17

Дисциплина: Технология сварки конструкционных сталей и сплавов Количество часов: 36 час. Введение

Основная масса стальных конструкций по металлоёмкости ещё недавно приходилась на долю нелегированных углеродистых сталей, из которых изготавливали строительные конструкции, ёмкости для хранения нефтепродуктов и газов, трубопроводы, корпуса машин и т.д. Однако развитие техники, появление новых отраслей энергетики, космической и ракетной техники, привело к существенному усложнению условий работы конструкционных материалов - повышение нагрузок, повышение и понижение рабочих температур, увеличение агрессивности рабочих сред потребовало резкого увеличения объёма использования специальных конструкционных материалов, обладающих комплексом уникальных свойств, обеспечивающих надёжную эксплуатацию металлических конструкций. Поставлена задача разработки надёжных технологий получения неразъёмного соединения элементов конструкций из этих материалов, основой которых является сварка. Многообразие разработанных конструкционных материалов потребовало их квалификацию, в основу которой положено назначение их и условия эксплуатации.

В данном курсе «Технология и оборудование сварки плавлением конструкционных сталей и сплавов» рассмотрим свариваемость и технологию сварки следующих групп конструкционных материалов:

Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода.

Высокопрочные легированные стали.

Чугуны.

Теплоустойчивые стали.

Жаростойкие высоколегированные стали и сплавы.

Жаропрочные высоколегированные стали и сплавы.

Хладостойкие стали.

Коррозионные высоколегированные стали.

Цветные металлы и сплавы.

Курс лекций построим следующим образом. Вначале рассмотрим в общем плане влияние легирующих элементов на фазовые составляющие стали, а также процессы, протекающие при нагреве и охлаждении. Затем для каждой группы конструкционных материалов дадим краткую характеристику свойств, приведём химический состав, оценим свариваемость и рассмотрим технологию сварки.

Для изучения дисциплины рекомендуется следующая литература:

1. Сварка в машиностроении. Справочник. Том 2 под ред. А.И.Акулова. М, машиностроение, 1978, 462 с.

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Б.Е. Патона. М., машиностроение, 1974, 767 с.

3. Электродуговая сварка сталей. Справочник / Н.И. Каховский, В.М. Фартушный, К. А Ющенко/, Киев. Наукова думка, 1975, 467 с.

4. Хромченко В. А. Сварка оборудования электростанций. Справочник. М., Энергия, 1977,368 с.

5. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением. Киев. Наукова думка, 1982, 416 с.

1.Влияние легирующих элементов на фазовые составляющие стали

Легирующие элементы, введенные в сталь, по-разному взаимодействуют с основными компонентами стали - железом и углеродом, что определяет и своеобразие их влияния на свойства сталей и протекание процессов при нагреве и охлаждении при сварке

С основой стали - железом легирующие элементы дают растворы замещения. Имея различия по атомным радиусам и энергетическому состоянию атомов, легирующие элементы по разному влияют на феррит. Как правило, легирующие элементы повышают прочность и понижают пластичность феррита. В малых количествах некоторые легирующие элементы повышают вязкость (хром, марганец, никель), в больших количествах - понижают.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом более сложно. С одной стороны многие легирующие элементы стали (Mn, Cr , W, Mo, V, Nb, Ti) способны либо непосредственно образовывать с углеродом карбид легирующего элемента, либо заменять часть железных атомов в карбиде железа. С другой стороны, образуя растворы замещения и заменяя в кристаллической решётке часть атомов железа, разные легирующие элементы, по-разному влияя на энергетическое состояние решетки, изменяют энергетические условия взаимодействия с решёткой внедрённых атомов углерода. Это определяет различную активность атомов углерода в растворе легированных сталей.

Таким образом, легируя феррит и меняя уровень энергетических связей, легирующие элементы меняют температуру полиморфных превращений. Они влияют на активность и диффузионную подвижность атомов углерода в растворе. Такая роль легирующих элементов в изменении состояния растворённого углерода и участие их в карбидообразовании определяют воздействие их на процессы превращений, связанные с диффузионной подвижностью углерода.

Одни и те же легирующие элементы в стали, могут образовывать растворы замещения и участвовать в образовании карбидов. Введенные в сталь легирующие элементы распределяются между твёрдым раствором и карбидами в зависимости от степени химического сродства легирующего элемента к углероду. Элементы с химическим сродством к углероду, меньшим чем у железа (Со, Si, Ni) , не образуют в стали своих карбидов и практически не участвуют в процессах карбидообразования.

По степени увеличения химического сродства к углероду легирующиеэлементы располагаются в следующем порядке Mn, Cr, W, Mo, V, Nb, Ti. В соответствии с этим V, Nb, Ti дают наиболее стойкие карбиды, которые практически не содержат другие элементы. С другой стороны, V, Nb, Ni мало растворяются в карбидах элементов с меньшим сродством к углероду. Сг, W и Mo могут давать свои карбиды, могут входить частично в карбид цементитного типа Me С. В карбидах этих элементов может содержаться и железо.

Степень химического сродства к углероду определяет и распределение элементов между ферритом и карбидами. Марганец с наименее низким сродством к углероду по сравнению с другими карбидообразующими элементами, легирует феррит. Хром, имея большее сродство к углероду, в большей степени, чем марганец уходит в карбиды и в меньшей степени, чем марганец переходит в феррит. Ещё в большей степени связываются в карбиды вольфрам и молибден, и еще меньше их оказывается в растворе. Ванадий, ниобий и титан практически полностью связываются в карбидах, и очень мало этих элементов переходит в раствор.

Таким образом, для карбидов каждого элемента, а если элемент даёт несколько карбидов, то для каждого типа карбида при определённой температуре и надлежащих условиях (достаточное время пребывания при этой температуре и содержание углерода и легирующего элемента), устанавливается концентрационное равновесие в системе карбид - твердый раствор. Это равновесие должно сдвигаться в сторону понижения содержания легирующего элемента в феррите в случаях повышения степени химического сродства легирующего элемента к углероду. Равновесие концентраций должно существовать и для углерода, т.е. карбиду каждого легирующего элемента соответствует определённая концентрация углерода в феррите. Одновременно содержание углерода в феррите понижается с повышением его термодинамической активности в растворе под влиянием находящихся в растворе легирующих элементов.

Количество карбидообразующего элемента, растворяющегося в феррите, зависит от содержания в стали углерода. Так, при легировании безуглеродистого феррита даже самые активные карбидообразователи (V, Nb, Ni) будут полностью растворяться в феррите до величин, соответствующих пределу растворимости.

При небольшом количестве углерода в стали и очень большом коли­честве карбидообразующего элемента, произойдёт процесс карбидообразования за счет имеющегося в стали углерода, а остальная часть легирующего элемента перейдет в раствор. Если же наоборот, карбидообразователя, например, ванадия будет мало, а углерода много, то часть его свяжется в карбид ванадия, а остальная часть - в карбид железа-цементит.

Таким образом, для каждого карбидообразующего элемента существует определенная величина отношения его содержания в стали к содержанию в стали углерода, при котором все количество углерода, имеющегося в стали, и все количество легирующих элементов оказываются связанными в виде карбида этого элемента. При отношении Ме/С меньше критической величины К избыток углерода будет образовывать цементит, при Ме/С - К избыток легирующего элемента будет растворяться в феррите, изменяя его свойства.

Величины критических отношений Ме/С для различных карбидообразующих элементов в связи с разной степенью химического сродства их к углероду. На значение Ме/С влияет также и температура.