Металловедение сварки
..pdfМинистерство образования Российской Федерации Пермский государственный технический университет
Р. А. Мусин, Г. А. Береснев
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ
Утверждено Научно-методическим советом по специальности 12.05 "Оборудование
итехнология сварочного производства"
вкачестве учебного пособия
Пермь 2000
УДК 669.017:621.791 М91
Рецензенты:
кандидат технических наук В.Д. Корнеев (Пермский военный ракетный институт); доктор технических наук В.М. Язовских
(Пермский государственный технический университет)
Мусин Р.А., Береснев Г.А.
М91 Металловедение сварки: Учебное пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. 108 с.
Курс "Металловедение сварки" входит в программу подготовки студен тов специальности 12.05 «Технология и оборудование сварочного производст ва». В нем рассматриваются физические основы процессов формирования структуры металла сварных соединений при сварке и последующей термообра ботке, их связь со свойствами металла сварных соединений.
Разработана электронная версия данного учебного пособия.
УДК 669.017:621.791
Пермский государственный технический университет, 2000
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение................................................................................................................ |
5 |
1. Взаимодействие свариваемых металлов в жидком и твердом состояни |
|
ях и фазовый состав металла сварных соединений....... |
10 |
1.1. Сварное соединение металлов, неограниченно растворимых друг |
|
в друге (диаграмма состояния I рода)................ ................................ |
11 |
1.2. Взаимодействие нерастворимых друг в друге компонентов с обра |
|
зованием эвтектики (диаграмма состояния II рода).............................. |
13 |
1.3. Взаимодействие компонентов с образованием эвтектик твердых |
|
растворов (диаграмма состояния III рода)............................................... |
16 |
1.4. Взаимодействие компонентов, образующих при кристаллизации |
|
химические соединения (диаграмма состояния IV рода)................... |
18 |
1.5. Изменение фазового состава металла сварного соединения в ре |
|
зультате полиморфизма компонентов (вторичная кристаллизация) |
20 |
2. Кристаллизация металла сварочной ванны.................................................. |
25 |
2.1. Гомогенная кристаллизация................................................................. |
25 |
2.2. Гетерогенная кристаллизация......................... |
27 |
2.3. Направленная кристаллизация............................................................. |
29 |
2.4. Первичная структура металла шва при направленной кристалли |
|
зации ......................................................................................................... |
32 |
2.5. Регулирование первичной структуры шва (способы подавления |
|
столбчатой структуры и измельчения зерна)..................................... |
34 |
2.5.1. Измельчение зерен основного металла.................................... |
34 |
2.5.2. Модифицирование сварочной ванны........................................ |
35 |
2.5.3. Введение в сварочную ванну механических или тепловых |
|
периодических возмущений......................................................... |
36 |
2.5.4. Механические возмущения расплава сварочнойванны............ |
36 |
2.5.5. Тепловые возмущения расплава сварочной ванны.................. |
38 |
2.5.6. Тепловые колебания расплава сварочной ванны при ЭЛС |
|
с глубоким проплавлением............................................................ |
38 |
2.6. Кристаллическое строение металла шва, полученного |
|
дуговой сваркой.................................... |
39 |
2.7. Химическая неоднородность металла сварного соединения. |
|
Общие положения...................................................................................... |
41 |
2.7.1. Химическая неоднородность в зоне сплавления и околошов- |
|
ной зоне........................................................................................... |
44 |
2.7.2. Внутризеренная химическая неоднородность......................... |
45 |
3. Формирование вторичной структуры........................................................... |
46 |
3.1. Классификация фазовых и структурных превращений..................... |
46 |
3.2. Вторичные границы и их роль.............................................................. |
47 |
3.3. Формирование вторичных границ при сварке.................................... |
47 |
3.4. Влияние полиморфных превращений................................................... |
48 |
4.Фазовые и структурные превращения при сварке...................................... |
49 |
4.1. Характерные зоны сварных соединений.............................................. |
49 |
4.2. Структурные и фазовые превращения при сварке сталей плавле |
|
нием............................................................................................................ |
51 |
4.3. Фазовые превращения в стали при нагреве в процессе сварки........ |
56 |
4.4. Превращения в металле шва и ЗТВ при охлаждении с температу |
|
ры сварки................................................................................................... |
59 |
5. Диффузия в сварных соединениях............................................................. |
72 |
5.1. Основные понятия и законы диффузии............................................. |
72 |
5.2. Диффузия примесей и легирующих элементов в стали................... |
74 |
5.3. Влияние на диффузию термодинамической активности элемента.. |
77 |
6. Термическая обработка сварных соединений............................................. |
79 |
6.1. Назначение термообработки.................................................................. |
79 |
6.2. Основные виды термической обработки и их влияние на структу |
|
ру и свойства сварных соединений...................................................... |
84 |
6.3. Выбор режимов термической обработки............................................ |
88 |
6.4. Способы проведения термической обработки сварных конструк |
|
ций............................................................................................................. |
96 |
6.5.Термическая обработка сварных соединений сталей со специ альными свойствами (коррозионно-стойких, жаростойких и
жаропрочных).......................................................................................... |
99 |
Список рекомендуемой литературы...................................................................... |
103 |
Приложение................................................................................................................ |
104 |
ВВЕДЕНИЕ
Сварка - это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их мест
ном нагреве или пластическом деформировании либо при совместном действии того и другого.
В термодинамическом определении сварка - это процесс получения мо нолитного соединения материалов за счет необратимого превращения тепло вой и механической энергии и вещества в стыке.
Для практической оценки результатов взаимодействия свариваемых ме таллов (сварки) принято понятие свариваемости.
Физическое понимание свариваемости - это оценка принципиальной
возможности получения монолитных сварных соединений разнородных метал
лов. Прикладной аспект понятия свариваемости - это свойство металлов
или сплавов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией из делия. Степень свариваемости металлов и сплавов классифицируется как хо рошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая в зависимости от уровня механических свойств металла сварного соединения, его склонности к обра
зованию дефектов (например трещин), а также технологичности при сварке.
Свариваемость металлов как показатель их способности создавать моно
литное соединение, обеспечивающее требуемый комплекс свойств, зависит от химического Состава свариваемых сплавов и природы их компонентов.
Кроме того, на свариваемость влияет фазовый состав и микроструктура исход ного состояния свариваемого металла, его изменение при нагреве и охлаждении в процессе сварки. Проводимая после сварки термообработка существенно сказывается на структуре и свойствах металла сварного шва и зоны термо влияния, особенно при фазовой перекристаллизации металла сварного соеди нения в твердом состоянии.
На практике обычно сваривают не чистые металлы, а сплавы, в том чис ле отличающиеся химическим составом. Чаще всего это малоуглеродистые низколегированные стали, а также медные, алюминиевые, никелевые сплавы, реже высоколегированные и специальные стали, сплавы тугоплавких металлов.
В технике металлы по-прежнему остаются основными конструкционны ми материалами, тем более при изготовлении тяжело нагруженных сварных уз лов и конструкций.
Металлы - вещества кристаллические, т. е. при охлаждении расплав ленного металла его жидкое состояние с неупорядоченным расположением атомов (имеет место ближний порядок) сохраняется только до определенной температуры, ниже которой происходит кристаллизация с установлением упо рядоченного расположения атомов в пространстве (дальний порядок).
Природа межатомных сил всех веществ едина - это электростатическое
взаимодействие заряженных частиц. Однако поскольку атомы различных ве ществ различаются зарядом и массой ядер, количеством и энергией электро нов, возможны различные типы межатомных связей в твердом теле. Переходя из неупорядоченного состояния (жидкое, газообразное) в упорядоченное, ато
мы в кристалле сближаются до расстояния, обеспечивающего кристаллу наи
большую термодинамическую стабильность. Это расстояние (do) определяется взаимодействием сил притяжения электронов и положительно заряженных ядер
собственного атома и соседних атомов и сил отталкивания ядер атомов при их
сближении. Сближение на расстояние dQсоответствует термодинамической ус тойчивости кристалла и минимуму энергии межатомной связи Есв. Величина
Есв материала определяет его модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, температуры плавления и испарения и др.
Характер взаимодействия составляющих кристалл ядер атомов ("остов"
кристалла) и электронов можно описать, используя представления зонной тео
рии. Согласно этой теории электроны твердого тела по уровню их энергии (Е)
могут относиться к валентной зоне и зоне проводимости (не связаны с опреде
ленными атомами). Кроме этих зон существуют энергетические уровни, ве роятность пребывания электронов на которых ничтожно мала (запрещенная
энергет ическая зона А Е).
При значительной ширине запрещенной зоны (А Е > 54 О'19 Дж) в кри
сталле устанавливается направленное межатомное взаимодействие (связи ионные, ковалентные, молекулярные). Электропроводность такого вещества
ничтожна, так как свободных электронов очень мало. При малой величи не А Е вещество сохраняет направленность межатомных связей и имеет полу
проводниковые свойства.
Если величина А Е 0, то направленность межатомных связей отсутст
вует, свободные электроны перемещаются между положительно заряженными ионами-атомами, удерживая их в определенных положениях. Такая межатом ная связь называется металлической и характерна для металлов. Следствием такого типа межатомной связи являются специфические свойства металлов:
высокая электро- и теплопроводность, термоэлектронная эмиссия, непрозрач ность и металлический блеск.
Ненаправленность межатомных связей металлов в твердом состоянии опеделяет простую форму их кристаллических решеток (кубические, объемноцентрированная - ОЦК, гранецентрированная - ГЦК и гексагональная плотноупакованная - ГПУ) (рис. В.1). В кристаллических решетках выделяют наибо-
Рис. В. 1. Элементарные ячейки кристаллических решеток: а - гексаго
нальная плотноупакованная; б - кубическая гранецентрированная; в -
кубическая объёмно-центрированная
лее плотноупакованные плоскости и направления. Межатомные расстояния в
кристаллических решетках большинства металлов находятся в пределах 0,10...
0,70 нм (1...7А , 1А 10'7 мм).
Вакансия |
ДислоцироВанныи атом |
|
|
г |
Н ь |
|
|
|
|
1<N |
н :ч |
|
- а |
|
|
1Ч |
|
|
* л |
|
|
1 if |
V |
|
|
|
|
1 Ч |
п Г |
|
! fy |
|
|
н £ |
|
|
п f |
г
Рис. В. 2. Дефекты кристаллических решёток: линейные - краевая (а) и винтовая (б)
дислокации; точечные - вакансия (в) и межузельный атом (г)
Для металлов характерна высокая плотность дефектов кристаллического
строения - наличие вакансий, межузельных атомов, дислокаций (рис.В.2).
Дислокации, находящиеся в плотноупакованных плоскостях кристаллической решетки, способны перемещаться в этих плоскостях под действием относи тельно низкого напряжения.
Выход дислокации на поверхность кристалла дает ступеньку размером в межатомное расстояние (b - размер вектора Бюргерса дислокации) (рис. В.З).
Рис. В. 3. Схема перемещения краевой дислокации в плоскости скольже
ния под действием напряжения тс выходом её на поверхность кристалла
Это является элементарным актом остаточной (пластической) деформа ции сдвигом кристалла по плоскости скольжения. Образование такой ступень ки без участия дислокации, т. е. одновременным сдвигом всех атомов в плос кости сдвига, потребовало бы в сотни раз большего напряжения. В реальных металлах плотность дислокаций даже в отожженном состоянии весьма высока
ОЛ
( « 10 см' ) и их перемещение в объемах отдельных кристаллитов (зёрен) с выходом на поверхность границ зерен и на поверхность детали (образца),
подвергаемой нагружению, дает остаточную (пластическую) макродеформа
цию. При |
этом вследствие взаимодействия движущихся дислокаций с различ |
|
ными препятствиями, |
в том числе с дислокациями в пересекающихся и парал |
|
лельных |
плоскостях |
скольжения, происходит размножение дислокаций (до |
«10 ...10 |
см' ) и упрочнение деформируемого металла (наклеп). Именно спо |
собность металлов к значительной пластической деформации (остаточному изменению формы) без разрушения при достаточно высоком уровне прочности (сопротивление деформации) определила их огромную роль в технике как кон струкционных материалов.
Описывая и изучая детали строения кристаллов и поликристаллов, в том числе реальных металлов и сплавов, используют понятие "структура". При этом в зависимости от размеров исследуемых элементов структуры различают тонкую структуру, микро- и макроструктуру.
Исследования тонкой структуры включают в себя описание типа кри сталлической решетки, дефектов кристаллического строения, характера их рас
пределения и взаимодействия, в том числе с атомами компонентов сплава. Для изучения тонкой структуры (размерность деталей « < 10'5 мм) используют ион ные и электронные микроскопы, методы рентгеноструктурного анализа, электроно- и нейтронографии.
Реальные технические металлы и сплавы - вещества поликристаллические, в которых соседние кристаллиты (зёрна) отличаются пространственной ориентацией и их сочленение осуществляется через зону (границу зёрен) ши риной 1...2 атомных диаметра (рис. В.4, а). Внутри зёрен отмечают узкие мало угловые границы, разделяющие объемы кристалла, незначительно разориентированные относительно друг друга (субзёрна, блоки) (рис. В.4, б). Зёренное и субзёренное строение металла, а также его фазовый состав и структурное со стояние называют микроструктурой (размерность деталей « 10-5..ЛО'1 мм). Её изучают, в основном, методами оптической микроскопии, а также реже мето дами, применяемыми для изучения тонкой структуры металла.
Рис. В.4. Схемы строения границ в металлах: а - большеугловая
(межзёренная); б - малоугловая (субзёренная, блочная)
Макроструктуру металла (дендритное или волокнистое строение литого или деформированного металла, неоднородность состава, дефекты литья, свар ки, обработки давлением и т. п.) изучают при малых увеличениях (до « хЗО).
Из заготовок, деталей, конструкций по определенной схеме вырезают образцу для испытаний механических свойств металла и образцы для металло графических исследований. На последних приготавливают металлографические шлифы, которые после полировки подвергают специальному травлению, вы являющему структурное состояние металла.
Весьма полезную информацию о структурном состоянии металла и его поведении при разрушении дает изучение поверхности изломов, получаемых
как при непосредственном разрушении деталей, так и при испытаниях образ цов.
Металлография сварных соединений предполагает исследование широ
кого спектра структур и фазового состава металла зон, формировавшихся в различных температурно-временных условиях процесса сварки (от литого ме
талла шва до зоны термовлияния основного металла). При этом часто измеря
ют микротвёрдость всех зон сварного соединения, а также проводят локальный фазовый и химический анализ металла.
Исследование |
механических свойств |
металла сварного |
соединения |
включает в себя определение в различных |
его зонах характеристик прочно |
||
сти, пластичности, |
вязкости и критериев склонности к хрупкому разрушению. |
1.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВАРИВАЕМЫХ МЕТАЛЛОВ
ВЖИДКОМ И ТВЕРДОМ СОСТОЯНИЯХ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ
МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
При сварке взаимодействие компонентов осуществляется в жидком и
твердом состоянии (сварка плавлением) и в твердом состоянии (сварка давле
нием). В расплавленном состоянии большинство металлов взаимно раствори
мы практически неограниченно. Исключение составляют системы Си-Мо, Fe-Aq, Cu-W и немногие другие.
Тип межатомного взаимодействия компонентов свариваемых металлов и сплавов определяется их природой. При сварке однородных металлов, которые
имеют идентичные кристаллические решетки, способность к соединению |
за |
|
висит |
основном от степени сходства электронного строения атомов. |
При |
сварке разнородных металлов их соединение достигается тем легче, чем мень ше различие радиусов их атомов и параметров кристаллических решеток.
Важнейшими процессами, определяющими фазовый состав и структуру металла сварных соединений, являются кристаллизация и диффузия, происхо дящие в температурно-временных условиях сварки.
При сварке металлов и сплавов в сварном соединении не только реализу ется металлический тип межатомной связи, но и образуются твердые растворы внедрения и замещения, эвтектики и эвтектоиды, химические соединения. Превращения металлов и сплавов в процессе сварочного цикла могут быть опи саны в соответствии с диаграммами состояний сплавов свариваемых компо нентов. Основные типы диаграмм двойных сплавов, а также характер измене ний свойств сплавов при увеличении концентрации одного из компонентов сплава представлены на рис. 1.1 (закономерности Н.С.Курнакова).