книги / Теория сварочных процессов

29.Преимущества применения фрактального анализа пористости

впокрытиях, полученных МДО.

30.Особенности выбора меры для анализа пористости в покрытиях.

31.Что представляют собой наноструктурированные (нанофазные) материалы? Как вести фрактальный анализ наноструктурированных материалов?

Глава 5 СВАРИВАЕМОСТЬ И ЕЕ ПОКАЗАТЕЛИ

5.1. Общие понятия о свариваемости

Свариваемость – это комплексная технологическая характеристика металла, показывающая способность его образовывать качественное сварное соединение.

Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость устанавливает принципиальную воз-

можность получения монолитных сварных соединений и определяется физико-химическими процессами на границе соприкосновения свариваемых материалов.

Технологическая свариваемость устанавливает возможность получения качественного сварного соединения определенным методом сварки, на конкретной свариваемой конструкции, в результате испытаний. Соответствующее определение понятия свариваемости дано в ГОСТ 26001–84.

Основными критериями свариваемости являются:

1.Окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности.

2.Сопротивление образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах.

3.Сопротивление образованию холодных трещин и замедленному разрушению.

4.Чувствительность металла к тепловому воздействию сварки (склонность к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве

иЗТВ).

5.Уровень свойств полученного сварного соединения: прочность, пластичность, вязкость, выносливость, жаростойкость, коррозионная стойкость и др.

Всварочной практике традиционно принято различать несколько качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая. Четкого определения признака, характеризующего ту или иную степень свариваемости, не существует.

181

Количество показателей свариваемости может быть равно количеству свойств, определяющих работоспособность сварных соединений. Выбор основных показателей производится в каждом конкретном случае с учетом того, какие свойства связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.

Практически всем набором возможных показателей свариваемости одновременно не пользуются. Для каждого вида материала и конкретных условий эксплуатации изготовленных из него сварных конструкций выбирают несколько показателей с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации. В некоторых простых случаях свариваемость оценивается только по сопротивляемости материала образованию трещин при сварке.

5.2. Классификация сталей по свариваемости

По признаку свариваемости все стали разделяют на 4 группы:

1.Хорошо сваривающиеся. К ним относятся стали, не образующие трещин при сварке в обычных условиях, например, Ст.1–Ст.4, 15Г, 25.

2.Удовлетворительно сваривающиеся. Это стали, допускающие сварку без образования трещин только в нормальных условиях (температура выше 0 °С, отсутствие ветра и т.д.). К ним относятся стали Ст.5, 30, 35 и др.

3.Ограниченно сваривающиеся. Это стали, допускающие сварку только при наличии подогрева перед сваркой и термообработки после сварки. К ним относятся стали 40, 45 и др.

4.Плохо сваривающиеся. Эти стали образуют трещины при сварке

влюбых условиях. Чтобы сварить эти стали, требуются специальные способы сварки и особые технологические приемы. К ним относятся стали 50Г, 60Г, У8 и др.

На свариваемость сталей решающее влияние оказывает химический состав и, в первую очередь, содержание углерода. Хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, а увеличение содержания углерода ухудшает свариваемость стали, повышает склонность к закалке и образованию трещин в сварном шве и зоне термического влияния.

Свариваемость углеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей можно ориентировочно оценить по их химическому со-

ставу, рассчитывая величину, называемую эквивалентом углерода Сэкв, в котором влияние легирующих элементов приравнивается к эквивалентному влиянию углерода.

Если Сэкв < 0,38, то сталь хорошо сваривается (относится к 1-й группе). При Сэкв = 0,39…0,45 сталь является удовлетворительно свари-

182

вающейся (относится к 2-й группе); при Сэкв = 0,46…0,59 является ог-

раниченно сваривающейся (относится к 3-й группе); при Сэкв > 0,60 – плохо сваривающейся (относится к 4-й группе).

В большинстве случаев свариваемость сталей оценивается по их склонности к образованию трещин при сварке как наиболее опасному и недопустимому дефекту сварных соединений. По природе и температуре образования трещины разделяют на холодные и горячие. Ниже приведены расчетные методы оценки склонности сталей к образованию названных видов трещин.

5.3. Деформационная способность металла сварного шва в процессе кристаллизации и последующего охлаждения

Кристаллизация расплавленного металла сварного шва, а также его фазовые превращения, как известно, сопровождаются объемными изменениями. Если изменения объема металла при охлаждении ничем не ограничены, то имеет место так называемая свободная температурная деформация.

Схема относительного изменения объема стали Ст.3 при охлаждении приведена на рис. 5.1:

на участке 1-2 – расплавленный дугой металл ванны охлаждается, объем расплава уменьшается;

на участке 2-3 – идет кристаллизация сварочной ванны, объем при переходе Ж→А скачкообразно уменьшается;

на участке 3-4 – охлаждение твердого аустенита сопровождается объемной усадкой;

на участке 4-5 – фазовое превращение аустенита в феррит А→Ф идет с увеличением объема;

на участке 5-6 – происходит охлаждение феррита до комнатной температуры с уменьшением объема.

Для каждого участка кривой характерен свой коэффициент линей-

ного расширения металла α = l0 (∆∆lT ) , зависящий от температуры.

Аналогичные кривые могут быть построены на специальном приборе – дилатометре. Он непрерывно фиксирует изменение длины образца в условиях его свободной температурной деформации, т.е. строит дилатометрические кривые.

Коэффициенты линейного расширения различны для разных металлов и зависят от температуры (например, эта зависимость для железа приведена на рис. 5.2). Коэффициент линейного расширения железа изменяется при введении легирующих элементов. Так, например, введение в сталь до 20 % марганца и никеля повышает коэффициент линейного расширения, тогда как увеличение доли хрома снижает его.

183

Ж 1 Т, °С

Относительная объемная деформация εV,%

Рис. 5.1. Схема относительного изменения объема стали Ст.3 при охлаждении

тые. Со стороны менее нагретого металла стенок сварочной ванны расплавленный металл шва испытывает растягивающие усилия в процессе кристаллизации. Для пояснения происходящих при несвободной температурной деформации явлений на диаграмму собственных напряжений

184

Рис. 5.3. Обобщенная диаграмма термодеформационных процессов при сварке стыкового шва низкоуглеродистой стали: 1 – температура по оси шва; 2 – собственные напряжения в шве (участки ab, bc, cd); σВ – предел прочности; ψ – пластичность металла шва

На кривой собственных напряжений металла шва выделяют несколько участков с разным типом деформации:

участок ab – возникновение напряжений растяжения с началом кристаллизации и охлаждения металла шва в интервале 1539…800 °С;

участок bc – аустенитное превращение А→Ф в интервале 800…600 °С происходит с увеличением объема, а значит, напряжения растяжения переходят в напряжения сжатия;

участок cd – происходит рост напряжений растяжения при дальнейшем охлаждении феррита.

Трещины в металле сварного шва могут возникать, когда величина собственных напряжений в шве достигает предела прочности металла для данной температуры, т.е. когда кривая 2 близко подходит к кривой

σВ. Это возможно в области высоких температур – вблизи Тс.

Кроме того, вблизи солидуса наблюдается резкое снижение пластичности (кривая ψ на верхнем рисунке), что также увеличивает возможность возникновения трещин. Этот интервал температур, где пластичность металла близка к нулю, называется температурным интер-

валом хрупкости (ТИХ).

185

Вследствие особого характера изменения механических свойств металла, находящегося в твердожидком состоянии, хрупкое межкристаллитное разрушение (образование кристаллизационных горячих трещин) наиболее вероятно в этом интервале температур.

В зависимости от соотношения между объемами твердой и жидкой фаз пластичность металла резко изменяется. При объеме жидкой фазы, остаточном для свободного ее перемещения в промежутках между растущими кристаллитами, пластичность двухфазного металла высока, так как полностью определяется свойствами жидкости.

С увеличением объема твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования жесткого каркаса кристаллитов полностью прекращается. Деформация металла в этом состоянии приводит к хрупкому разрушению по межкристаллическим прослойкам, в которых еще не закончен процесс кристаллизации. Пластичность металла падает до весьма низких значений (десятые доли процента) и сопротивление разрушению становится относительно ничтожным.

Очевидно, что чем шире эффективный интервал кристаллизации ∆Тэ, тем больше величина линейной усадки ε к концу затвердевания

итем больше склонность металла к горячим трещинам.

Впроцессе дальнейшего охлаждения вязкость и поверхностное натяжение прослоек повышается, а прочность возрастает до таких значений, которые оказываются выше критической величины напряжений сдвига кристаллитов. При этом деформирование металла происходит за счет внутрикристаллических сдвигов, вследствие чего пластичность резко возрастает, а характер разрушения вместо межкристаллического становится внутрикристаллическим. Температуру, соответствующую

этому переходному состоянию, принято называть эквикохезивной Тэкв.

Вгетерофазных сплавах, которые кристаллизуются так, что между зернами (кристаллитами) матрицы располагаются легкоплавкие фазы

ввиде межкристаллических прослоек, Тэкв обычно находится вблизи температуры солидуса Тс.

Воднофазных сплавах условие Тэкв ≈ Тс соблюдается в том случае,

если их эффективный интервал кристаллизации ∆Тэ достаточно широк и объемная усадка достигает большой величины. При кристаллизации этих сплавов получает развитие процесс ликвации, т.е. жидкие межкристаллические прослойки (или, точнее, последние порции жидкой фазы в межосных пространствах дендритов) обогащаются легкоплавкими примесями или легирующими элементами. Однако после их затвердевания сплав остается однофазным, т.е. без включения второй фазы, но границы вследствие ликвации оказываются изогнутыми и фрагментированными (зубчатыми).

187

При кристаллизации чистых металлов и однофазных сплавов с узким интервалом кристаллизации и слабой внутрикристаллической неоднородностью Тэкв располагается заметно ниже Тс, т.е. горячие трещины образуются по границам кристаллитов, когда сплав уже находится в полностью затвердевшем состоянии. Этому способствуют относительно гладкие границы кристаллитов в шве, а также процессы подсолидусной миграции.

5.4. Горячие трещины

Горячими или кристаллизационными трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и зоны термовлияния, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на

ния; 2 – поперечные в шве и в зоне сплавления; 3 – поперечные по толщине в свариваемом металле и в металле предшествующего слоя при многопроходной сварке.

Принятое в литературе деление горячих трещин по месту их расположения в сварном соединении или по направлению их развития относительно оси шва является существенным при анализе влияния конструкции соединения и технологических факторов на образование и развитие горячих трещин. Однако такой подход не может внести существенного вклада в выяснение природы, механизмов зарождения и разработку металлургических путей их предупреждения.

По механизму зарождения и причинам, а также по температурному интервалу образования различают горячие трещины кристаллизационные и подсолидусные. Подсолидусные трещины в свою очередь бывают ликвационными (причина образования – эвтектика с серой), полигонизационными и трещинами дисперсионного твердения.

188

5.4.1. Причины образования горячих трещин

Кристаллизационные трещины. Природа возникновения горя-

чих трещин объясняется схемой А.А. Бочвара (рис. 5.5). Согласно этой схеме при кристаллизации металла шва условно выделяют три состояния: жидкотвердое, твердожидкое и твердое. Эти состояния отличаются соотношением объемов твердой и жидкой металлической фаз, а значит, и характером деформирования в условиях температурного цикла сварки.

Напряжения растяжения

Рис. 5.5. Схема кристаллизации металла сварного шва (по А.А. Бочвару): а – жидкотвердое состояние, б – твердожидкое, в – твердое

Жидкотвердое состояние (см. рис. 5.5, а) соответствует началу процесса образования зародышей твердой фазы в расплаве, когда жидкости еще много, а твердой фазы значительно меньше. Прочность такой системы определяется поверхностным натяжением жидкости, а пластичность – вязкостью жидкости, точнее, величиной, обратной вязко-

сти, – η1 . Деформационная способность такой системы в условиях не-

свободной деформации велика, так как жидкость может свободно перетекать между кристаллами и компенсировать деформации растяжения.

Твердожидкое состояние (см. рис. 5.5, б) соответствует стадии формирования твердого кристаллического каркаса зерен, разделенных тонкими прослойками жидкости. Под действием силы Р происходит заклинивание зерен. При высокой скорости нарастания упругопластических деформаций жидкая фаза не успевает перетекать, чтобы компенсировать образовавшиеся несплошности. Разрушение идет по жидкой границе между зернами. Пластичность такой системы очень низка. Этому состоянию соответствует температура, которую называют верхней гра-

ницей интервала хрупкости Тв.г. Вероятность образования хрупких трещин в таком состоянии очень высока. Образующиеся при этом горячие трещины называются кристаллизационными.

189

Твердое состояние (см. рис. 5.5, в) реализуется при температуре ниже солидуса. Разрушение металла шва идет по телу зерна, так как границы зерен уже достаточно упрочнились. Этому состоянию соответ-

ствует температура нижней границы интервала хрупкости Тн.г. Эта температура, как было отмечено выше, называется эквикохезивной, при которой межкристаллитное разрушение сменяется разрушением по телу зерна. Образующиеся при этой температуре горячие трещины (ГТ) называются подсолидусными.

Рис. 5.6. Схема процесса образования ГТ в сварных швах: а – диаграмма состояния сплава; Сi – состав сплава; Тл, Тс и Тс.н – температуры соответственно ликвидуса, равновесного и неравновесного солидусов; б – схема процесса кристаллизации сварного шва; в – распределение пластичности δ; интенсивность сварочных деформаций е

Согласно теоретическим представлениям, ГТ образуются при критическом сочетании значений следующих факторов (см. рис. 5.6):

–температурного интервала хрупкости (ТИХ) в период кристаллизации металла шва;

–минимальной пластичности в ТИХ δmin;

–темпа высокотемпературной сварочной деформации α.

Сплавы в процессе кристаллизации имеют интервал температур, названный ТИХ, в котором значения прочности и пластичности весьма малы, а разрушение носит хрупкий характер и происходит по зонам срастания кристаллитов или по границам зерен. По схеме процесса

(см. рис. 5.6) видно, что при температурах Тл, прилегающих к ликвидусу, значение δ велико и определяется высокой способностью металла в жидкотвердом состоянии к релаксации сдвиговых напряжений.

190