Цель дисциплины

Цель: Научиться правильно, разрабатывать технологию сварки материалов следующих групп:

1. высокопрочные сплавы;

2. жаростойкие и жаропрочные сплавы;

3. нержавеющие стали;

4. сплавы на основе Ti;

5. сплавы на основе Al.

Задачи дисциплины

Для достижения поставленной цели нужно решить задачи:

1. изучить свойства каждой из перечисленных групп материалов;

2. определить влияние легирующих элементов и обработки на свойства сварного соединения из этих сплавов;

3. выявить причины возникновения дефектов, характерных для каждой из перечисленных групп;

4. изучить поведение этих сплавов при сварки и эксплуатации.

1. Сварка высокопрочных сталей.

Одним из способов повышения работоспособности и надёжности сварных конструкций является использование в них высокопрочных сталей.

На сегодняшний день существует множество материалов различного состава с высоким пределом прочности.

Под высокопрочными сталями понимают сплавы с _Т = 900…1500 МН/м². В данном раз­деле курса лекций рассматриваются среднелегированные конструкционные стали с _Т = 1500 МН/м² и выше. Эта прочность достигается за счёт специального легирования и термообра­ботки. Термообработка заключается в закалке и низком отпуске, тогда прочность зависит от содержания углерода. В высокопрочных сталях содержание углерода = 0,3 … 0,5 %.

Технико-экономические показатели сварной конструкции: металлоемкость, надёжность, долговечность, трудоёмкость изготовления определяются прочностью основного металла и степенью равнопрочности сварных соединений с основным металлом.

Высокопрочные стали отличаются повышенной склонностью к образованию холодных трещин в околошовной зоне (ОШЗ). Чтобы прочность металла шва и основного металла соответствовали друг другу в нём нужно снизить содержание углерода и ввести определённое количество легирующих элементов, а это может приводить к образованию горячих и холодных трещин, уже в металле шва. Поэтому получение качественного сварного соединения со свойствами равноценными со свойствами основного металла весьма затруднительно. В результате сварочного нагрева и быстрого охлаждения трудно гарантировать получение пластичности и получение вязкости литого металла шва на уровне основного металла. Преодоление отмеченных трудностей достигается применением различных технологических приёмов, соответствующих сварочных материалов, способов и режимов сварки.

1.1. Состав и свойства некоторых высокопрочных сталей

Высокопрочные стали применяются в тех областях, где основное значение имеет отношение прочности к удельному весу металл детали. Наиболее важные свойства такой конструкции: прочность при различных температурах, пластичность и вязкость, усталостная прочность, сопротивляемость хрупким разрушениям, свариваемость.

По данным Г.В. Курдюмова и др. [] прочность сталей подвергаемых закалке на мартенсит и последующему низкому отпуску зависит главным образом от содержания в них углерода.

Легирующие элементы, в высокопрочных сталях, снижая критическую скорость охлаждения должны способствовать получению максимальной прочности при данном содержании углерода. Однако их непосредственное влияние на прочностные свойства сталей невелико. Легирование высокопрочных сталей осуществляется: Cr, Ni, Mo, V и некоторыми другими элементами в различных сочетаниях и отношениях (табл. 1).

Таблица 1.

Химический состав

Марка стали	Легирующие элементы
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	V
AISI – 4340 (США)	0,38 – 0,43	0,20 – 0,35	0,60 – 0,80	0,70 – 0,90	1,65 – 2,0	0,20 – 0,30	–
300М (ФРГ)	0,47	1,08	0,90	0,75	2,0	0,45	0,05
Х – 200 (ФРГ)	0,43	1,50	0,85	2,0	–	0,50	0,05
Н 11 (Япония)	0,30 – 0,40	0,80 – 1,20	0,20 – 0,40	2,75 – 3,50	–	1,25 – 1,75	0,30 – 0,50
30ХГСА	0,28 – 0,35	0,30 – 1,2	0,80 – 1,10	0,80 – 1,10	–	–	–
30ХГСНА	0,27 – 0,34	0,90 – 1,2	1,10 – 1,30	0,90 – 1,20	1,40 – 1,80	–	–
42Х2ГСНМ	0,39 – 0,40	0,89	1,2	1,87	0,72	0,49	0,05

Некоторое повышение твёрдости достигается в результате упрочнения феррита при увеличении содержании хрома от 0,50 до 2,0 %. Наибольшее увеличение твёрдости даёт кремний. Марганец от 0,50 до 2,0 % увеличивает твёрдости на 2 ед. HRC. По-другому влияют эти элементы на ударную вязкость (а_Н) стали. Например, увеличение содержания Mn до 1,2 % при содержании Cr = 0,8 % увеличивает ударную вязкость. Несколько большее увеличение даёт кремний. Наличием Si и Mn управляют ударной вязкостью.

Таблица 2.

Режимы термообработки и механические свойства

Марка стали	Режимы термообработки	Т-ра отпуска, 0С	σВ , МН/м2	δ, %
AISI – 4340 (США)	Нагрев до 815 0С, закалка в масле и отпуск	200	1960	11,0
		315	1714	12,0
		425	1490	14,0
Х – 200 (ФРГ)	Нагрев до 955 0С, выдержка 15 мин., охлаждение на воздухе, отпуск 30 мин.	200	2156	9,6
		390	1960	7,0
		540	1676	8,5
300М (ФРГ)	Нагрев до 930 0С, закалка на воздухе 3 ч., повторная закалка в масле 4ч. и отпуск	260	2200	8,0
		425	1784	8,5
Н 11 (Япония)	Нагрев до 900 0С, закалка с выдержкой 4ч., повторная закалка 870 0С в масле 4ч. и отпуск	330	1740	–
30ХГСА	Нагрев до 890 0С, закалка в масле и отпуск	200	1568	5,0
30ХГСНА	Нагрев до 890 – 900 0С, закалка в масле и отпуск	200	1568	8,0
		360	1519	9,0
42Х2ГСНМ	Нагрев в солянной ванне до 930 0С, закалка на воздухе и отпуск	250	2234	5,0

Из приведённых данных видно, что с увеличением температуры отпуска прочность стали заметно уменьшается, пластичность изменяется незначительно (в одних случаях она увеличивается, в других уменьшается). По этой причине отпуск высокопрочных сталей производится при низких температурах 150 – 200 ⁰С. Результаты испытаний Российских сталей получены при использовании гладких образцов. При приближении условий испытаний к условиям эксплуатации свойства будут изменяться.

С понижением температуры материалы в закалённом и отпущенном состоянии теряют свою вязкость медленнее, чем стали в отожжённом состоянии. Существенное влияние на свойства оказывают концентраторы напряжений (подрезы, резкие перепады сечений, трещины).

Если сварная конструкция находится под воздействием переменных нагрузок и в ней имеется концентратор, то из-за резкого понижения пластичности наступает хрупкое разрушение. Это разрушение может произойти при низких сварочных напряжениях. Важным показателем сварной конструкции является предел усталости металла сварного соединения σ_–0,1, – максимальные напряжения при котором металл не разрушается при любом числе циклов нагружения. Например: σ_–0,1 30ХГСА (σ_В = 1670 МН/м²) = 500 – 600 МН/м². Из экспериментальных данных, что с увеличением статической прочности усталостная прочность уменьшается, но она может и увеличиваться, если повышение статической прочности не сопровождаются понижением пластичности.