12 Классификация сталей, свариваемость
.docКлассификация сталей. Принципы классификации.
-
По назначению: конструкционные, пружинные, инструментальные, котельные, судовые и тд.
-
по свойствам: кислотостойкие, жаростойкие, теплоустойчивые, быстрорежущие и тд,
биметаллические материалы и методы их получения
-
по химическому составу: по содержанию углерода (до 0,25; 0,25…0,45; свыше0,45…или свыше 0,5%С.; по раскисленности(к, пс, с, Табл.1); по методам контроля(только х/с; х/с и свойства; обьем контроля свойств); по содержанию легирующих элементов(н/л Σ≤5% и ≤2% каждого; с/л 5…10% и в/л > 10%);сплавы
-
по способу выплавки: электро-(дуговые, плазменные, шлаковые), в индукционных печах (втч, вакуумные), конверторные, бессемеровские, мартеновские
-
по способу переработки: холодно- или горячекатаные, литые, кованные
-
по свариваемости
Химический состав стали ГОСТ 380 по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.
Таблица 1
Марка стали |
Массовая доля элементов, % |
||
|
углерода |
марганца |
кремния |
Ст0 |
Не более 0,23 |
- |
- |
Ст1кп |
0,06-0,12 |
0,25-0,50 |
Не более 0,05 |
Ст1пс |
0,06-0,12 |
0,25-0,50 |
0,05-0,15 |
Ст1сп |
0,06-0,12 |
0,25-0,50 |
0,15-0,30 |
Ст2кп |
0,09-0,15 |
0,25-0,50 |
Не более 0,05 |
Ст2пс |
0,09-0,15 |
0,25-0,50 |
0,05-0,15 |
Ст2сп |
0,09-0,15 |
0,25-0,50 |
0,15-0,30 |
Ст3кп |
0,14-0,22 |
0,30-0,60 |
Не более 0,05 |
Ст3пс |
0,14-0,22 |
0,40-0,65 |
0,05-0,15 |
Ст3сп |
0,14-0,22 |
0,40-0,65 |
0,15-0,30 |
Ст3Гпс |
0,14-0,22 |
0,80-1,10 |
Не более 0,15 |
Ст3Гсп |
0,14-0,20 |
0,80-1,10 |
0,15-0,30 |
Ст4кп |
0,18-0,27 |
0,40-0,70 |
Не более 0,05 |
Ст4пс |
0,18-0,27 |
0,40-0,70 |
0,05-0,15 |
Ст4сп |
0,18-0,27 |
0,40-0,70 |
0,15-0,30 |
Ст5пс |
0,28-0,37 |
0,50-0,80 |
0,05-0,15 |
Ст5сп |
0,28-0,37 |
0,50-0,80 |
0,15-0,30 |
Ст5Гпс |
0,22-0,30 |
0,80-1,20 |
Не более 0,15 |
Ст5Гпс |
0,22-0,30 |
0,80-1,20 |
Не более 0,15 |
Ст6пс |
0,38-0,49 |
0,50-0,80 |
0,05-0,15 |
Ст6сп |
0,38-0,49 |
0,50-0,80 |
0,15-0,30 |
Кое что о металлах.
Маркировка сталей:
Например: Ст 3псВ3, Сталь 20,
Сталь 15 Х1М1ФА
Хром |
Х |
Кобальт |
К |
Никель |
Н |
Алюминий |
Ю |
Кремний |
С |
Ниобий |
Б |
Бор |
Р |
Марганец |
Г |
Селен |
Е |
Ванадий |
Ф |
Медь |
Д |
Титан |
Т |
Вольфрам |
В |
Молибден |
М |
Азот |
А* |
*– только в высоколегированных сталях , не в конце.
Основной легирующий элемент – углерод
Бронзы например Бр.АЖМц10-3-1,5(алюминий,железо,марганец); Бр.КМц3-1; МНЖКТ5-1-0,2-0,2(медь, никель,железо,кремний,титан)
Понятие свариваемости.
Под физической свариваемостью понимают совокупность таких свойств металлов и сплавов, как способность их к взаимной растворимости и диффузии в твердом и жидком состояниях, совместной кристаллизации расплавленных основного и присадочного металлов.
Технологическая свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на процесс сварки и определяющей его относительную техническую пригодность для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям последующей их эксплуатации. Чем больше количество применимых к данному металлу способов сварки и шире для каждого способа сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость. Определение понятия свариваемости приведено в ГОСТ 29273-92.
«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.»
Качественные оценки свариваемости сталей получили широкое распространение в производственной практике как оценки степени свариваемости:
I – хорошая свариваемость – когда в заданных (достаточно широких) технологических (режимы) и конструктивных (способ) условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений;
II – удовлетворительная свариваемость – когда она обеспечивается выбором рационального режима сварки и его соблюдением в процессе изготовления изделия;
III – ограниченная свариваемость – когда необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменять способ сварки;
IV – плохая свариваемость – когда даже при всех принятых специальных технологических мероприятиях не достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений.
При оценке свариваемости главным образом при помощи проб определяют три характеристики: – стойкость против кристаллизационных трещин; – отсутствие трещин в околошовной зоне; – отсутствие перехода металла ЗТВ в хрупкое состояние. Для выс. лег. сталей еще и потеря коррозионной стойкости.
Таким образом при оценке свариваемости должны учитываться во взаимосвязи: – свойства материалов; – тип, габариты и назначение конструкции; – технология сварки.
Испытания на свариваемость.
-
Методы испытания стойкости к горячим трещинам (образцы переменной жесткости)
-
Методы испытания стойкости шва и околошовной зоны к появлению холодных трещин (образцы повышенной жесткости).
-
Методы испытания всех зон на переход в хрупкое состояние (мех. испытания, структурный анализ).
-
Испытания на стойкость к потере технологических свойств (коррозионных, механических, износостойкости и др).
Факторы влияющие на переход металла в хрупкое состояние:
Внутренние:
– соединения фосфора
– укрупнения зерна
– нитриды (азот)
– гидриды и флокины (водород)
– выпадение охрупчивающих фаз (интерметаллиды)
Внешние:
– концентраторы напряжений
– динамическое нагружение
– низкие температуры.
Основные свойства материалов (металлов) влияющие на их свариваемость.
Физические:
-
Одно, двух или многофазная структура (например Ti α или α + β, сталь А или А + Ф)
-
Наличие фазовых переходов в твердом состоянии (полиморфизм)
-
Температуры фазовых переходов (в т ч – плавления)
-
Температуры плавления возможных (наиболее частых) химических соединений металла
-
Растворимость газов в твердой и жидкой фазах
-
Коэффициент линейного расширения (18-8)
-
Пластичность в различных диапазонах температур
-
Вязкость жидкого металла и ее зависимость от температуры (чугун, титан)
-
Теплопроводность
-
Плотность
-
Способность поглощать или отражать фотоны (при лазерной сварке)
-
Магнитные свойства.(например, в сталях при ЭЛС или магнитное дутье при РДС, пермаллой)
Химические:
-
Химическая активность при различных температурах
-
Экзо или эндо- термические реакции
-
Влияние пассивационных пленок
-
Склонность к образованию карбидов, боридов и др.
-
Токсичность (цинк, свинец, бериллий)
Технологические:
-
Склонность к образованию горячих трещин
-
Вероятность образования хрупких структур (в т ч закаливаемость)
-
Склонность к росту зерна
-
Состояние поставки (история): литье, нагортовка, термообработка, горячая ковка и т. д.
-
Загрязненность примесями
-
Дефектность (поры, расслоения, включения) α
-
Состояние поверхности
-
Толщина и геометрические формы
-
Соответствие чертежу
(Все эти факторы применительно к каждому материалу инженер сварщик должен знать и учитывать)
Основные факторы определяющие свариваемость конструкционных материалов.
Свариваемость сталей: определяется содержанием углерода, других легирующих и толщиной.
Низкоуглеродистые стали (Рис.14) с содержанием углерода С 0,20 % свариваются без ограничений, С = 0,21…0,25% и S 100 мм – требуется подогрев 100…150 оС.
Почему нужен подогрев? Для уменьшения напряжений нужно уменьшать погонную энергию, но при этом растет скорость охлаждения и вероятность появления трещин.
Низколегированные конструкционные стали: 15ГС, 16ГН, 09Г2С и др. при S 30 мм свариваются также, как и низкоуглеродистые. При S > 30 мм подогрев 100…150 оС.
Низколегированные теплоустойчивые стали (хромо-молибденовые) см таблицу (Рис.14), требуют предварительного подогрева и последующей термической обработки.
Среднелегированные стали повышенной прочности варятся только с подогревом и последующей термической обработкой. Для оценки температуры предварительного подогрева используются эмпирические уравнения влияния легирующих элементов на склонность к хрупкому разрушению. У разных авторов могут различаться набор элементов и коэффициенты при них, но принцип построения сохраняется. В частности по Д. Сефериану с учетом толщины стали:
Т предв. подогр. = 350 ,
Сэ = С% + 1/9(Mn% + Cr%) + 1/18Ni% + 1/13Mo%.
S – толщина стенки, мм
В случае невозможности подогрева и ТО всей конструкции применяют предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием сварочных материалов не склонных к образованию трещин.
Высоколегированные стали в зависимости от класса могут по-разному воспринимать цикл сварки.
Большое количество легирующих элементов может приводить к химической и, как следствие, структурной неоднородности.
Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов склонны к закалке и требуют подогрева.
Стали легированные азотом могут образовывать хрупкие трещины в ЗТВ.
Стали аустенитного класса склонны к горячим трещинам. Избежать их можно, добавив в металл шва 5…10% ферритной фазы. Рассчитать требуемый хим состав металла шва позволяет диаграмма Шефлера (Рис. 15).
Важным для высоколегированных сталей является не допустить в процессе сварки потери эксплуатационных свойств (прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и тд).
Особенностями высоколегированных хромо-никелевых сталей являются:
– низкая теплопроводность
– большой коэффициент линейного расширения (≈ в 1,5 раза больше, чем углеродистых сталей)
– большая вязкость жидкого металла.
Разнородные стали
Свариваемость соединений из сталей относящихся к разным структурным классам связана , в основном, с тремя факторами:
– Существенное различие коэффициентов линейного расширения
– Образование хрупких структур в шве в процессе перемешивания
– Развитие структурной неоднородности (как правило, в зоне сплавления) в следствие, в том числе, диффузии углерода в строну металла с большей предельной растворимостью.
(Процесс диффузии углерода в сталях (при сварке, термообработке и эксплуатации) начинается с 350 оС и наиболее интенсивно идет в интервале 550…800 оС.)
– Возникшие напряжения в сварных соединениях разнородных сталей нельзя снять (или уменьшить) термообработкой.
Алюминий и его сплавы.
Сварка чистого Al производится редко в основном в электротехнической промышленности где используется холодная сварка давлением.
Al сплавы делятся на две большие группы: термоупрочняемые и деформируемые т.е. упрочняемые наклепом (нагортовкой, деформацией). Общие для всех сплавов проблемы свариваемости следующие:
-
На поверхности металла всегда имеется плотная тугоплавкая пленка Al2О3, с температурой плавления 2050 оС, при Тпл Al = 660 оС. Пленка препятствует растеканию и смачиванию жидкого металла и образует острые чешуйчатые оксидные включения.
-
Высокая жидкотекучесть и резкое падение прочности твердого металла при высоких температурах (вблизи Тпл) приводит к возможности проливания сварочной ванны.
-
Большая теплопроводность требует применения источников большой мощности или высокой концентрации мощности.
-
Большая величина коэф. линейного расширения и низкий модуль упругости определяют высокую опасность деформирования конструкции.
-
Высокая растворимость газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и очень низкая в твердом металле приводит к выделению 90…95% газа в момент кристаллизации, что приводит к интенсивной пористости.
-
Грубая столбчатая кристаллическая структура шва способствует развитию структурной неоднородности и наряду с П2 появлению горячих трещин особенно у сплавов типа АМг и АМц. (Al-Mg; Al-Mn)
-
При сварке деформируемух сплавов происходит существенная потеря прочности в зоне рекристаллизации (АМг и АМц).
-
Термо упрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg или Al-Cu-Mg (дюрали), или сплавы с большим содержание Si ≥ 5% (силумины) склонны к охрупчиванию и появлению холодных трещин через некоторое время после сварки.
Технологические приемы применяемые при сварке: качественная очистка места сварки (травление, механическая очистка); подформовка стыка; переменный ток или обратная полярность; правильный выбор присадочного материала.
Титан и его сплавы.
Химически активный конструкционный материал – горит в чистом азоте.
Тпл 1665С. При нормальной температуре закрыт плотной оксидной и нитридной пленкой. Способен растворять водород в больших количествах. Максимальная растворимость водорода при Т 1200С. В этой точке ЗТВ наиболее вероятно охрупчивание. Газы образуют с металлом химические соединения (TiO2, TiN, Ti3N, TiH2), которые при повышении температуры растворяются в металле, приводя к снижению пластичности. Содержание газов в металле должно быть ограничено: кислорода до 0,15%, азота до 0,05%, водорода до 0,01%.
Титан имеет полиморфное превращение ↔ при температуре 882С, поэтому в процессе остывания первичная кристаллическая структура измельчается, что способствует хорошей свариваемости однофазных – сплавов. Двух фазные + сплавы обладают повышенной прочностью и твердостью, но при сварке склонны к образованию хрупких структур и трещин.
Физические особенности:
Коэффициент теплового расширения в 1,5 раза меньше, чем у углеродистых и в 3 раза меньше, чем у высоко легированных аустенитных сталей. Теплопроводность низкая примерно в 2,5 раза ниже, чем у стали, но в интервале температур 1500 ↔ Тпл увеличивается почти в 5 раз. Вязкость жидкого металла при средней температуре сварочной ванны в 5 раз больше чем при Тпл, что приводит к образованию газовых полостей и подрезов при автоматической сварке.
Т.о, физико-технологические свойства для большинства титановых сплавов положительные, при условии хорошей защиты.
Медь и ее сплавы.
Характерной проблемой при сварке меди является ее высокая теплопроводность ( в 9 раз больше, чем у стали, и в 14 раз больше, чем у нержавеющей стали) и низкая температура плавления 1083С, поэтому сварка меди идет, как правило, с малой скоростью при большом тепловложении и вся конструкция прогрета.
Медь весьма пассивна. Очень мала растворимость водорода, азот по отношению к меди вообще является инертным газом. Окислы имеют Тпл выше чем Тпл(Cu) и всплывают на поверхность сварочной ванны. (CuO – 1336, Cu2O – 1235С), при повышенном содержании кислорода образуется эвтектика Cu - Cu2O с температурой плавления 1064 С, снижающая пластичность металла.
Латунь (Cu + Zn), Zn – 10…40%. Цинк легко окисляется. Окись цинка – летучее ядовитое соединение. В результате испарения Zn (Т кипения 907С) образуется пористость.
Сплавы меди с другими металлами (кроме Zn ) называются бронзами. В качестве конструкционных применяются:
– оловянистые
– алюминиевые
– хромистые
– бериллиевые и др.
Каждая имеет свои проблемы: – оловянистые хорошо сваривается, но склонны к пористости из-за кипения олова; – при сварке алюминиевых бронз (1,5…8%Al), с поверхности приходится удалять окисную пленку, как при сварке Al; – хромистые бронзы (БрХ1, БрХ07) почти чистая медь; – бериллий еще более ядовит, чем цинк, поэтому бериллиевую бронзу как правило не сваривают.
Цирконий.
По свариваемости и физико-химическим свойствам очень близок с титаном, но еще более активен по отношению к газам. Сварку выполняют преимущественно в камерах с Ar. Для сварных конструкций обычно используют не чистый Zr, а его сплавы с небольшим количеством ванадия или ниобия для повышения пластичности.
Магний.
Сварочные проблемы такие же как и у Al, однако окисная пленка MgO еще более тугоплавкая (2500 оС), но более рыхлая и не так плотно держится на поверхности. Кроме того, Mg способен воспламеняться на воздухе. Для конструкций применяются сплавы с Al (МА-1, МА-3).
Тугоплавкие металлы.
Вольфрам, молибден, тантал, ниобий.
Являются весьма активными при высоких температурах и образуют, как правило, хрупкие сварные соединения, особенно Mo и W. Сварку тугоплавких металлов ведут обычно в вакууме электронным лучом.
Бериллий.
Активный и ядовитый металл, при этом очень легок и прочен. Сваривают только диффузионной сваркой в вакууме.
Полиэтилен и другие пластмассы
Не электропроводный и плохо теплопроводный материал, что приводит к неравномерному нагреву по толщине стенки (трубы). Применяют нагрев с помощью ТЭНов (радиационный), ВЧ индукторов, потоков горячего воздуха с последующим сдавливанием или вдавливанием присадки.