Лабораторная работа № 8 изучение способов оценки свариваемости сталей
Ц е л ь р а б о т ы: ознакомиться с основными способами определения свариваемости сталей и освоить один из способов применительно к сварке назколегированных сталей.
Краткие сведения о свариваемости
Свариваемость - свойство металлов, характеризующее его способность образовывать для выбранного способа и технологии сварки надежное соединение, отвечающее техническим требованиям чертежа и техническим условиям эксплуатации изделия. Одним из наиболее важных показателей свариваемости является отсутствие горячих или холодных трещин в металле шва и в зоне термического влияния (ЗТВ).
Установлено, что горячие трещины возникают в металле шва в жидко-фазном состоянии при кристаллизации расплава, либо в твердом состоянии при высоких температурах. Холодные трещины образуются после охлаждения сварного соединения, поверхность таких трещин имеет блестящий вид без следов окисления. Холодные трещины являются локальными хрупкими разрушениями сварного соединения, возникающими под действием сварочных напряжений.
При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины возникают в металле шва и в околошовной зоне в следствие:
- неравномерного нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны;
- структурных и фазовых превращений в сварочном соединении в условиях ускоренного охлаждения;
- неравномерной усадки металла шва по его сечению.
Трещины могут иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва.
Способы оценки склонности сталей к образованию холодных трещин могут быть расчетные (без проведения испытаний материалов) и прямые, которые предусматривают сварку технологических проб, либо специальных испытаний сварных соединений.
РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ. Наиболее простым способом является использование уравнений, полученных статистической обработкой экспериментальных данных, например, путем определения углеродного эквивалента:
Сэкв = С + Мn/6 + Si/24 + Ni/10 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 + 5 B,
где указаны символы элементов и их процентное содержание.
Стали, у которых Сэкв 0,45, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин вследствие образования при сварке закалочных структур.
Показателем, указывающим на охрупчивание стали из-за структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Для углеродистых и низколегированных сталей твердость ЗТВ не должна превышать HV 350. Возможную максимальную величину твердости определяют по формуле:
HVmax = 90 + 1050 C + 47 Si + 75 Mn + 30 Ni + 31 Cr.
Если предварительная оценка свариваемости указывает на склонность стали к образованию холодных трещин, то применяют предварительный подогрев свариваемого изделия. Температуру предварительного подогрева рассчитывают по формуле:
где Соб - общий эквивалент углерода, он определяется по формуле:
Соб = Сэкв + Сs.
Величина Сs учитывает толщину свариваемой конструкции (S, мм) и определяется из уравнения:
Сs = 0,005 S C'экв.
Аналогичные расчеты проводятся и при оценке чувствительности сталей к образованию горячих трещин.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ. Эти методы основаны на доведении металла ЗТВ или металла шва до образования холодных трещин под действием остаточных сварочных напряжений. После сварки образцы выдерживают при комнатной температуре в течение 20 ч. Количество образцов 3-5 штук. Контроль сварного соединения проводится периодически путем визуального осмотра, в конце испытания трещины выявляют с помощью неразрушающих методов контроля или металлографическим анализом. В качестве примера на рис. 5.24 приведен эскиз образца технологической пробы на свариваемость для оценки склонности стыковых соединений толщиной 2-6 мм к образованию холодных трещин в металле ЗТВ и шва. Образец представляет плоскую квадратную пластину с круглым отверстием, в которое вваривают диск переменного диаметра D. Сварку образцов проводят в зажимном приспособлении, образцы из которого освобождаются после их охлаждения до 150 С.
За показатель склонности к образованию холодных трещин принимают толщину металла и диаметр кругового шва, при котором образуются трещины.
Чтобы определить допустимые параметры режима сварки используют также метод валиковой пробы (по ГОСТ 13585-68). Сущность метода заключается в формировании валика при сварке сплошной либо составной пластины при режимах сварки, соответствующих определенным значениям погонной энергии (q/Vсв), то есть при определенной скорости охлаждения о. После сварки определяют ударную вязкость КСU, критическую температуру хрупкости (порог хладноломкости Т50), угол изгиба, твердость и микроструктуру околошовной зоны и ЗТВ.
Рис. 8.1 Технологическая проба на свариваемость (ГОСТ 26388-84)
При оптимизации режима сварки сталей, склонных к образованию в зоне термического влияния бейнитной, либо мартенситной структуры, рекомендуется использовать сплошной образец. Он представляет пластину заданной толщины, ширина пластины 220-250 мм, длина 400-600 мм. Вдоль продольной оси наплавляют валик с определенной глубиной проплавления. Изготавливают обычно серию из трех пластин с наплавкой валика по трем режимам. Затем измеряют распределение твердости в ЗТВ. По номограммам, приведенным в стандарте (ГОСТ 13585-68) определяют скорости охлаждения в интервале минимальной устойчивости аустенита для различных значений погонной энергии. Последующая разрезка пластин, определение механических свойств в совокупности с данными о твердости по значениям величины о позволяют назначить допустимый интервал режима сварки.
Погонную энергию определяют как отношение q/Vсв, где q = Iсв Uсв, Вт ( - эффективный КПД сварки, для сварки под флюсом = 0,8-0,95).
В правильности проведенных расчетов можно убедиться, сверив полученные значения о с расчетными для исследуемой марки стали.
Оборудование и материалы
Сварочный пост электродуговой сварки; нагревательная печь; приборы для измерения твердости по Виккерсу и Роквеллу; механический пресс; устройство для испытания на изгиб; коллекция пластин из низколегированной стали.
Порядок проведения работы
Каждый студент, получив индивидуальное задание (три пластины из углеродистой стали с различным содержанием углерода), рассчитывает значение углеродного эквивалента Сэкв для каждой марки стали и максимально возможную твердость в зоне термического влияния HVmax. После анализа полученных результатов проводит наплавку валиковых проб, визуально оценивает качество сварки. Затем измеряет твердость ЗТВ, определяет ее максимальное значение для каждого режима сварки и испытывает образцы на изгиб до появления первой трещины.
Размеры образца на изгиб должны соответствовать требованиям ГОСТ 6996-66 тип ХХУПа (в = 20 мм; L = 250 мм; S = 10 мм; диаметр оправки D = 20 мм; диаметр роликов d = 20 мм; расстояние между роликами l = 50 мм). Предел прочности при изгибе определяется по формуле:
,
МПа
где Р - усилие, соответствующее появлению первой трещины, Н.
Результаты заносятся в протокол (табл. 8.1).
Таблица 8.1
Расчетные параметры |
№№ вали- ков |
q/Vсв, Дж/см |
о, град/с |
Механические свойства |
|||
Сэкв, % |
HV, МПа |
в, МПа |
, град |
HV, МПа |
|||
|
|
1 2 3 |
|
|
|
|
|
Содержание отчета
1. Дать понятие свариваемости, привести расчетные и технологические методы оценки свариваемости.
2. Привести эскизы технологических проб на свариваемость.
3. Привести результаты расчета Сэкв и HVmax.
4. Заполнить протокол испытаний.
5. Проанализировать результаты экспериментов и сделать выводы по оптимизации режима сварки исследуемой стали.
Контрольные вопросы
1. Рассказать о расчетном методе оценки свариваемости сталей.
2. Описать сущность проведения технологических проб на свариваемость.
3. Зачем применяется валиковая проба?
4. Что характеризует показатель о?
5. Как определить необходимую температуру подогрева для улучшения свариваемости стали?
6. Как измерить твердость в сварном соединении?
7. Какое значение Сэкв является предельно допустимым, приводящим к образованию холодных трещин?
8. Какая максимальная твердость допускается в зоне термического влияния?
9. Какими способами можно повысить характеристики механических свойств сварного соединения?