Бондаренко. Брянский государственный технический университет
 Скачать 7.13 Mb.
|
|
4. СВАРИВАЕМОСТЬ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ В соответствии с ГОСТ 26001-84 "свариваемость – это свойство металлов или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия". Таким образом, свариваемость зависит, с одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, с другой стороны – от требуемых эксплуатационных свойств свариваемой конструкции, которые определяются техническими требованиями. Это может быть одно свойство (прочность) или комплекс свойств в зависимости от назначения конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются, то свариваемость материала считается достаточной. Если не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала считается недостаточной, т. е. при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть различно оценена в зависимости от назначения изделия. Принято традиционно различать несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая. При достаточной свариваемости, когда в заданных технологических и конструктивных условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений, она квалифицируется как хорошая. При недостаточной свариваемости удовлетворительная соответствует случаю, когда достаточную свариваемость можно обеспечить выбором рационального режима сварки. Ограниченная, когда для этой цели необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменить способ сварки. Плохая, когда никакими мерами невозможно достичь достаточной свариваемости. Таким образом, степень свариваемости материала устанавливается в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии, конструктивного оформления сварных соединений и требуемых эксплуатационных свойств. В практике исследования свариваемости применяют специальные сварные образцы с имитацией сварочных циклов. Определяют условия появления дефектов, характеристики структуры, механические и специальные свойства. Наряду с экспериментальными используются и расчетные методы определения показателей свариваемости. Основные показатели выбираются в каждом конкретном случае с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварного соединения при эксплуатации. Но есть и общепринятые оценки свариваемости: 1. Склонность к образованию трещин – показатель свариваемости, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и имеет качественную и количественную оценки величины одного из фактов, обусловливающих трещинообразование. 2. Стойкость против образования трещин – устанавливается по факту отсутствия трещин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной одного из факторов трещинообразования. 3. Сопротивляемость образованию трещин – свойство материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или ЗТВ сопротивляться разрушению, соответствующему по характеру разрушению при образовании трещин. 4.1. Горячие трещины в сварных соединениях Горячие трещины (ГТ) при сварке – хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и ЗТВ, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких Т (рис. 20).
В области нагрева до Т < Тл прочность и пластичность сплавов резко падают. Пластичность остается на весьма низком уровне, а затем опять повышается. Такое изменение свойств можно объяснить, рассмотрев процесс кристаллизации металла из жидкого состояния (рис. 22).  Рис. 22. Схема, иллюстрирующая механизм деформирования сплавов в жидко-твёрдом (а) и твёрдо-жидком (б) состояниях Металл, нагретый до расплавления, охлаждается, и, начиная с Тп, в нем образуются зародыши твердой фазы, и, пока их мало, пластичность расплава не отличается от пластичности жидкости. Прочность такого жидко-твёрдого расплава близка к нулю, т.е. сопротивление деформации практически отсутствует. Начиная с Т = Твг (температура верхней границы хрупкости), металл переходит в стадию твердо-жидкого состояния, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается. При деформировании происходит их заклинивание и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластической деформации самих зерен либо смещения их друг относительно друга. Деформация такого двухфазного агрегата при условии сохранения сплошности в направлении действия сил Р возможна только при смятии отдельных точек контакта зерен (рис. 22, б, 1–2, 3–7 и т.д.), повороте прилегающих зерен и их деформации. На ранней стадии сохраняется возможность некоторого протекания жидкости в межзеренном пространстве. Прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше, и, если наступает разрушение, оно происходит по границам зерен, т.е. будет иметь межкристаллический характер. С дальнейшим снижением Т возрастает объемная прочность жидкости, уменьшается ее объем, увеличивается число контактов между зернами и повышается прочность самих зерен. При некоторой Т границы упрочняются настолько, что разрушение происходит по телу самих зерен (точка А). Температура резкого возрастания пластичных свойств находится ниже Тс и называется нижней границей хрупкости (Тнг). Интервал температур, заключенный между верхней и нижней границами хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). Если при остывании сварного соединения в пределах ТИХ интенсивность нарастания деформаций приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных условиях, тогда возникают ГТ. Максимальная деформация, которая не приводит к образованию трещин, называется предельной и соответствует пластичности П шва в данных условиях. Сопротивляемость сварного соединения образованию ГТ определяется следующими факторами (рис. 23): пластичностью металла в ТИХ, значениями ТИХ, темпом деформации сварного соединения. Сплав 3 (рис. 23, а) трещин не дает, так как возникающий темп деформации (кривая е) недостаточен для исчерпывания его пластичности (П > е). У сплава 2 в момент, определяемый точкой А, П = е. Это критический случай. У сплава 1 в момент, характеризуемый точкой Б, произойдет исчерпывание пластичности П и образуется трещина (П < е).
Подсолидусные трещины образуются при температуре ниже Т затвердевания. Место их зарождения – ослабленные включениями и несовершенствами строения границы кристаллитов, где межзеренные проскальзывания наиболее выражены (участки зоны оплавления, ликвационные участки и др.). 4.1.1. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин Принципиально для повышения сопротивляемости сварного соединения образованию ГТ необходимо увеличить пластичность П и уменьшить темп деформаций в ТИХ. Все известные способы для этого в конечном итоге сводятся к следующим основным:
Химический состав металла шва и основного металла – главный фактор, определяющий значение ТИХ и интенсивности развития деформаций усадки. Сварка плавлением с применением присадочного металла позволяет в широких пределах регулировать состав металла шва и зоны сплавления. При этом представляется возможным: – снижать содержание вредных примесей в сварных швах (S и Р, а также С) и дополнительно легировать шов элементами, способствующими связыванию S и Р; – модифицировать сварные швы редкоземельными, тугоплавкими или поверхностно-активными элементами для получения равноосной дендритной структуры; – изменять за счет проплавления долю основного металла в металле шва; – вводить в сварочную ванну дополнительно холодный металл (железный порошок, проволока, крупка) для изменения схемы кристаллизации от плоской к объёмной; – оказывать внешнее воздействие на кристаллизующийся металл шва (электромагнитное или ультразвуковое перемешивание, механическое колебание ванны в процессе кристаллизации и др.); – изменять фазовый состав металла шва (аустенит + феррит). Режим сварки определяет форму шва, характер и схему кристаллизации, а также время пребывания сварного соединения в области высоких температур, при которых происходит не только формирование структуры, но и протекают процессы, приводящие к появлению химической и физической неоднородности. Мягкие режимы способствуют протеканию равновесной кристаллизации, уменьшают концентрацию деформаций, но благоприятствуют развитию межзеренной и зональной ликвации. Из всех параметров режима особенно заметное влияние оказывает скорость сварки. С ее увеличением растет длина сварочной ванны, фронт кристаллизации принимает плоский характер, образуя на оси шва зону срастания кристаллитов. Такой шов малопластичен в ТИХ и подвержен образованию продольных трещин в осевой зоне. Рациональное конструирование и правильный порядок наложения швов должен обеспечить свободу формообразования металла шва и уменьшить скорость охлаждения и темп деформаций в ТИХ. Для повышения сопротивляемости металла шва к ГТ применяются следующие технологические приемы: 1. Жесткое закрепление изделия во время сварки с целью уменьшения его коробления. 2. Заварка концевых участков швов в направлении к краю и выведение кратеров на технологические планки. 3. Установка технологических планок. 4. Подогрев (сопутствующий или предварительный). 5. Многопроходная сварка и другие приемы. 4.2. Холодные трещины в сварных соединениях Холодные трещины (XT) – локальное хрупкое межкристаллическое разрушение металла сварных соединений – дефект в соединениях углеродистых и легированных сталей, если при сварке они претерпевают частичную или полную закалку. XT образуются после окончания сварки в процессе охлаждения ниже температуры 150...200 °С. Они могут возникать во всех зонах сварного соединения (рис. 24). Наиболее часты продольные XT в ОШЗ. Образование трещин начинается с возникновения их очагов на границах аустенитных зерен на участке ОШЗ, примыкающем к линии сплавления (рис. 25). Протяженность очагов трещин не более двух-трех диаметров аустенитных зерен. Разрушение не сопровождается заметной пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое.
Дальнейшее развитие очага в холодную микро- и макротрещину может носить смешанный характер, т.е. проходить как по границам, так и по телу зерен. Излом XT светлый, без следов окисления: блестящий крупнокристаллический в зоне очага и матовый мелкокристаллический в зоне развития трещин. Характерными особенностями образования XT являются следующие: – наличие инкубационного периода до образования очага трещины; – образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки. XT – один из случаев замедленного разрушения "свежезакаленной" стали. Зарождение очага замедленного разрушения "свежезакаленной" стали связывают с микропластической деформацией (МПД) в приграничных зонах зерен. Наличие в структуре такой стали незакрепленных, способных к скольжению дислокаций при действии сравнительно невысоких напряжений обусловливает МПД. Особенно высокая плотность дислокаций в свежезакаленном мартенсите непосредственно после воздействия термического цикла. Величина МПД лежит в диапазоне 10-6...10-4 и проявляется при напряжениях микроскопического предела текучести а (рис. 26). МПД является термически активируемым процессом, т.е. её скорость зависит от температуры и величины приложенных напряжений. После "отдыха" способность закаленной стали к МПД исчезает. Конечная высокая твердость и в закаленной стали – результат старения, при котором происходят закрепление дислокаций атомами углерода.
При длительном нагружении по границам зерен развивается локальная МПД. В результате последней реализуется межкристаллическое разрушение по схеме Зипера-Стро, предполагающей относительное проскальзывание и поворот зерен по границам (рис. 27). Основными факторами, обуславливающими образование XT, являются: 1) структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа и размером с действительное аустенитное зерно; 2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения трещин Нд; 3) уровень растягивающих сварочных напряжений I рода. Превращения А–М сопровождаются изменением объёма, значительным повышением прочности и снижением пластичности. Завершение мартенситных превращений происходит при низких температурах, когда металл уже обладает высокой прочностью. Между различными зонами сварного соединения возникает сложное напряженное состояние, которое может способствовать образованию XT. Водород в металле сварного соединения подразделяют на диффузионный, связанный с дефектами решетки в атомарной форме (Н) или в форме протонов (Н+), и остаточный, скопившийся в микро- и макропорах, вероятно, в молекулярной форме. Растворенный Н легко диффундирует при охлаждении в области с меньшей его концентрацией и в различные несплошности, образуя молекулярный водород Н2. Диффузионный водород вызывает хрупкость металла, а молекулярный водород создает дополнительные напряжения за счет давления его в порах, которые суммируются со сварочными. Полагают также, что диффузионный водород в виде протонов Н+, обладая высокой подвижностью, взаимодействует с атомами железа, ослабляет силы связи в решетке Fe, что выражается в уменьшении эффективной поверхностной энергии и охрупчивании. Так, увеличение содержания Н2 до 6...8 см3/100 г резко (в 10...12 раз) уменьшает работу зарождения трещин. Следует иметь в виду, что в ОШЗ у границ со швом действуют продольные напряжения сжатия 1 (рис. 28) и поперечные напряжения растяжения 2. В примыкающих участках шва возникают напряжения -1 и -2.
| ||||||||||||||||
