2.4.3. Заходи впливу на фізичні процеси в металі у твердому стані

У твердому стані внаслідок фізико-хімічних процесів і структурних перетворень утворюється так звана вторинна структура. Фазові і струк­турні перетворення металу при зварюванні в зоні зварного з'єднання відбуваються в процесі нагрівання й охолодження. Зварні з'єднання, отримані зварюванням плавленням, складаються з двох характерних ділянок: металу шва і зони термічного впливу в основному металі. При зварюванні тиском у твердій фазі виділяється тільки зона термомеха­нічного впливу. Умови протікання фазових і структурних перетворень металів визначаються термічним циклом зварювання. У зоні термічного впливу металів і сплавів з поліморфними перетвореннями виділяють ділянки, фазові і структурні перетворення в яких протікають у границях характерних температур. На ділянці навколошовноїзони, що нагріваєть­ся до температури А_сз і вище, відбувається повна перекристалізація металу. Температура A_CJ відповідає кінцю - перетворення сталі

і перетворення сплавів титана. Ділянка повної перекристалізації

включає зону сплавлення, що безпосередньо примикає до шва, і при­лягаючу до неї зону великого зерна. У цих зонах відбуваються найбільші зміни структури і властивостей основного металу, розвивається хімічна неоднорідність, знижується пластичність і можуть утворюватися гарячі і холодні тріщини.

На ділянці зони термічного впливу, що нагрівається в діапазоні температур початку фазових перетворень перліту в аустеніт (критична точка для сталі) і - перетворення для сплавів титана і кінцяфазових перетворень ( ), відбувається часткова перекристалізація металу. Структурні зміни на ділянці неповної перекристалізації в меншій мірі впливають на зміну властивостей основного металу, ніж на ділянці повної перекристалізації.

Ділянка металу, що примикає до ділянки часткової перекристалізації, яка нагрівається від температури початку рекристалізації до температури початку фазового перетворення, називають ділянкою рекристалізації чи відпуску. Зміна властивостей цієї зони залежить від вихідного стану металу й параметрів термічного циклу - максимальної температури нагрівання в зазначеному діапазоні температур й тривалості перебуван­ня при температурі вище початку рекристалізації При зварюванні сталі в стані після термічної чи термомеханічної обробки, що зміцнює, внас­лідок відпуску мартенситу і рекристалізації, міцність зазначеної зони знижується. Найбільше падіння міцності відбувається на границі ділянок рекристалізації і часткової перекристалізації.

Структура і властивості навколошовної зони залежать від складу та вихідного стану сталі і формуються під впливом послідовних процесів фазової перекристалізації при нагріванні, росту зерна і гомогенізації високотемпературної фази і наступного її перетворення при охолодженні.

При зварюванні плавленням конструкційних сталей зі збільшенням швидкості нагрівання температури критичних точок А_с1 і початку інтен­сивного росту зерна сталі підвищуються, діапазон температур А_с]-А_сз розширюється і ріст зерна обмежується. Ріст зерна в навколошовній зоні збільшується з підвищенням температури нагрівання і часу перебу­вання металу у діапазоні температур вище Обмеженню росту зерна сприяє легування сталі карбідотвірними елементами. Час перебування металу у діапазоні температур вище в залежності від технології зварювання може змінюватися від менш 20 секунд (ручне і автоматичне зварювання сталі товщиною до 10 мм) до 30-100 секунд (автоматичне зварювання під флюсом сталі товщиною 15-25 мм) і 600-2000 секунд (електрошлакове зварювання сталі товщиною 100-200 мм). Зі збільшенням часу перебування металу в діапазоні температур вище А_сг підвищується ступінь гомогенізації аустеніта і збільшення зерен. Укрупнення зерен знижує пластичність металу.

У твердому стані при охолодженні в інтервалі температур до 0,6-0,77 існує так званий температурний інтервал крихкості (ТІК), в якому пластичність металу суттєво знижується. При охолодженні темп деформації розтягнення зростає, що може призвести до утворення гарячої тріщини. Імовірність утворення гарячих тріщин залежить від співвідношення трьох факторів: темпу деформації металу в ТІК, пластичності металу в ТІК, значення ТІК. Зі збільшенням пластичності металу в ТІК, зменшенням темпу деформації в ТІК імовірність утворення гарячих тріщин зменшується.

Підвищення опору металу утворенню гарячих тріщин в основному можливе за рахунок металургійних заходів (деформаційні процеси важко піддається оптимізації), а саме шляхом:

• дроблення зерен;

• зниження швидкості охолодження.

Фазові і структурні перетворення також можуть супроводжуватися утворенням холодних тріщин.

Холодні тріщини являють собою локальне міжкристалічне руйнуван­ня металу зварних з'єднань. Вони проявляються, як правило, після пов­ного охолодження зварного з'єднання і мають блискучий кристалічний злам без слідів високотемпературного окислювання. Виникнення холод­них тріщин обумовлено дією трьох основних факторів: 1) структурного стану металу зварного з'єднання (наявності складових мартенситного і бейнітного типів); 2) змісту і розподілу водню в зварному з'єднанні після зварювання; 3) напруженого стану, сформованого зварювальними напру­женнями І роду і структурними напруженнями II роду. Дія основних фак­торів і фізичних процесів, що контролюють утворення холодних тріщин, розрізняється в залежності від системи легування сталей.

Утворенню холодних тріщин у сталі сприяє підвищення: температури нагрівання або швидкості охолодження, концентрації макро- і мікро-напружень. При зварюванні сталей імовірність утворення холодних тріщин у навколошовній зоні вища, ніж при загартуванні внаслідок більш високої температури нагрівання, що призводить до підвищення надлишкової концентрації дефектів і недосконалостей кристалічних ґраток, укрупнення зерна, підвищення концентрації вуглецю у твердому розчині, а отже, зниження температури мартенситного перетворення. У процесі інтенсивного зростання зерна по його границях можлива сегрегація деяких легуючих елементів і шкідливих домішок і в ряді випадків оплавлення легкоплавких фаз і їхнє виділення їх по границях (явище перегріву), що призводить, як правило, до різкого зниження опору утворенню холодних тріщин. Підвищення вмісту водню сприяє збільшенню схильності зварних з'єднань до утворення холодних тріщин. Вплив водню в значній мірі залежить від легування сталей, режиму зварювання і інших факторів, що визначають структурний стан зварних з'єднань.

Підвищення опору утворенню холодних тріщин можливе шляхом:

- регулювання структури металу зварного з'єднання (підвищення попередній підігрів, зниження швидкості охолодження);

• використання зварювальних матеріалів з низькою температурою кристалізації металу шва;

• зниження концентрації водню (прокалка електродів, очищення окрайків і присадкового металу від іржи, мастила і вологи);

• зменшення рівня напружень від зварювання (технологічними та конструктивними засобами).

Крім того, вторинна структура, яка утворилася після повного охолод­ження зварного з'єднання, характеризує остаточні значення показників механічних властивостей металу зварного з'єднання, тобто ступінь механічної неоднорідності. Основним заходом впливу на сформовану структуру з метою поліпшення механічних властивостей металу зварного з'єднання є застосування термічної обробки, яка пов'язана зі структур­ними та фазовими перетвореннями. До такої термічної обробки належать відпал і гартування + відпуск.

Відпал складається з нагрівання металу виробу до температури фазових перетворень (для вуглецевих сталей на ЗО.. .50°С вище від точки приблизно 800°С), витримки при цій температурі (декілька годин) для повного прогрівання та завершення фазових перетворень в об'ємі металу і наступного повільного (разом з піччю) охолодження з метою отримання рівноважної структури (рис. 2.33).

При відпалі в результаті фазової перекристалізації подрібнюється зерно сталі, усувається відманштетова структура, зменшується струк­турна неоднорідність. Цей відпал сприяє підвищенню пластичності та в'язкості металу з одночасним падінням міцності. Різновидом відпалу є нормалізація.

Нормалізація. Нормалізація відрізняється від відпалу тільки швид­кістю охолодження (на повітрі). Прискорене (рис. 2.33), порівняно з від­палом, охолодження викликає дещо більше переохолодження, і тому при нормалізації отримують дрібніше зерно, але твердість і міцність будуть дещо більшими, порівняно з цими показниками, після відпалу.

Гартування. Основною метою гартування є підвищення міцності металу. Ця технологічна операція зводиться до нагрівання, витримки (як і при проведенні відпалу), і охолодження зі швидкістю, що перевершує критичну і забезпечує одержання переважно мартенситної структури. Для забезпечення потрібної швидкості охолодження використовують різні гартівні середовища (воду, масло, розчин органічних сполук тощо).

Загартована сталь після охолодження знаходиться у структурно напруженому стані, є твердою та крихкою. Для зменшення крихкості та структурних напружень, переведення неврівноваженої структури загартованої сталі у рівноважний стан і надання потрібних властивостей (підвищення в'язкості, пластичності, зменшення твердості) сталь після гартування обов'язково піддають відпуску.

Відпуск для поліпшення стану і механічних властивостей після загартування складається з нагрівання до певної температури (нижче від для сталі), витримування при цій температурі із наступним охолодженням до кімнатної температури. Для зменшення структурних напружень сталь нагрівають до температури 120...250°С (низький відпуск). Середній відпуск (нагрівання до 300.. .450°С) забезпечує високу в'язкість та пружність сталі, знижує твердість. Високий відпуск (при 450...680°С) значно знижує твердість, межу міцності при розтягненні, межу текучості, підвищує пластичність та ударну в'язкість.