio paskirtis ir darbo sąlygos.

Suvirintą sujungimą normalizuojant perkristalizuojamas metalas, susmulkėja grūdeliai ir pagerėja siūlės savybės. Normalizavimas taikomas storoms detalėms suvirintoms lanku po fliusu vienu praėjimu, elektrošlakiniu ir rankiniu lankiniu būdu storais elektrodais suvirintiems gaminiams. Normalizavimas teigiamą efektą duoda kaitinant visą gaminį. Esant vietiniam kaitinimui gali susidaryti tempimo įtempimai didesni už tuos, kurie susidaro suvirinimo procese.

Suvirintus sujungimus aukštai atleidžiant nepakinta metalo struktūra, tačiau sumažėja įtempimai, kurie eksploatacijos metu gali neigiamai paveikti konstrukcijos darbingumą. Aukštasis atleidimas būna bendras ir vietinis. Vietinio atleidimo metu reikia riboti aušinimo greitį, kad sumažinti liekamuosius įtempimus. Nustatant suvirinto mažaanglio plieno terminio apdorojimo būtinumą reikia žinoti ar suvirintas paviršius kontaktuos su agresyvia aplinka. Mažaanglių nesigrūdinančių plienų korozinį suskilinėjimą skatina tamprioji ir plastinė deformacija atsiradusi dėl vidinių ir išorinių įtempimų. Išorinius įtempimus galima keisti reguliuojant apkrovą.

Kaitinant prieš suvirinimą ir suvirinimo procese sumažėja temperatūrų skirtumas tarp suvirintos zonos ir pagrindinio metalo, todėl susidaro mažesni įtempimai. Suvirinant daugiasluoksnę siūlę

mažais voleliais sumažėja liekamieji įtempimai, nes užvirinant naują sluoksnį įkaista anksčiau sudaryti sluoksniai ir įtempimai relaksuoja. Liekamiesiems įtempimams turi įtakos aplinkos temperatūra, kurioje vykdomas suvirinimas. Esant žemai temperatūrai padidėja temperatūrų skirtumas, suvirintame gaminyje susidaro didesni įtempimai. Įtempimų dydis priklauso ir nuo suvirintos siūlės aušinimo greičio. Aušinant lėčiau (panaudojant termoizoliaciją) įtempimai būna mažesni.

Suvirintam sujungimui parenkant terminį apdorojimą atsižvelgiama į anglies kiekį pliene. Pliene, kuriame anglies yra 0,1 takumo riba yra 180 MPa, o esant 0,2 anglies takumo riba siekia 240 MPa. TTakumo riba turi įtakos suvirinimo įtempimams. Mažaanglio plieno suvirintoje konstrukcijoje bus mažesni liekamieji įtempimai, lyginant su daugiau anglies turinčio plieno konstrukcija. Pagal tai yra parenkamas suvirintos dalies terminis apdorojimas. Taip pat reikia įvertinti suvirinamojo metalo storį, nes didėjant storiui padidėja ir liekamieji įtempimai, tuomet reikalingas atleidimas.

2.8. Mažai legiruotojo plieno suvirintų statybinių konstrukcijų

terminis apdorojimas

Mažai legiruotojo plieno suvirintos statybinės konstrukcijos termiškai apdorojamos ne tik įtempimų panaikinimui, bet ir terminio poveikio zonos struktūrai ir savybėms, o kai kuriais atvejais siūlės metalo struktūrai pagerinti.

Atsižvelgiant įį pakitimus, kurie gali vykti terminio poveikio zonoje mažai legiruotuosius plienus galima suskirstyti į tris grupes:

1) plienai, kuriuose suvirinant terminio poveikio zonoje gali susidaryti nepusiausvyrinės struktūros (beinitas ir martensitas) šiek tiek sustiprinančios ir sumažinančios tos dalies plastiškumą,

2) plienai, kuriuose savybės keičiasi išsiskiriant ddispersinei sustiprinančiajai fazei (karbidams, nitridams),

3) plienai, kurių savybes nulemia labai smulki struktūra ir dispersinė sustiprinančioji fazė.

Pirmai grupei priklauso plienai legiruoti 1,3-1,8 manganu, o kai kada iki 0,9 chromu. Nors anglies juose yra mažai (0,12-0,18), terminio poveikio zonos dalyje įkaitusioje virš 10000C ir po to sąlyginai greitai ataušus susidaro nepusiausvyrinė struktūra. Tai patvirtina padidintas kietumas (220-240 HB), kai tuo tarpu nelegiruotojo plieno, bet turinčio daugiau anglies terminio poveikio zonos tokios pat dalies kietumas yra iki 180 HB. Tokių suvirintų plienų terminio apdorojimo būtinumas priklauso nuo suvirinamųjų detalių storio, suvirinimo sąlygų, eksploatacijos temperatūros ir aplinkos, kuri gali iššaukti korozinį supleišėjimą. Jeigu būtina suvirinamos detalės kaitinamos iki 150-2500C ir suvirintas sujungimas atleidžiamas 6000C temperatūroje.

Antros grupės plienų savybės pasikeičia kietajame tirpale išsiskyrus dispersinei karbidinei arba kkarbonitridinei fazei. Išsiskyrus karbonitridams padidėja plieno stiprumas, o dėl to, kad stabdomas grūdelių augimas, gaunama smulkiagrūdė struktūra, padidėja plastiškumas ir atsparumas šaltyje.

Trečios grupės plienams aukštas savybių kompleksas gaunamas termomechaniniu apdorojimu, susidarant ypač smulkiagrūdei struktūrai kartu išsiskiriant dispersiniams karbidams arba intermetalidams.

Šių plienų terminio poveikio zonoje gali išaugti grūdeliai ir koaguliuoti karbidai, o šalia siūlės ištirpti. Taip pasikeitus struktūrai, sumažėtų terminio poveikio zonos stiprumas ir smūginis tąsumas. Tačiau šių savybių pablogėjimą galima sumažinti iki minimumo sumažinus suvirinimo linijinę energiją ir padidinus suvirinto ssujungimo aušinimo greitį. Savybių pablogėjimą stabdo patvarūs vanadžio, niobio ir molibdeno karbidai, nes jie lėtai koaguliuoja. Jie ištirpsta žymiai aukštesnėse temperatūrose negu geležies, mangano ir chromo karbidai. Trumpai kaitinant suvirinimo procese, karbidai nespėja ištirpti, stabdo grūdelių augimą.

Suvirinant termiškai gerinamuosius plienus, susilpnintos zonos dydis priklauso nuo linijinės suvirinimo energijos ir nuo jos priklausančio suvirinimo greičio.

2.9. Mažai legiruotųjų šilumoje patvarių suvirintų plienų

terminis apdorojimas

Mažai legiruotuose šilumoje patvariuose plienuose yra iki 0,2 anglies, 1-2 chromo, iki 0,5 molibdeno ir iki 0,3 vanadžio.

Terminio poveikio zonoje vykstančius virsmus įtakoja pliene esantys legiruotieji elementai, kurie padidina austenito pastovumą kaitinant, skatina jo skilimą aušinimo metu. Susidarius nepusiausvyrinei struktūrai terminio poveikio zonos kietumas padidėja iki 350 HB. Suvirintus sujungimus atleidžiant ne tik sumažėja įtempimai, bet ir panaikinama nepusiausvyrinė struktūra, sumažėja kietumas, padidėja smūginis tąsumas. Konstrukcija tampa mažiau jautri trapiam suirimui.

Plienuose legiruotuose chromu, molibdenu ir vanadžiu sunkiau ištirpsta karbidai, todėl suvirinimo procese šie karbidai greičiau ištirpsta labiau įkaitusiose dalyse, todėl ataušusios turi padidintą kietumą. Dėl paaukštintos Ac1 kritinės temperatūros yra aukštesnė atleidimo temperatūra (730-740oC).

Dažnai mažai legiruotieji šilumoje patvarūs plienai naudojami normalizuoti ir aukštai atleisti, rečiau grūdinti ir atleisti. Taip apdorotų plienų struktūra esti smulkiagrūdė su vienodai išsidėsčiusiais dispersiniais karbidais. Priesiūlėje įkaitusioje virš 900oC išauga grūdeliai, susidaro nepusiausvyrinė struktūra. RRuožuose įkaitusiuose iki 700-900o sustambėja karbidai, šiek tiek sumažėja stiprumas. Dėl to (kur tai galima) tikslinga savybes atstatyti normalizavimu ir aukštu atleidimu. Tačiau toks terminis apdorojimas būna racionalus kai kaitinamas visas suvirintas gaminys. Vietinis normalizavimas gali pabloginti struktūrą ir savybes ruožuose tarp įkaitusio ir neįkaitusio pagrindinio metalo.

2.10. Gausiai legiruotųjų chromu plienų suvirintų sujungimų

terminis apdorojimas

Gausiai legiruotuose plienuose yra nuo 11 iki 28 chromo. Tokių plienų suvirintiems sujungimams terminis apdorojimas parenkamas atsižvelgiant į terminio poveikio zonos ir siūlės metalo fazinį ir struktūrinį būvį, kuris priklauso nuo anglies, chromo ir nikelio kiekio. Reikia atsižvelgti ir į pliene mažais kiekiais esančių molibdeno, volframo, vanadžio, niobio ir kitų elementų įtaką savybėms.

Kokios gali būti terminio poveikio zonos ir siūlės metalo struktūros parodyta 35 ir 36 paveiksluose. Gausiai legiruotuose chromu plienuose suvirinimo procese galimas  virsmas. Dalinai arba visiškai susidaro martensitas, kai pasikeitimas  įvyksta pažemintose temperatūrose. Lydinai kuriuose nebūna  virsmo yra feritinės struktūros. Feritiniai plienai yra jautrūs grūdelių augimui. Grūdelių augimo nesustabdo ir esantys karbidai. Suvirinti plienai, kuriuose yra daugiau martensito atleidžiami  fazės stabilaus būvimo temperatūroje. Feritinių plienų suvirintų sujungimų savybių negalima pagerinti terminiu apdorojimu. Kaitinant atleidimui savybės gali pablogėti dėl grūdelių sustambėjomo.

35 pav. Chromo įtaka geležies anglies lydinių -srities dydžiui

36 pav. NNikelio įtaka plieno su 18Cr struktūrai: a – 2 Ni, b – 4 Ni

Daug chromo turinčius plienus termiškai apdorojant reikia atsižvelgti į tai, kad jie yra mažiau laidūs šilumai. Greitai kaitinant gali susidaryti laikini įtempimai, ir liekamieji įtempimai – atšalus suvirintam sujungimui. Tačiau feritinius ir pusiau feritinius chrominius plienus lėtai kaitinant 470-500oC temperatūrų intervale gali padidėti trapumas.

Suvirintą sujungimą termiškai apdorojant reikia įvertinti sąlygas, kuriose dirbs konstrukcija. Jeigu konstrukcija turi būti patvari šilumoje, tai daugiachromio plieno suvirinti sujungimai atleidžiami 720-770oC temperatūroje, o jei ji dirbs koroziškai aktyvioje aplinkoje taikoma homogenizacija 1000-1100oC temperatūroje.

2.11. Skirtingos sudėties ir klasių plienų suvirinti sujungimai

Kokie plienai geriausiai susivirina parodyta penktoje lentelėje.

5 lentelė

Skirtingų plienų suvirintų sujungimų efektyvaus panaudojimo atvejai

Panaudojimo

efektyvumas Suvirinamieji plienai Siūlės metalo struktūra

1 2

Brangiai kainuojančio gausiai legiruotojo plieno ekonomija Gausiai legiruotasis (atsparus korozijai, dilimui, karščiui ir kt.) Vidutiniškai arba mažai legiruotasis, anglinis Austenitas arba austenitas ir feritas

Kai suvirintas sujungi-mas termiškai neapdo-rojamas Mažaanglis arba viduti-nio anglingumo, legiruo-tasis, užsigrūdinantis aušinant ore Toks pat plienas arba kitas legiruotasis arba anglinis Austenitas, austeni-tas ir martensitas arba austenitas ir feritas

Suvirinto sujungimo savybių pagerinimas Daugiachromis Toks pat plienas arba mažai legiruotasis arba daug legiruotasis chrominis nikelinis Austenitas arba austenitas feritas

Flanšinio sujungimo pakeitimas suvirintu, vamzdyną prijungiant prie aparato Vidutiniškai ir mažai legiruotasis Kitos sudėties mažai legiruotasis arba anglinis Perlitas

Eksploatuojant stambias konstrukcijas ir gaminius, dažnai specifinės

sąlygos (korozija, aukšta temperatūra, dilimas ir kt.) veikia tik atskiras jų dalis. Pavyzdžiui, chemijos pramonės aparato išorė nekontaktuoja su agresyvia aplinka, todėl išoriniam paviršiui nebūtina naudoti gausiai legiruotojo rūgštims atsparaus plieno. Turbinų rotorius tikslinga gaminti iš dviejų skirtingų plienų. Periferinę dalį, kontaktuojančių su karštomis dujomis arba perkaitintu garu, – iš gausiai legiruotojo karštyje patvaraus plieno, centrinę dalį iš – vidutiniškai legiruotojo plieno, nes ji įkaista iki žemesnių temperatūrų. Dviejų plienų kompozicija gali būti naudojama detalėms dirbančioms abrazyvinio dilimo sąlygose. Legiruotasis ddilimui atsparus plienas suvirinamas su paprastu konstrukciniu plienu.

Suvirinant lydomuoju būdu metalas išsilydo ir susimaišo. Susilydo suvirinamojo gaminio briaunos ir pridėtinis metalas. Pagrindinio ir pridėtinio metalo kiekis suvirinimo siūlėje priklauso nuo cheminės sudėties ir suvirinimo sąlygų, kurios turi įtakos suvirinamųjų metalų briaunų pralydymui. Labiausiai pralydomas metalas (daugiau 50) lankiniame suvirinime.

Siūlės struktūra ir savybės priklauso nuo susidariusio lydinio. Suvirinus skirtingos sudėties lydinius, pavyzdžiui anglinį ir legiruotąjį austenitinės klasės plieną, nėra diskretinio perėjimo nuo vieno lydinio prie kito. Susidaro tarpinės sudėties lydinys, kkuriame susimaišo pagrindinis ir pridėtinis metalas.

37 pav. Elementų pasiskirstymas skirtingų plienų sulydymo zonoje esant įvairiems

legiruojančiojo elemento kiekiams (a, a, a) ir skirtingiems pralydymo

laipsniams (a, b), 0-x – sulydymo zonos vietos su martensitine struktūra

37 paveiksle parodytas galimas kokio nnors legiruojančiojo elemento Me2 esančio pridėtiniame metale ir, savaime aišku, siūlės metale II, bet nesančio suvirinamąjame pliene I persiskirstymas. Pavyzdžiui, tokiais elementais gali būti chromas ir nikelis kai nelegiruotasis plienas suvirinamas austenitinio plieno elektrodu. Sulydymo zonoje galima išskirti tris dalis. Pirmoje dalyje sulydytas metalas sąlyginai yra vienodos sudėties, kuri išsilygina vykstant difuziniams procesams ir dėl lanko poveikio. Antroje dalyje legiruojančiojo elemento Me2 koncentracija sumažėja iki to elemento koncentracijos pagrindiniame metale (šiuo atveju iki nulio). Antra dalis turi būti platesnė negu trečia, nes difuzija vyksta žemesnėje temperatūroje, dalinai susikristalizavusiame arba neišsilydžiusiame metale. Labiausiai įkaitusioje trečioje dalyje difuzija vyksta labai greitai. Kreivė a atitinka legiruojančiojo elemento pasiskirstymą esant mažesniam pralydymo laipsniui, o kreibė b – esant dideliam pralydymo laipsniui. 37 paveiksle schematiškai pparodytas elementų pasiskirstymas, tačiau realiai gali būti šiek tiek kitaip. 38 paveiksle parodytas chromo ir nikelio pasiskirstymas austenitinio ir anglinio plienų sulydymo zonoje.

38 pav. Chromo ir nikelio pasiskirstymas austenitinio ir anglinio plienų

sulydymo zonoje

Sulydymo zonos sudėtis, struktūra ir savybės priklauso nuo suvirinamojo ir pridėtinio metalo sudėties, pralydymo laipsnio. Sulydymo zonos struktūrą galima įvertinti pagal struktūrines diagramas (39 pav.).

39 pav. Skirtingų plienų suvirinto sujungimo sulydymo zonos struktūrinė diagrama

Struktūrinėje diagramoje 1-9 taškais pažymėti struktūriniai būviai atitinkantys suvirintų plienų ir pridėtinių llydinių sudėčių suvidurkintas reikšmes: 1-mažai legiruotasis suvirinamasis plienas; 2 ir 3-pridėtiniai lydiniai, kurių sudėtyje yra apie 0,8 C ir atitinkamai 18 Cr, 10 Ni bei 25 Cr, 13 Ni; 4 ir 5-suvirinamieji chrominiai plienai atitinkamai su 13 ir 28 Cr. Tiesės jungiančios taškus 1 ir 2, 1 ir 3 charakterizuoja visų tarpinių lydinių struktūrinius būvius, kurie gali susidaryti susimaišius mažai legiruotąjam plienui su daug chromo ir nikelio turinčiais plienais esant įvairiems suvirinamojo ir pridėtinio metalo kiekiams. Jeigu susimaišiusiame lydinyje yra daugiau pridėtinio lydinio, tai jo struktūra yra arčiau taško 2 arba 3, jeigu yra mažiau pridėtinio lydinio, tai susimaišiusio lydinio struktūra bus arčiau taško 1. Mažai legiruotąjį plieną suvirinant elektrodu, turinčiu 18 Cr ir 10 Ni pagrindinėje sumaišymo zonos dalyje bus martensitinė austenitinė struktūra, o siauroje dalyje, prie suvirinamojo metalo bus martensitas, prie siūlės – austenitas. Struktūrai turi įtakos pralydymo laipsnis. Esant 20 pralydymo laipsniui sulydymo zonoje susidaro austenitinė struktūra, o esant 50 pralydymo laipsniui sulydymo zonos struktūroje yra martensitas. Iš to galima padaryti išvadą, kad elektrodu su 18 Cr ir 10 Ni nepatartina virinti anglinių, mažai ir vidutiniškai legiruotųjų plienų. Suvirinant plienus turinčius daugiau kaip 0,15 anglies, sulydymo zonoje susidaro anglingas martensitas, kuris yra trapus ir pavojingas eksploatuojant konstrukciją.

Didinant nnikelio kiekį pridėtiniuose lydiniuose (taškai 2, 7, 8), suvirintoje siūlėje padaugėja austenito. Prie siūlės padidėja austenitinis ruožas ir atitinkamai sumažėja austenitinis martensitinis ir martensitinis ruožai.

Nikelio ir srovės stiprumo įtaka perėjimo zonos ir martensitinio ruožo susidarymui perlitinį plieną suvirinant austenitiniu elektrodu, parodyta 39, 40 paveiksluose. Nikelis žymiai sumažina martensitinio ruožo plotį sulydymo zonoje ir neturi įtakos sulydymo zonos pločiui. Didinant suvirinimo srovę martensitinė dalis sulydymo zonoje didėja, nes daugiau suvirinamojo perlitinio plieno dalyvauja susidarant šiai zonai.

40 pav. Nikelio, esančio austenitiniame siūlės metale, įtaka perėjimo zonos p.z.

pločiui ir martensitinio ruožo m.r. pločiui suvirinant perlitinį plieną

41 pav. Suvirinimo srovės stiprumo įtaka martensitinio ruožo m.r. pločiui

suvirinant perlitinį plieną austenitiniu elektrodu

Plieną turintį 13 ir daugiau chromo suvirinant jame esantis nikelis įtakoja sulydymo zonos struktūrinius pokyčius. Suvirinus plieną turintį 25-27 Cr (taškas 6), siūlėje esant nuo 15 nikelio (taškas 2) iki 50 (taškai 8,9), susidaro austenitinė feritinė struktūra (linijos 2-6, 6-7, 6-8 ir 6-9), nėra martensito.

2.12. Skirtingų plienų sulydymo zonoje kietame būvyje

vykstantys difuziniai procesai

Skirtingų plienų sulydymo zonoje vyksta sudėtingi atomų persislinkimo ir pasikeitimo procesai. Pasikeitimai vyksta dėl elementų atomų laisvųjų energijų skirtumo, nevienodo pagrindo (geležies) būvio arba elementų koncentracijos skirtumo. Šie difuziniai procesai intensyviai vyksta aukštose temperatūrose kai yra padidintas ištirpusių elementų iir geležies atomų judrumas. Sulydymo zonoje elementų atomų difuzijai susidaro geros sąlygos terminio apdorojimo metu, kai kaitinama iki 11500C arba eksploatacijos metu suvirintam sujungimui įkaitus iki 6500C.

Kaitinant skirtingų plienų suvirintą sujungimą per sulydymo zoną difunduota chromas, nikelis, geležis, o taip pat anglis, kuri žymiai keičia suvirinimo zonos savybes. Chromo, nikelio, geležies ir kitų elementų difuzijos greitis austenite ir ferite žymiai mažesnis negu anglies. Pavyzdžiui, chromo difuzijos koeficientas austenite 10500C temperatūroje – 5810-12 cm2/s, o anglies 10000C temperatūroje – 2,610-7 cm2/s. Toks anglies ir kitų elementų difuzijos koeficiento skirtumas rodo, kad kaitinant suvirintą sujungimą chromo, nikelio ir kitų elementų atomai difunduoja lėtai, kai tuo tarpu, anglies atomai yra labai aktyvūs. Anglies atomų difuzija nulemia suvirinto sujungimo struktūrą ir savybes. Legiruojančiųjų elementų difuzija per plienų sulydymo zoną gali suaktyvėti, kai kaitinama temperatūrose aukštesnėse už nurodytas terminio apdorojimo temperatūras. Pavyzdžiui, mažaanglio plieno suvirinto su gausiai legiruojuoju plienu (18 Cr, 10 Ni) sulydymo zonoje pastebima chromo difuzija ilgai kaitinant 11500C temperatūroje.

Labai svarbią ir kartu lemiamą reikšmę suvirinto sujungimo savybėms ir patikimumui turi anglies atomų judrumas per sulydymo zoną. Difunduojant anglies atomams, angliniame ir mažai legiruotame pliene gali susidaryti nuanglinta dalis ir šalia jos įanglinta dalis, kurioje priklausomai nuo pralydymo būna

martensitas, martensitas ir austenitas arba austenitas ir karbidai. Susidarius tokioms struktūroms labai pasikeičia sulydymo zonos savybės.

42 paveiksle parodyta kaip kinta sulydymo zonos kietumas tarp suvirinto mažai legiruoto chromu ir molibdenu plieno (0,3 C) ir austenitinės siūlės (0,08C, 18 Cr, 10Ni). Angliai difunduojant iš mažai legiruotojo plieno į siūlę, susidaro įanglintas 5000 HV kietumo ruožas ir šalia 1000 HV nuanglintas ruožas. Šalia nuanglinto ruožo yra nepilnai užsigrūdinęs pagrindinis metalas (3000HV).

42 pav. Kietumo kitimas sulydymo zonoje po kaitinimo 7000C temperatūroje 100 val.

Dėl ccheminio nevienodumo po kaitinimo ir ataušinimo, susidarius įvairaus kietumo zonoms, labai pablogėja suvirinto sujungimo savybės. Stiprumas sumažėja dėl nuanglintoje dalyje vykstančių mikroplastinių deformacijų, nes tose vietose prasideda irimas (42 pav.). Suirimo priežastimi gali būti ir įanglinta padidinto trapumo zona. Norint efektyviai panaudoti suvirintus sujungimus, reikia žinoti elementų (ypač anglies) difuzijos priežastis ir dėsningumus, sulydymo zonoje susidariusio cheminio ir mechaninio nevienodumo priežastis.

43 pav. Irimas sulydymo zonoje tarp mažai legiruotojo plieno ir austenitinės siūlės:

a-suirusio vamzdžio dalis, b-suirusios vietos vaizdas

Sulydymo zonoje ddifunduojant anglies atomams susidaro cheminis ir struktūrinis nevienodumas pabloginantis suvirinto sujungimo savybes. Tai priklauso nuo keletos priežasčių. Pagrindinė priežastis – skirtingas anglies termodinaminis aktyvumas besiliečiančiuose kietuosiuose tirpaluose. Gali būti ir kitos priežastys: 1) anglies koncentracijų skirtumas, 2) skirtingas anglies tirpumas kkietuosiuose tirpaluose (austenite ir ferite), 3) cheminis junginių susidarymas angliai difunduojant link jų.

Kai anglies termodinaminis aktyvumas kuriame nors pliene žymiai didesnis negu kitame, susidaro galimybė angliai difunduoti iš plieno su mažesniu anglies kiekiu susidarant nuanglintai zonai ir įanglintai zonai kietajame tirpale su didesniu anglies kiekiu. Skirtingų plienų sulydymo zonos struktūriniam nevienodumui išvengti reikalingas vienodas anglies termodinaminis aktyvumas kietuosiuose tirpaluose.

Legiruojančiųjų elementų įtaka anglies aktyvumui dažniau buvo nagrinėta austenite, bet pagal tai galima spręsti ir apie legiruojančiųjų elementų įtaką anglies aktyvumui ferite. Iš tų duomenų galima spręsti, kad anglies aktyvumą didina nikelis ir kobaltas, o mažina manganas, chromas ir aliuminis. Ypač aktyvumą sumažina chromas. Kiti karbidus sudarantys elementai (volframas, molibdenas, vanadis) taip pat sumažina anglies aktyvumą kietąjame tirpale.

Anglies aktyvumą galima įvertinti ppagal nuanglėjusios zonos plotį. Nelegiruotasis plienas (0,16 C) buvo suvirintas su plienais (0,1 C) legiruotais manganu, chromu, volframu, vanadžiu, niobiu, siliciu ir nikeliu. 44 paveiksle pateikti nuanglintų sluoksnių pločiai suvirintame sujungime po kaitinimo 7000C temperatūroje 100 valandų.

44 pav. Legiruojančiųjų elementų įtaka nuanglėjusio ruožo pločiui nelegiruotojo (I)

ir legiruotojo (II) plienų suvirintame sujungime po kaitinimo 7000C

temperatūroje 100 val.

Labiausiai anglies aktyvumą mažina vanadis. Chromo plienuose yra žymiai daugiau, todėl jis yra pagrindinis elementas mažinantis anglies aktyvumą. Volframo poveikis anglies aktyvumui mažesnis, ttai aiškinama didesne atomine mase lyginant su chromu. Nikelis ir silicis „išstumia“ anglį, t.y. didina anglies aktyvumą nikeliniame ir siliciniame pliene ir todėl susidaro nuanglintas sluoksnis. Struktūrinį nevienodumą galima sumažinti keičiant anglies aktyvumą. Į suvirinimo zoną įvedus chromo ir mangano anglies aktyvumas sumažėja, o įvedus nikelį anglies aktyvumas padidėja. Silicį naudoti anglies aktyvumui padidinti netikslinga, nes jis mažina plieno plastiškumą.

Suvirintam sujungimui ataušus įanglintoje dalyje susidaro martensitas, padidėja kietumas. Įanglintos dalies kietumas priklauso nuo anglies kiekio pagrindiniame metale (45 pav.). Didėjant anglies kiekiui pagrindiniame metale, padidėja anglies aktyvumas ir difuzijos greitis, labiau įsianglina prisiūlės metalas.

45 pav. Austenitinės siūlės (25 Cr, 20 Ni) ir nelegiruotųjų plienų sulydymo zonos

kietumas: 1 – armiko geležis, 2 – plienas su 0,3 C, 3 – plienas su 0,7 C

Difuzinių zonų susidarymas priklauso ne tik nuo anglies aktyvumo suvirinamame metale ir siūlėje, bet taip pat ir nuo kaitinimo temperatūros ir trukmės. Temperatūros įtaka yra dvejopa. Kylant temperatūrai anglis per sulydymo ribą turi difunduoti pagal parabolinį dėsningumą. Tačiau anglies difuzijos greitis sumažėja feritui virtus austenitu, nes austenite anglies aktyvumas mažesnis (46 pav.). Feritui virtus austenitu anglies difuzijos greitis toliau gali mažėti, nes tirpstant karbidams austenite padidėja anglies ir legiruojančiųjų elementų kiekis.

46 pav. Temperatūros įtaka nuanglėjusios ruožo pločiui aaustenitinės siūlės ir

perlitinio plieno sulydymo zonoje: 1 – kai nėra fazinių virsmų,

2 – esant faziniams virsmams

3. PLIENO APVIRINIMAS

3.1 Apvirinto metalo paskirtis, sudėtis ir mIkrostruktūra

Dilimui atsparioms dangoms gauti naudojama daug įvairių medžiagų. Jas galima suskirstyti pagal paskirtį arba pagal aplydyto metalo cheminę sudėtį. Daugeliu atvejų aplydytos detalės, o taip pat įrankiai eksploatacijos metu ne tik abrazyviniai dyla, bet ir yra veikiami smūginių apkrovų. Todėl panaudojant apvirinimui medžiagas į tai reikia atsižvelgti.

Visas apvirinimo medžiagas pagal paskirtį galima suskirstyti į penkias pagrindines grupes: 1) detalėms dirbančioms abrazyvinio dilimo sąlygose be smūginių apkrovų, 2) abrazyviniai dylančioms detalėms esant nežymioms apkrovoms, 3) abrazyviniai dylančioms detalėms esant žymioms apkrovoms, 4) abrazyviniai dylančioms detalėms esant labai didelėms apkrovoms, 5) detalėms dirbančioms hidroabrazyvinio dilimo sąlygose.

Analizuojant pramonėje naudojamas apvirinimo medžiagas, visus geležies anglies lydinius galima suskirstyti į keturias grupes.

Pirmai grupei priklauso apvirinimo lydiniai, kuriuose chromas yra pagrindinis elementas. Paprastai į lydinius su chromu mažais kiekiais papildomai įvedama vienas arba du legiruojantieji elementai. Antrai grupei priskiriami daugiamanganiniai lydiniai, trečiai – lydiniai su volframu kaip pagrindiniu legiruojančiuoju elementu. Ketvirtos grupės medžiagos yra legiruotos trimis elementais ir daugiau. Beveik visuose lydiniuose yra daug anglies. Kai kuriuose lydiniuose yra boro.

Norint gauti geriausias eksploatacines savybes, reikia žinoti kokia struktūra tinka esamoms ddarbo sąlygoms. Atsparumas abrazyviniam dilimui priklauso ne tik nuo apvirinto sluoksnio kietumo, bet ir nuo struktūrinių dedamųjų ir jų savybių.

Detalės dirbančios abrazyvinio dilimo sąlygose apvirinamos lydiniais gaunant tokias aplydyto sluoksnio struktūras: 1) martensitinę arba tarpinę (47 pav.,a); 2) austenitinę, sukietėjančią deformacijos metu (47 pav.,b) (daugiamanganiniai lydiniai), 3) ledeburite išsidėstę pirminiai karbidai (47 pav,c) (sormaitas ir kiti), 4) kietojo tirpalo dendritai ir eutektika (47 pav.,d), 5) austenitiniame martensitiniame pagrinde įsiterpę smulkūs karbidai (47 pav.,e).

47 pav. Tipinės apvirintų sluoksnių struktūros

Apvirinant tuo pačiu lydiniu galima gauti skirtingas struktūras. Didelę reikšmę struktūros susidarymui turi detalės pakaitinimas, apvirinimo srovės stiprumas, aušinimo greitis ir kt. Apvirinimo procese esant per aukštai kaitinimo temperatūrai sustambėja pirminiai karbidai. Padidinus apvirinimo srovės stiprumą gaunama stambiagrūdė struktūra, sumažėja sluoksnio atsparumas smūgiams.

Sulydymo zonos struktūra priklauso nuo pralydymo laipsnio, pagrindinio ir aplydomojo metalo susimaišymo, o taip pat nuo anglies difuzijos per sulydymo ribą. Anglis gali difunduoti iš aplydyto metalo į pagrindinį arba atvirkščiai, priklausomai nuo šių metalų cheminės sudėties. Pagrindinis metalas įsianglina kai būna įkaitęs virš Ac3 temperatūros, esant austenitinei struktūrai. Karbidus sudarantys elementai sulėtina anglies difuziją.

Detalių dirbančių abrazyvinio dilimo sąlygose paviršinio sluoksnio struktūroje turi būti kieta dedamoji. Tokia dedamąja gali būti karbidai, boridai, karboboridai, karbonitridai, intermetalidai, o kai

kuriais atvejais – martensitas. Kietos dalelės turi būti gerai įsitvirtinusios matricoje (lydinio pagrinde). Matrica taip pat turi būti atspari dilimui.

Martensitinės matricos savybės priklauso nuo anglies kiekio. Mažaanglis martensitas yra mažiau atsparus dilimui, bet pasižymi didesniu smūginiu tąsumu, geriau apsaugo kietas struktūrines dedamąsias nuo ištrupėjimo esant smūginiam abrazyviniam dilimui.

Aukštoje temperatūroje atleisto plieno struktūroje yra feritas ir karbidai. Padidinus anglies kiekį padaugėja karbidų. Feritinės matricos atsparumas dilimui yra žymiai mažesnis už martensitinės. Didesnis karbidų kiekis padidina atsparumą dilimui, tačiau efektas mažesnis kai yyra smūginis abrazyvinis dilimas.

Austenitinė matrica, lyginant su feritine, yra plastiškesnė ir stipresnė, stipriau laiko karbidines daleles, todėl padidėja sluoksnio atsparumas dilimui. Austenitas kaip nestabili fazė plastinės deformacijos metu virsta martensitu, kietumas padidėja, apvirintas sluoksnis mažiau dyla. Geriausias variantas kai aplydytame sluoksnyje dalis austenito (30-50) virsta martensitu. Tuomet sluoksnis yra pakankamai plastiškas ir atsparus dilimui.

Ledeburito gali būti daugiaangliame legiruotame metale. Jame yra ferito, martensito ir austenito. Dalinai ledeburitas yra kaip matrica, kurioje įsiterpusios kietos karbidų, boridų arba kitų fazių dalelės.

3.2. KKarbidų įtaka apvirinto sluoksnio savybėms

Karbidai didina sluoksnio atsparumą dilimui. Tačiau per didelis jų kiekis duoda neigiamą efektą, nes keičiasi dilimo mechanizmas, karbidai nedyla, o ištrupa. Didelę reikšmę turi karbidų pasiskirstymas. Kristalizuojantis aplydytam metalui, pirminiai karbidai gali pasiskirstyti netolygiai, gali būti įįvairių formų ir dydžio, gali gautis karbidinis nevienodumas.

Ledeburitiniuose daug legiruotuose plienuose dažnai susidaro skeletinės formos eutektinių karbidų tinklelis. Lydiniai su tokia struktūra atsparesni dilimui negu, kad esant smulkiems vienodai pasiskirsčiusiems karbidams. Poeutektoidiniame aplydytame metale karbidai apie grūdelius dažnai sudaro tinklelį. Lydiniai, kuriuose austenito martensito grūdeliai yra apsupti karbidiniu tinkleliu yra pakankamai atsparūs dilimui. Tačiau jie dyla labiau negu lydiniai, kuriuose yra pertekliniai pirminiai karbidai (48 pav.).

Visi karbidai yra kieti, todėl jie sumažina lydinių dilimą. Karbidai su didesniu anglies kiekiu yra kietesni. Be to karbidų kietumas kinta, kai dalis karbidų sudarančio elemento atomų yra pakeisti kito elemento atomais. Karbidų tipai ir savybės pateiktos 6 lentelėje.

Karbidai susidaro tam tikru nuoseklumu. Didesnė tikimybė susidaryti tų pereinamųjų metalų karbidams plienuose, kurių atomų skersmenys ddaugiau skiriasi lyginant su geležies atomais ir mažesnis jonizacijos potencialas. Volframo ir molibdeno beveik vienodi atomų skersmenys, tačiau greičiau susidaro molibdeno

48 pav. Karbidų forma poeutektoidiniuose lydiniuose: a – pertekliniai chromo

karbidai, b – pertekliniai volframo karbidai

karbidas, nes molibdeno jonizacijos potencialas mažesnis. Eilėje nuo chromo iki vanadžio ir titano, lyginant su geležimi, didėja atomų skersmenų skirtumas, o jonizacijos potencialas mažėja. Todėl lydiniuose, kuriuose yra chromo, vanadžio ir titano, chromo karbidai susidaro susidarius titano ir vanadžio karbidams.

6 lentelė

Karbidų tipai ir savybės

Struktū-rinė

formulė Gardelės

tipas Atomų kkiekis narvelyje Mikrokie-

tumas Lydymosi temperatūra,

oC Lyginamasis svoris g/cm3 Maksimalus karbide ištirpusio elemento kiekis

Fe3C Rombinė 16 840-860

950-1050 1650 7,62 Mn – neribotai

Cr – iki 30

V – iki 2

W – iki 0,5

Ti, Mo, Nb, Ta – mažai tirpūs

Cr7C3 Heksagoninė 80 1050-1250

2100 1665 6,92 Fe – iki 60

M23C6 Sudėtinga kubinė 116 1000-1100 1550 6,97 Fe – iki 35

visi elementai išskyrus Nb, Ti, Ta, tirpūs

W2C Heksagoninė 3 3000 2850 17,2

M6C Kubinė 112 1495-1812

1000-1100 – 12,0 V – iki 2-3

Cr – iki 3-5

WC Heksagoninė 2 1700-1750 2600 15,7 Fe, Ni, Cr blogai ištirpsta

VC Kubinė

(š.c.) 8 2700-2990 2830 5,6-5,9 Cr – iki 30

W, Mo – iki 50

Fe – labai mažai tirpus

TiC Kubinė

(š.c.) 8 3200 3100 – 0,7 Ni

Mo2C Heksagoninė tankiai

supakuota 3 1600 2700 – –

MoC Heksagoninė tankiai

supakuota 2 – 2690 – –

Legiruojančiojo elemento karbidų patvarumas geležies anglies lydiniuose priklauso nuo elemento ir anglies santykio. Kai šis santykis didesnis, karbide legiruojančiojo elemento yra daugiau, jis yra patvaresnis.

Fe-Cr-C lydiniuose priklausomai nuo Cr/C santykio gali susidaryti kelių tipų karbidai:

1) kai Cr/C0,5 yra M3C karbidas,

2) kai Cr/C yra nuo 0,5 iki 2, gali būti vienas Fe3C karbidas arba Fe3C ir Cr7C3 karbidai,

3) kai Cr/C2, kaip taisyklė cementitinio tipo karbido nėra. Kai Cr/C yra nuo 5 iki 5 yra vienas Cr7C3 karbidas arba ir Cr23C6 karbidas,

4) kai Cr/C5, kaip taisyklė, yra Cr23C6 karbidas.

Lydinys yra atsparus dilimui ir pakankamai tąsus, kai karbidų kiekis neviršija

25-30. Geromis savybėmis pasižymi apvirintas sluoksnis sudarytas iš austenitinės martensitinės matricos ir karbidinių intarpų.

Plienuose su keliais karbidus sudarančiais elementais pirmiausia susidaro elementų giminingesnių angliai karbidai. Karbidų susidarymas taip pat priklauso nuo kiekvieno elemento ir anglies santykio.

3.3. Boro įtaka apvirinto sluoksnio struktūrai ir savybėms

Boras plačiai nnaudojamas aplydyto metalo atsparumo dilimui padidinti. Nedidelis kiekis boro (iki 1) labai padidina lydinių kietumą ir atsparumą abrazyviniam dilimui, tačiau sumažina smūginį tąsumą.

Boras mažai tirpsta austenite ir ferite. Net ir nedidelis jo kiekis sustiprina feritą, nes susmulkina grūdelių blokus ir padidina mikroįtempimus. Didesnė dalis boro yra atskirose fazėse – boriduose ir karboboriduose.

Vienokių ar kitokių boro junginių susidarymas priklauso ne tik nuo jo kiekio, bet ir nuo kitų legiruojančiųjų elementų, pirmiausia karbidus sudarančiųjų, ir anglies esančių lydinyje.

Pereinamųjų metalų ryšio su boru stiprumas vieno periodo ribose stiprėja didėjant atominiam numeriui. Pagal polinkį sudaryti boridus, legiruojančiuosius elementus galima išdėstyti tokia eile: Ni, Fe, Mn, Cr, Ti, Mo, W. Šie elementai sudaro skirtingos sudėties ir savybių boridus MB, M2B, MB2, M5B2 ir kt.

Visi boridai būdami kieti ir trapūs padidina lydinių kietumą ir atsparumą dilimui, tačiau sumažina atsparumą smūgiams. Lydinių savybės priklauso ne tik nuo boridų kiekio, bet ir nuo jų išsidėstymo struktūroje.

Gausiai legiruotieji su dideliu anglies kiekiu apvirinimo lydiniai pagal mikrostruktūrą skirstomi į ikieutektinius, eutektinius ir užeutektinius. Ikieutektinių lydinių struktūra susideda iš kietojo tirpalo grūdelių ir eutektikos (49 pav.,a). Eutektinių lydinių struktūrą sudaro vienodai pasiskirsčiusių karbidų, boridų ir kietojo tirpalo mišinys (49.,b). Užeutektinių lydinių struktūroje yra pertekliniai karbidai ir eutektika (49 pav.,c).

Ištyrus lydinių CC-Cr-Ni-Fe, C-Cr-Mn-Fe, C-Cr-Fe, C-Cr-W-Fe su įvairiu anglies ir karbidus sudarančiųjų elementų kiekiu struktūras nustatyta, kad pertekliniai karbidai gali susidaryti esant daugiau anglies ir mažiau karbidus sudarančių elementų, taip pat esant mažiau anglies ir daugiau karbidus sudarančiųjų elementų.

49 pav. Ikieutektinių (a), eutektinių (b) ir užeutektinių gausiai legiruotųjų

apvirinimo lydinių mikrostruktūros

Didinant boro kiekį, nekeičiant lydinyje kitų elementų kiekio, apvirinto metalo struktūra palaipsniui keičiasi. Apvirintuose sluoksniuose su pertekliniais kietojo tirpalo grūdeliais pirmiausia susidaro eutektinė struktūra, o paskui išsiskiria pertekliniai karbidai, kurie išsidėsto ledeburite. Esant boro eutektika ir pertekliniai karbidai susidaro lydiniuose su mažesniu anglies ir karbidus sudarančiųjų elementų kiekiu. Kaip keičiasi struktūra gerai matoma lydinyje be boro kurio struktūra sudaryta iš kietojo tirpalo grūdelių ir eutektikos. Jeigu anglies ir karbidus sudarančiųjų elementų pakanka eutektikos susidarymui nesant boro, tai legiruojant lydinį boru makrostruktūra keičiasi nežymiai, tik padidėja eutektikos kiekis.

Chromo, mangano, nikelio ir volframo turintį daugiaanglį aplydytą metalą legiruojant boru yra susiaurinama  sritis, struktūroje yra daugiau  fazės.

Chrominių volframinių lydinių be boro kietumas mažas – 400HV, jų struktūra sudaryta iš smulkių austenito grūdrlių ir eutektikos. Boras tuose lydiniuose sumažina austenito stabilumą, virsta martensitu, padidėja kietumas ir atsparumas dilimui, bet sumažėja atsparumas smūginėms apkrovoms.

3.4. Apvirinimo lydinių legiravimo, užtikrinančio optimalias

pagrindinio metalo savybes,

principai

Kaip jau buvo pažymėta, gausiai legiruotųjų lydinių, skirtų darbui abrazyvinio dilimo sąlygose, struktūrą sudaro matrica, kurioje yra įsitvirtinusios kietų fazių dalelės (karbidai, boridai, karboboridai ir kt.).

Kaip taisyklė, apvirinimui naudojami daug anglies turintys geležies lydiniai legiruoti chromu, volframu, boru, manganu ir nikeliu.

Optimalios struktūros ir savybių pagrindas gaunamas taikant racionalaus legiravimo principus:

1. Pagrindas (matrica) turi kiek galima mažiau dilti ir gerai apsaugoti kietas struktūrines dedamąsias nuo ištrupėjimo. Tokiomis savybėmis pasižymi austenitinė martensitinė matrica.

2. Optimalus austenito ir martensito santykis, užtikrinantis geriausias savybes, priklauso nuo bendro ffazių charakterio ir mikrosandaros: austenito ir martensito legiruotumo, karbidų, boridų ir karboboridų tipo ir kiekio, jų prigimties ir savybių.

3. Legiruotų užeutektinių lydinių atsparumą dilimui ir smūginėms apkrovoms galima padidinti, padidinus austenito kiekį austenitinėje martensitinėje matricoje. Atsparumas dilimui padidėja, nes austenite kietos fazės daleles yra stipriau laikomos, mažiau ištrupa. Optimalus austenito kiekis, kuris užtikrina gerą atsparumo dilimui ir smūgiams derinį, yra 20-40.

4. Detalės eksploatuojamos abrazyvinio dilimo sąlygose nesant smūginių apkrovų, apvirinamos lydiniu, kuriame anglies yra daugiau negu 2. Tame lydinyje karbidų gali būti iiki 40, austenito – 15. Pagrindinis legiruojantysis elementas – chromas. Chromo kiekis priklauso nuo anglies kiekio: Cr/C2 at.  arba Cr/C9 masės , kad susidarytų karbidinė fazė. Sunku gauti kokybišką apvirintą sluoksnį, kuriame būtų daugiau kaip 30 Cr. Jeigu anglies yyra daugiau kaip 3 susidaro daug pirminių karbidų, kurie lengvai ištrupa dilimo procese. Atsparumas dilimui padidėja papildomai legiravus volframu arba vanadžiu, nes susidaro kietesni ir patvaresni karbidai.

Legiruojant keliais elementais, patikimai karbidinei fazei gauti, legiruojančiųjų elementų kiekis nustatomas pagal santykį Cr+W+V+kt/C2-5 at. , kai W/C0,558-0,96 ir V/C0,24-0,45.

Apvirinamą metalą legiruojant vanadžiu, jo neturi būti daug, nes jis būdamas giminingas angliai sudaro karbidą VC, nepalikdamas anglies chromo ir volframo karbidams. Lydiniuose legiruotuose chromu ir volframu, vanadžio kiekis nustatomas pagal santykį V/C0,24-0,45 at. .

5. Esant intensyviam abrazyviniam dilimui ir smūginėms apkrovoms, kaip buvo pažymėta, tikslinga naudoti gausiai legiruotuosius užeutektinius lydinius, kuriuose yra tam tikras karbidų ir liekamojo austenito kiekis. Turi būti ribotas karbidų kiekis (iki 20-30) ir liekamojo austenito apie 20. Tuose lydiniuose ((be boro) anglies yra iki 1,9 ir nikelio 2,5-3, kuris užtikrina reikiamą austenito kiekį.

Užeutektiniuose lydiniuose su boru karbidinės ir boridinės fazės būna 20-30. Kadangi karboboridai ir boridai yra kietesni ir trapesni, lydinio smūginiam tąsumui padidinti liekamojo austenito kiekis padidinamas iki 40, įvedant 4,0-4,5 nikelio. Anglies kiekis neturi viršyti 1,5.

6. Ikieutektiniai apvirinimo lydiniai skirti darbui abrazyvinio dilimo ir intensyvių smūginių apkrovų sąlygose yra mažiau legiruoti ir pigesni, lyginant su užeutektiniais lydiniais, tačiau jie labiau dyla. Ikieutektiniam lydiniui gauti anglies turi bbūti 0,9-1,4. Optimalus atsparumas dilimui ir smūgiams gaunamas, kai liekamojo austenito yra 30-40, t.y. esant 3-6 nikelio. Nikelį pakeisti manganu, kuris didina austenito kiekį, netikslinga, nes labai padidėja lydinio trapumas.

7. Apvirinimo lydiniai skirti darbui aktyvių smūginių apkrovų ir riboto dilimo sąlygose turi būti ikieutektiniai arba ikieutektoidiniai. Ikieutektinis lydinys, kuriame yra 1,4 anglies, 12-14 chromo ir 3-5 mangano (20-30 austenito) pasižymi atsparumu smūgiams ir pakankamu atsparumu dilimui. Dalis chromo gali būti pakeista volframu arba vanadžiu. Visais atvejais boras yra nepageidaujamas.