- •Федеральное агентство по образованию
- •Научный редактор Кащук м.Г.
- •Предисловие
- •Введение
- •Условные обозначения
- •Рдс – ручная дуговая сварка штучными электродами;
- •Оцк – объемно-центрированная кристаллическая решетка;
- •Мхн – микрохимическая неоднородность.
- •1. Классификация сталей и сплавов
- •1. По химическому составу:
- •2. По назначению в зависимости от основных свойств:
- •3. По системе легирования:
- •5. По системе упрочнения твердого раствора:
- •2. Особенности работы сварных конструкций из специальных сталей и сплавов
- •3. Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке
- •3.1. Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие при нагреве
- •3.2. Влияние легирующих элементов на превращения аустенита при охлаждении
- •3.3. Влияние легирующих элементов на структурные превращения при сварке
- •3.4. Влияние легирующих элементов на физические свойства сталей
- •3.5. Влияние легирующих элементов на плавление и кристаллизацию металлов и сплавов
- •3.5.1. Особенности кристаллизации сварочной ванны
- •3.6. Химическая неоднородность сварного соединения
- •3.7. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва
- •4. Свариваемость легированных сталей
- •4.1. Горячие трещины в сварных соединениях
- •4.1.1. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин
- •4.2. Холодные трещины в сварных соединениях
- •4.2.1. Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей холодным трещинам
- •4.3. Ламелярные трещины
- •4.4. Трещины повторного нагрева
- •4.5. Хрупкие разрушения
- •4.6. Термическая обработка сварных соединений
- •5. Сварка жаропрочных перлитных сталей
- •5.1. Трудности при сварке жаропрочных перлитных сталей
- •5.2. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •5.3. Термическая обработка сварных соединений
- •Режим отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой
- •6. Сварка хромистых сталей
- •6.1. Общие рекомендации по сварке хромистых сталей
- •6.2. Сварка мартенситных сталей
- •4. Термообработка после сварки (табл. 12).
- •Тепловой режим сварки мартенситных сталей
- •6.2.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •6.3. Сварка мартенситно-ферритных сталей
- •6.3.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •6.4. Сварка ферритных сталей
- •6.4.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •7. Сварка аустенитных хромоникелевых сталей
- •Химический состав коррозионно-стойких сталей
- •Химических состав некоторых жаропрочных сталей
- •7.1. Трудности при сварке хромоникелевых сталей
- •4. Поры в наплавленном металле.
- •7.1.1. Трещины в сварных соединениях
- •7.1.2. Межкристаллитная коррозия сварных соединений
- •7.1.3. Охрупчивание металла сварного соединения при эксплуатации
- •7.1.4. Поры в наплавленном металле
- •7.2. Общие рекомендации по сварке аустенитных сталей
- •7.3. Технология сварки
- •7.4. Термическая обработка
- •8. Сварка разнородных сталей
- •8.1. Образование и строение зоны сплавления
- •8.2. Образование диффузионных прослоек в зоне сплавления
- •8.3. Дефекты сварных соединений
- •8.4. Рекомендации по сварке разнородных сталей
- •9. Сварка сплавов на никелевой основе
- •9.1. Трудности при сварке никелевых сплавов
- •Химическая неоднородность металла шва
- •9.2. Технология сварки и свойства соединений
- •Приложения
- •Перечень лабораторных и практических работ
- •Темы индивидуальных докладов
- •Условное обозначение элементов в марках сталей
- •Список использованной и рекомендуемой литературы Основная литература
- •Дополнительная литература
- •Введение ……………………………………………………………... 4
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:
изменению химического состава;
выбору оптимального режима сварки;
применению рационального типа конструкции и порядка наложения сварных швов.
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.
Рис. 24. Виды холодных трещин в сварных соединениях легированных сталей |
Рис. 25. Характер разрушения на участке очага холодной трещины (А) и смешанный на участке её развития (В) в ОШЗ |
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 взакаленной стали – результат старения, при котором происходят закрепление дислокаций атомами углерода.
Рис. 26. Характер деформирования свежезакаленной стали |
Рис. 27. Схема образования трещин при проскальзывании по границам зерен |
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.
Рис. 28. Схема зарождения околошовной трещины по границам зерен |
В этих условиях на границе раздела возникают значительный перепад продольных напряжений и значительные напряжения сдвига по границам зерен. Такое напряженное состояние способствует зарождению ХТ. В реальных сплавах зародыши трещин могут образовываться в местах расположения дефектов (поры, неметаллические включения и т.п.). |