Химический состав и структура металла шва

Химический состав стали один из важных факторов, влияющих на свариваемость материалов. Упрощенно и приблизительно химический состав металла шва рассчитывают по формуле

Х_мш = Ψ[Х]_ом + (1- Ψ)*[Х]_нм

где Х_мш – концентрация элемента Х в металле шва (расчетная);

Х_нм – концентрация элемента в наплавочном материале;

Х_ом – концентрация элемента в основном металле;

Ψ – доля участия основного металла в металле шва (коэффициент разбавления или степень разбавления)

(1-Ψ) – доля участия наплавленного металла (проволоки, присадки) в металле шва

Допустимая доля участия в шве проплавленного основного металла зависит от сочетания свариваемых сталей и состава используемых сварочных материалов, а также от разделки кромок и слоя шва. Приблизительно долю участия основного металла в формировании шва получают экспериментально для разных видов сварки. При ручной дуговой сварке и наплавке доля участия основного металла в составе шва оценивают по таблице

№ слоя шва	Угол разделки кромок			При наплавке
	15о	60 о	90 о
	48-50	43-45	40-43	30-35
	40-43	35-40	25-30	15-20
	36-39	25-30	15-20	8-12
	35-37	20-25	12-15	4-6
	33-36	17-22	8-12	2-3
	32-36	15-20	6-10	<2
7-10	30-35	-	-	-

ПРИМЕР. Определить химический состав металла шва при сваривании.

Основной металл 19Mn5 Наплавка Thermaint 25/14309h-17

Химический состав

	C	Si	Mn	Cr	Ni	Коэфф. Разб.
1	0,2	0,5	1,2	-	-	0,25
2	0,04	0,9	0,8	24,5	13	0,75
1мш	0,05	0,125	0,3	-	-
2н	0,03	0,675	0,6	18,375	9,75
1ом+2н	0,08	0,8	0,9	18,4	9,8
Эcr
Эni

Расчет эквивалента

Ф (Cr)=%Cr+Mo+1.5*Si+0.5*Nb+V+3.5*Ti

A(NI)=Ni+30*C+0.5*Mn

В соответствие с диаграммой Шеффлера структура полученного металла Аустенит, и 1% феррита.

Феррит (твердый раствор внедрения углерода в α-железе с объемно-центрированной кубической решеткой) Аустенит (твердый раствор внедрения углерода в γ-железе с гранецентрированной кубической решеткой) Цементит (карбид железа; Fe3C метастабильная высокоуглеродистая фаза) Графит стабильная высокоуглеродистая фаза

Структуры железоуглеродистых сплавов

Ледебурит (эвтектическая смесь кристаллов цементита и аустенита, превращающегося при охлаждении в перлит) Мартенсит (сильно пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе с объемно-центрированной терагональной решеткой) Перлит (эвтектоидная смесь, состоящая из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита) Сорбит (дисперсный перлит) Троостит (высокодисперсный перлит) Бейнит (устар: игольчатый троостит) — ультрадисперсная смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и карбидов железа

Металл шва сварного соединения выполненного из стали разных структурных классов обладает *гетерогенностью (отличается по составу и структуре от свариваемых сталей), что значительно влияет на его технологическую и эксплуатационную прочность.

При сварке сталей разных структурных классов необходимо выбирать режимы сварки обеспечивающее минимальное проплавление и перемешивание основного металла с наплавленным. Степень проплавления одной из кромок относительно другой в разнородном соединении зависит от теплопроводности свариваемых металлов.

Образование строения и свойства зоны сплавления разнородных соединений зависит:

1. характера процессов кристаллизации разнородных материалов и образование кристаллизационных прослоек переходного состава которые имеют ширину 0.3 – 0.4 мм при этом обладают повышенно хрупкостью. Выбор электродов в этом случае производится с расчетом, чтобы переходные прослойки имели минимальный размер и хрупкость, а в процессе эксплуатации при повышенных температурах не имели тенденции к быстрому развитию.

2. от процессов диффузии (*Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму) определяющих образование и развитие диффузионных переходных прослоек которые также образуются в зоне сплавления. В стали наиболее подвижным элементом является углерод, перераспределение которого и определяет образование диффузионных прослоек. Скорость диффузии углерода в ферритной фазе значительно больше, чем в аустенитной. В результате диффузии углерода образуется обезуглероженные и науглероженные зоны. Из перлитных и ферритных сталей углерод переходит в аустенитную стали где его термодинамическая активность снижается и он хорошо растворяется с образованием мелкозернистой структуры.

Образование углеродных диффузионных прослоек происходит:

• в процессе сварки, при контакте жидкого металла с твердым основным из-за большей растворимости углерода в жидком растворе железа;

• при охлаждении с высоких температур затвердевшего металла после сварки;

• при термической обработке сварных соединений или при их эксплуатации при высоких температурах (>425^оС).

При разных видах сварки интенсивность диффузионных процессов различна:

1. для ручной дуговой сварки выполняемой при небольших значениях погонной энергии q_n, сразу после сварки диффузионные прослойки незначительны.

2. при автоматической и электрошлаковой сварке с болшей погонной энергией q_n, малой скоростью охлаждения, уже изначально диффузионные прослойки большие, особенно при работе с разнородными сварными соединениями в интервале температур 425 – 700^оС. Разнородность стали делает больше диффузионных прослоек, из-за наличия структурной и исходной неоднородности, а также различия теплофизических свойств. Появление обезуглероженных и науглероженных зон → ухудшение свойств разнородных сварных соединений.

Большое влияние на развитие диффузионных прослоек в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом, оказывает содержание в нем никеля. Никель снижает твердость, хрупкость, количество кристаллизационных и диффузионных прослоек, выполняет задачу выравнивания концентрации растворенного в стали углерода и в контактирующем металле шва.

С повышением содержания никеля в шве до 25%, ширина обезуглероженной зоны стали, уменьшается в 2 раза. При содержании никеля 60%, зона уменьшается в 3 раза.

Требования:

• при температуре эксплуатации до 450^оС, металл шва должен содержать не менее 19% никеля;

• при температуре эксплуатации до 550^оС, не менее 31% никеля;

• при температуре эксплуатации свыше 550^оС, не менее 47%.

Соответственно металл, наплавленный электродом, должен иметь более ввысоке содержание никеля, чтобы обеспечить его необходимое количество в шве, с учетом его разбавления основным металлом.

ВЫВОД: химический состав металла шва, в значительной мере определяет его структуру. Предварительную оценку структуры и свойств различных участков шва, при определении степени проплавления основного металла и использовании различных сварочных материалов, производится по диаграмме Шеффлера.