14. Сварочная текстура и ее влияние на свойства сварных соединений.

Текстура - это преимущественная ориентация отдельных кристаллитов в жидких кристаллах.

Металлическая текстура связана тем, что при значительной деформации зерна, неметаллические включения, расслоения и другие элементы структуры принимают вытяннутую форму вдоль основного направления течения металла.

Термическое воздействие, например, при сварке так же влияет на текстуру металла. На разных участках сварного соединения

Обычно предполагают, что свариваемый металл изотропен, т.е. его механические свойства одинаковы во всех направлениях. На практике используемый металл анизотропен, т.е. его механические свойства зависят:

от направления приложения нагрузки;

от текстуры (расположение и строение кристаллитов).

Различают текстуру проката, волочения и других видов обработки, связанных с деформированием металла. Металл сварного шва имеет сварочную текстуру.

1 – преимущественное направление роста кристаллитов;

2 – кристаллизационные слои;

3 – физические неоднородности;

4 – химические неоднородности.

Сварочная текстура образовывается в процессе первичной кристаллизации. Она определяется направлением преимущественного роста кристаллитов, кристаллизационными слоями, физическими и химическими неоднородностями.

15. Механизм образования горячих трещин при сварке.

Склонность наплавленного металла к образованию горячих трещин увеличивают сера (в результате образования сульфидов FeS, MnS+ + FeS), углерод, кремний, водород и др. Чисто аустенитные швы чаще, чем швы частично ферритные, подвержены горячим трещинам. Введение в аустенитные швы молибдена, ванадия и титана устраняет горячие трещины в сталях аустенитного класса с повышенным содержанием легирующих элементов.

Горячие трещины образуются в процессе первичной кристаллизации, поэтому их называют иногда кристаллизационными трещинами. Выделяющиеся из затвердевающего металла примеси образуют легкоплавкие прослойки между кристаллитами. В то же время при охлаждении металла его объем уменьшается, в нем возникают растягивающие напряжения. Пока прослойки между кристаллитами еще жидкие, под действием этих напряжений кристаллиты легко смещаются относительно друг друга. Но при последующем охлаждении прослойки примесей затвердевают. Их прочность в это время значительно ниже прочности металла кристаллитов, прослойки разрушаются, образуются трещины. Отсюда вытекают три внешних признака горячих трещин, по которым их можно определить при внешнем осмотре сварного шва. Во-первых, горячие трещины всегда располагаются по границам зерен, значит, они не прямолинейные, а извилистые. Во-вторых, они могут образовываться, только если металл хотя бы частично расплавляется, значит, они могут располагаться только в металле шва или около шовной зоны. В-третьих, они образуются при высоких температурах, значит, поверхность металла внутри трещины окисляется на воздухе и в изломе трещины должны быть видны цвета побежалости. Склонность металла сварного соединения к образованию горячих трещин зависит от химического состава металла шва, формы шва и режима сварки, определяющего скорость охлаждения металла. Некоторые из легирующих элементов (например, хром) могут уменьшать, а некоторые (например, никель) - увеличивать склонность металла к горячим трещинам. Для сталей и жаропрочных сплавов влияние основных элементов можно оценить приближенно по отношению эквивалентного содержания хрома Сгэ и никеля Ni3: Сгэ = Сг + Мо + 2А1 + 2Ti + Nb | W | 0,5Та + l,5Si; Ni31 Ni +30С + 12В + Со + 0,5Мп. Здесь суммируются процентные содержания легирующих элементов в данной стали или сплаве. Если Сгэ/ Ni3 > 1, то данный материал не склонен к образованию горячих трещин, и наоборот. . Следовательно, для повышения технологической прочности можно регулировать состав металла шва, выбирая электродный или присадочный металл, содержащий больше легирующих элементов, увеличивающих Сгэ, если это не ухудшит заданные свойства сварного соединения. Форма шва определяет преимущественное расположение ликвационных прослоек между столбчатыми кристаллитами по отношению к растягивающим напряжениям, возникающим при усадке металла, а также величину этих прослоек. Узкий шов с глубоким проплавлением наиболее склонен к образованию горячих трещин. Столбчатые кристаллиты в нем растут навстречу друг другу, образуя в центре шва обширную ликвационную прослойку, которая расположена поперек преимущественного направления напряжений. При увеличении коэффициента формы шва \|/при увеличении ширины шва с той же глубиной проплавления кристаллиты располагаются под углом к оси шва и смыкаются только в верхней его части. Ликвационные прослойки невелики и расположены под углом к направлению напряжений. Стойкость такого шва против горячих трещин увеличивается, но при дальнейшем увеличении коэффициента формы шва вновь может снизиться, так как увеличиваются размеры ликвационных прослоек. Оптимальна форма шва с коэффициентом \|/ = 3...7. Уменьшить склонность сварных швов к горячим трещинам можно, уменьшая скорость сварки. При этом уменьшается скорость охлаждения, напряжения в металле нарастают медленнее, металл межкристаллитных прослоек успевает деформироваться без разрушения, трещины не образуются. Тот же эффект можно получить, подогревая детали перед сваркой до температуры 300... 400 °С. Наиболее эффективное средство борьбы с горячими трещинами это создание в сварочной ванне условий для образования мелкозернистой структуры с минимальной химической неоднородностью. Способы создания такой структуры рассмотрены в разд. 1.4.

При кристаллизации металл сварочной ванны проходит через несколько состояний от жидкого до твёрдого. Полностью кристаллизация происходит в некотором интервале температур. Одной из границ которого является температура возникновения в жидкости скелета (остова) твёрдой фазы, а другой – температура солидуса. Этот интервал называется эффективным интервалом кристаллизации.

h - вязкость;

1/h - текучесть;

e - деформация;

d - пластичность;

Т₁ – температура начала образования скелета кристаллита и начала деформации кристаллизующегося металла;

Т_э – эквикохезивная температура;

Т_с, Т_л – температура солидуса и ликвидуса;

Т₂ – верхняя температурная граница температурного интервала хрупкости (ТИХ);

a₂ > a₁ – коэффициент линейного расширения.

На участке между Т_л и Т_с пластичность металла будет определяться либо вязкостью, либо текучестью жидкой прослойки между зёрнами металла. Т.е. при уменьшении температуры текучесть уменьшается, а вязкость увеличивается. После Т_с межзёренные прослойки затвердевают и их пластичность d начинает увеличиваться до максимального значения для этого сплава. Прочность прослойки также увеличивается. Температуру, при которой прочность металла становится больше, чем возможные напряжения в нём, называют эквикохезивной. Чем больше d, тем лучше материал способен выдерживать напряжения. Происходит деформация межзёренных прослоек и сварочные напряжения снимаются (релаксируются).

Во время кристаллизации может наступить такой момент, когда текучесть жидкой прослойки, заключённой внутри скелета твёрдых кристаллитов уже мала, а прочность кристаллитов ещё недостаточна. В этом случая прослойка разрушается, появляются трещины. Т.о. область температур в которой способность кристаллитов металла деформироваться минимальна называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). При температурах меньше ТИХ прочность и пластичность возрастают. Напряжение в металле возникает вследствие деформации усадки, вызванной изменением объёма металла при охлаждении. Сама деформация e зависит от коэффициента линейного расширения и от разности температур в металле и среде.

Усадка начинается при некоторой температуре Т₂. Если кристаллизуется сплав с небольшим a, то максимальная деформация может быть меньше деформационной способности. Трещины не образуются. Если a велик, величина деформации усадки больше деформационной способности то металл разрушается, образуются трещины.

Может случиться, что трещина образуется в тот момент, когда между кристаллитами имеются участки жидкой эвтектики (жидкой фазы с большим содержанием легирующих элементов). Тогда эта жидкость зальётся в трещину, происходит ”залечивание” трещины. В отличии от кристаллизационных, полигонизационные трещины не залечиваются (т.к. нет жидкости).

Внешние признаки горячих трещин.

1. Горячие трещины почти всегда располагаются в металле шва. В околошовной зоне они могут быть тогда, когда в ней сильно оплавлены границы зёрен основного металла (сварка разных толщин).

2. Поверхность металла внутри трещины окислена (цвета побежалости).

3. Разрушение идёт всегда по границам зёрен (трещина извилистая и даже разветвлённая).

Меры по уменьшению склонности сварных швов к образованию горячих трещин.

1. Основными факторами, влияющими на процесс образования горячих трещин, являются величина и темп нарастания растягивающей деформации при кристаллизации.

2. Форма сварочной ванны.

3. Величина и направление первичных кристаллитов.

4. Химический состав сварочного материала.

Изменяя эти факторы можно управлять склонностью металла шва к горячим трещинам. Однако, все эти факторы взаимосвязаны. Ослабление действия одного усиливает действие другого.