1) при быстром концентрированном воздействии источника тепла и охлаждающих стенок ванны; при этом фронт кристаллизации связан с перемещением источника тепла;

2) распределение температуры по малому объему ванны неравномерно;

3) кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

Процесс первичной кристаллизации начинается после прекращения действия дуги на сварочную ванну, в зоне def. Зародышевыми центрами кристаллизации являются подплавленные зерна основного металла - стенки ванны. На них как на своеобразной подкладке начинают свой рост первичные кристаллы, количество которых ограничено. Кристаллы развиваются нормально к поверхности охлаждения в направлении, обратном отводу тепла, т.е. от стенок вглубь жидкого металла ванны. Однако они мешают росту друг друга в поперечном направлении и приобретают так называемую столбчатую форму (рис.3.5)

Рост таких кристаллов способствует лучшему выделению неметаллических включений, как бы выталкиваемых при этом на поверхность. Каждый столбчатый кристалл состоит из группы одинаково ориентированных дендритов, растущих от соответствующего центра роста кристаллизации кристаллов.

В соответствии с теорией периодической кристаллизации (школа акад. Н.Т.Гудцова) кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями или волнами. Прерывистость процесса кристаллизации является причиной слоистости шва и мелкочашуйчатости поверхности его (рис.3.6). На неравномерность распределения элементов, химических соединений и других составляющих в металле - ликвацию - влияет коэффициент формы ванны – .

В узких швах () зоны ликвации находятся в центре, поэтому они могут быть сильно ослаблены. В широких швах () условия кристаллизации лучше, зона ликвации находится вверху, что не отражается на прочности шва.

При дальнейшем охлаждении наплавленного металла в твердой фазе происходят процессы вторичной кристаллизации, и металл приобретает вторичную структуру.

Структуру сварных соединений изучают на поперечных и продольных шлифах металлографическими исследованиями, включающими исследование макро- и микроструктуры.

При исследовании макроструктуры определяют характер кристаллизации, контуры провара, зону термического влияния, ликвацию, неоднородность структуры и дефекты металла сварного соединения.

При исследовании микроструктуры определяют расположение кристаллов, характер фазовых структурных превращений, особенности отдельных структурных составляющих, наличие включений и трещин и т.д.

Исследования микроструктуры сварного шва малоуглеродистой стали, выполненного электродами с покрытием или под флюсом, показывают, что металл шва имеет мелкозернистую структуру и равномерное распределение зерен феррита (Fe3, C≤0, 07%) и перлита(Fe3C + Fe), свидетельствующее о замедленном охлаждении шва под слоем шлака. В шве отсутствуют кислородные включения и нитриды. В сварных швах стали с повышенным содержанием углерода наблюдается увеличение количества перлита и рост зерен, что связано с увеличением содержания углерода. Такие стали чувствительны к перегреву и закалке, в них имеются участки перегрева с крупными кристаллами – видманштеттова структура. При перегреве снижаются пластичность и вязкость стали, ввиду чего стремятся не допустить перегрева или делают последующую термическую обработку.

Сварное соединение разделяется на три основные зоны с различным микроструктурами: А - зона наплавленного металла; Б - зона термического влияния; В - зона основного металла.

На рис.3.7 схематически изображен сварной шов, а над ним в том же масштабе проведена кривая распределения максимальных температур. Рядом в том же масштабе - левая часть диаграммы состояния Fe—С, где прямой I- I показан состав свариваемого металла по углероду.

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, в котором произошли структурные фазовые изменения вследствие нагрева. Она состоит из следующих характерных участков (глубина ее 2-6 мм): 1 - неполного расплавления; 2 - перегрева; 3 - нормализации; 4 - неполной перекристаллизации;5 - рекристаллизации; б - синеломкости.

Рассмотрим структуру этих участков.

Участок неполного расплавления 1 - в виде тонкой переходной полоски от металла шва (0,1-0,4мм) к основному металлу имеет температуры - от Т плавления до ~14300С. Имеет жидкую и твердую фазы, что способствует развитию крупного зерна; структура феррито-перлитная (феррит вокруг перлита).

Участок перегрева 2 лежит в интервале температур 1430-11000С, способствующих росту зерна, характеризуется крупнозернистостью. Феррит окружает укрупнённые перлитные зерна своеобразной каймой. В малоуглеродистой стали этот участок может отсутствовать. С повышением содержания С и легирующих элементов может образоваться видманштеттова структура. Участок перегрева имеет пониженные механические свойства (σт, σв, δ), поэтому влияет на качество соединения.

Участок нормализации 3 лежит в областях металла с температурами от 1100°С до ТАС3(~800°). Здесь зерно аустенита не успевает вырасти ввиду малого времени действия таких температур. Последующая перекристаллизация при охлаждении металла дает мелкую равноосную структуру. Этот участок имеет самые высокие механические свойства.

Участок неполной перекристаллизации 4 наблюдается в области нагрева до температур 880-720°С (ТАС1- ТАС3). Конечная структура металла на этом участке будет состоять из крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных вокруг них колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате перекристаллизации. Механические свойства этого участка хуже предыдущего.

Участок рекристаллизации 5 находится в области нагрева от 720 до 500°С. Структуру этого участка составляют равноосные зерна феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергалась пластической деформации, то на этом участке никаких структурных изменений не будет.