Влияние отдыха сварных соединений
Свойства металла шва и зоны термического влияния сварных соединений теплоустойчивых сталей в значительной степени зависит от времени и условий вылеживания их после сварки. Как правило, сразу после сварки (через 1...3ч) пластические свойства металла сварных соединений и сопротивляемость их об-разованию холодных трещин являются относительно низкими.
Через некоторое время (через 3...10 суток) при вылеживании при комнат-ной температуре происходит повышение их пластичности и вязкости, а также сопротивление образованию холодных трещин. Повышение пластичности и со-противляемости замедленному разрушению в процессе вылеживания после сварки или после закалки в технической литературе получило название отдыха.
В процессе отдыха не происходит фазовых преобразований, имеют место лишь диффузионные и релаксационные процессы, которые вызывают переход пластической деформации с границ зерен на тело зерна, что и приводит к су-щественному повышению пластичности и сопротивляемости образованию хо-лодных трещин. Гудремон Э. отмечает, что после проведения отдыха стали уменьшается ее електросопротивление, что свидетельствует об упорядочении атомного строения металла. Основным диффузионным процессом является уда-ление диффузионного водорода из металла сварных соединений.
В процессе сварки и на протяжении некоторого времени после ее диффу-зионный водород выделяется из металла шва наружу и в основной металл. Уме-ньшение содержания диффузионного водорода в металле шва и в ЗТВ приводит к весьма существенному повышению пластичности и сопротивляемости его хрупким разрушениям. На рис. 59 приведено изменение вида диаграммы стати-ческого изгиба от времени вылеживания для наплавленного металла типа 10ХН2М.
Рисунок 59 - Изменение вида диаграммы статического изгиба для наплавленного металла типа 10ХН2М от времени вылеживания после сварки:
1 - через 1,5 ч Н2 = 5,7 см3/100 г; 2- через 7,5 ч Н2 = 3,7 см3/100 г;
3- через 25 ч Н2 = 1,5 см3/100 г; 4 - через 4 сут Н2=1,6 см3 /100г
Для наплавки заготовок были использованы влажные электроды.Охлаж- дение заготовок выполнялось на воздухе, одновременно определялось содер-жание водорода. Как видно из рис. 59, с увеличением времени вылеживания диаграмма статического изгиба довольно значительно изменяется. При малом времени вылеживания образцов (1,5...7,5 ч) на диаграмме наблюдаются срывы (при вылеживании 1,5 ч - сразу же за участком упругой деформации). При уве-личении времени вылеживания срывы на диаграмме исчезают.
На рис. 60 показано изменение работы зарождения и распространение трещины, максимальной разрушающей нагрузки и содержания водорода в за-висимости от времени вылеживания.
Рисунок 60 - Влияние времени вылеживания после сварки на содержание водорода, на работу зарождения и распространения трещины и максимальная разрушающая нагрузка для наплавленного металла типа 10ХН2М
Как видно из рис. 60, с увеличением времени вылеживания уменьшается содержание водорода в образцах и соответственно увеличиваются А3.т, А р.т и Рmax. За время вылеживання 96 ч содержание водорода уменьшилось с 5,7 до 0,9 см3/100 г, работа зарождения трещины увеличилась с 2 до 22 Дж, т.е. в 11 раз, работа распространения трещины увеличилась с 15 до 52 Дж/см2, т.е. в 3,5 раза, и максимальная разрушающая нагрузка - с 13,9 до 18,8 кН, т.е.на 35 %. Выделение водорода в процессе вылеживания приводит к полному восстанов-лению пластических и вязких свойств наплавленного металла. В процессе вы-леживания изменяются также механические свойства наплавленного металла.
Как видно из рис. 61, с увеличением времени вылеживания предел теку-чести наплавленного металла типа 10ХН2М практически не изменяется, а до-вольно значительно изменяются относительное сужение и действительное соп-ротивление разрыву Sк. Возрастает также относительное удлинение.
Суть технологической операции отдыха заключается в том, чтобы после окончания сварки сварное соединение не охлаждать до комнатной температу- ры, а выдерживать при повышенной температуре на протяжении некоторого времени.
Рисунок 61 - Влияние времени вылеживания после сварки на механические свойства наплавленного металла типа 10ХН2М при разной скорости охлаждения:
После проведения отдыха, в результате которого повышаются плас-тичность металла сварных соединений и сопротивляемость их хрупким разру-шениям, сварное соединение можно охладить до комнатной температуре, не боясь образования холодных трещин.
Можно сформулировать следующее основное правило для определения оптимальной температуры отдыха. Для предотвращения возможности образо-вания холодных трещин в сварных соединениях в процессе отдыха минималь-ная температура отдыха должна быть равной минимальной температуре сопут-ствующего подогрева, обусловленной по формулам (37), (39) и (40). Другими словами, металл шва ЗТВ в процессе отдыха должен находиться в вязком сос-тоянии.
Продолжительность отдыха, вероятно, следует определять эксперимен-тально. Так, для наплавленного металла типа 04ХНЗМ отдых при температуре 100°С достаточно проводить в течение 4 ч. Для наплавленного металла типа 08ХМФБ отдых при температуре 150°С достаточно проводить в течение 8 ч (табл. 26).
С повышением температуры уменьшается водородная хрупкость и увели-чивается коэффициент диффузии водорода. Это приводит к тому, что с повы-шением температуры водород значительно быстрее удаляется со сварных со-единений. Поэтому для уменьшення отрицательного действия водорода тем-пература отдыха должна быть возможно выше.
Таблица 26 Зависимость свойств наплавленного металла типа 08ХМФБ от времени после сварки
В процессе отдыха металл шва и зоны термического влияния не должен охрупчиваться. На рис. 42-44 показано, что длительная выдержка при 300°С приводит к резкому снижению Аз.т и Рmах, к значительному повышению кри-тической температуры хрупкости - на 30...90°С. При испытании разрывных об-разцов после выдержки при 300°С наблюдается рост предела текучести и твер-дости. При вылеживании при комнатной температуре происходит повышение пластичности и сопротивления хрупкому разрушению наплавленного металла. Однако при вылеживании при температуре 250...300°С наблюдаются рост пре-дела текучести наплавленного металла и снижение работы зарождения тре-щины. Охрупчивание металла шва и металла, который имитирует ЗТВ, после продолжительной выдержки при 250...350°С объясняется термическим старее-нием.
Таким образом, можно сформулировать второе основное правило для вы-бора оптимальной температуры отдыха. Для предотвращения охрупчивания ме-талла шва и ЗТВ в процессе отдыха максимальная температура отдыха не дол-жна превышать нижней границы температурного интервала термического ста-рения, т.е.
(48)
Рекомендуемая оптимальная температура отдыха сварных соединений для ряда сталей приведена в табл. 52.
Влияние содержания водорода на хрупкость наплавленного металла
Водородная хрупкость металла шва и наплавленного металла имеет мно-го общего с водородной хрупкостью стали. Водородная хрупкость стали имеет ряд особенностей и разновидностей, связанных с условиями эксплуатации кон-струкций. В зависимости от условий насыщения стали водородом водородная хрупкость может проявляться по-разному.
Опытами установлено, что с увеличением содержания водорода в нап-лавленном металле уменьшается его склонность к пластической деформации. На рис. 46 показано изменение вида диаграммы растяжения образца Гагарина диаметром 6 мм для наплавленого металла типа 06X1НЗМ при увеличении со-держания диффузионного водорода от нуля до 2,5...3,0 см3/100 г. Образцы ис-пытывались через 2-3 часа после сварки.
Рисунок 46 - Изменение вида диаграммы растяжения для наплавленного металла типа 06Х1НЗМ в зависимости от содержания диффузного водорода (см3/100 г):1-Нсп=0; 2 - Нсп =1,0...1,5; 3 - Нсп = 2,5...3,0
Как видно из рис. 46, с увеличением содержания водорода кривые рас-тяжения совпадают и разрыв происходит на более ранней стадии деформиро-вания при меньшей пластической деформации.
На рис.47 показано изменение вида диаграммы статического изгиба для наплавленного металла типа 10ХН2М в зависимости от содержания диффузи-онного водорода, W 650/550 = 3,6/°С. Образцы испытывались через 1 час после сварки. Как видно из рис.47, при изменении содержания водорода от 1,0 до 7,3 см3/100 г начальные участки диаграммы изгиба совпадают, а разрушения про-исходит на более ранней стадии деформирования.
Рисунок 47 - Изменение вида диаграммы статического изгиба для наплавленного металла типа 10ХН2М в зависимости от содержания диффузного водорода (см3/100 г):1-7 ,3; 2 - 5,2; 3 - 3,6; 4 - 1,5; 5 - 1,0
Как показали проведенные исследования, хрупкость металла шва или нап-лавленного металла, в основном, вызывается диффузным водородом (табл. 20).
Остаточный водород в тех количествах, в которых он обычно находится в наплавленном металле, практически не оказывает влияния на свойства наплав- ленного металла. Естественно встает вопрос, почему диффузионный водород оказывает такое большое влияние и каков механизм его охрупчивания? Для того чтобы понять механизм охрупчивания под действием диффузионного во-дорода, необходимо представить себе, в какой форме он находится в наплав-ленном металле. При комнатной температуре подвижность диффузионного во-дорода необычно велика в сравнении с другими элементами. Как показали про-веденные исследования, коэффициент диффузии водорода для наплавленного металла и зоны термического влияния составляет порядка 10 -5 -10-7 см2/с. Для сравнения коэффициент диффузии углерода и азота в железе при комнатной температуре составляет 2.10 -7 и 8,8.10 -17 см2/с соответственно. Такую боль-шую разность в подвижности диффузионного водорода (10-12 порядков) в железе при комнатной температуре в сравнении с атомами других элементов внедрения можно объяснить тем, что диффузионный водород в наплавленном металле и в ЗТВ, очевидно, находится в виде протонов.
Это косвенно подтверждается тем, что содержание диффузионного водо-рода в металле шва и в наплавленном металле в значительной мере зависит от рода тока и полярности. Высокая подвижность диффузионного водорода также свидетельствует о том, что он находится не в связанном состоянии. Если допус-тить, что диффузионный водород в наплавленом металле находится в виде про-тонов, то становится понятным, почему с такой легкостью водород диффунди-рует со шва в околошовную зону как в процессе сварки, так и на протяжении некоторого времени после сварки, почему он не взаимодействует с дислокаци-ями и почему с увеличением диффузионного водорода не изменяется предел текучести наплавленного металла. Дислокации в железе слишком большие для протонов, чтобы они их могли закреплять и менять предел текучести. Углерод и азот взаимодействуют с дислокациями в железе, и эти элементы способны закреплять их, что приводит к росту предела текучести. Именно взаимодейст-вием растворенного углерода и растворенного азота с дислокациями железа и объясняется термическое старенне и синеломкость.
Механизм охрупчивания наплавленного металла под действием диффу-зионного водорода, видимо, состоит во взаимодействии протона с внешними электронами атома железа. В результате этого взаимодействия ослабляются си-лы связи между атомами в решетке железа, которое выражается в уменьшении эффективной поверхностной энергии. Проведенные исследования подтвержда-ют эту точку зрения. С увеличением содержания диффузионного водорода в наплавленном металле до 6-8 см3/100 г резко уменьшается (в 10-12 раз) работа зарождения трещины и также довольно существенным образом (в 3-4 раза) уме-ньшается работа распространения трещины. При этом также уменьшается коли-чество волокнистой составляющей в изломе и повышается критическая темпе-ратура хрупкости. При сварке остаточный водород может также скапливаться в разных микропустотах металла шва и ЗТВ. В процессе сварки вследствие крат-ковременности процесса и в первые минуты после сварки давление молекуляр-ного водорода в микропорах, вероятно, небольшой и в этот период роль оста-точного (молекулярного) водорода в механизме охрупчивания мала. Однако на протяжении некоторого времени после сварки давление молекулярного водо-рода в микропорах металла шва и ЗТВ повышается. Величина такого давления зависит от концентрации диффузионного ( растворенного) водорода, темпера-туры, времени после сварки и других причин. Давление молекулярного водо-рода в микропорах будет усиливать действие силового фактора и тем самым будет оказывать содействие образованию холодных трещин. Этим и можно объяснить тот факт, что образование холодных трещин в металле шва и ЗТВ под действием водорода происходит через некоторое время после окончания сварки.
Высказываются и другие точки зрения на механизм водородной хрупкос-ти стали и металла сварных соединений. Тем не менее сам факт, что водород, попадая в металл шва и ЗТВ, вызывает временную хрупкость его и иногда дово-льно значительную, что приводит к образованию трещин, не вызывает сомне-ния и есть общепризнанным.
На основании изложенного основным способом уменьшения водородной хрупкости является уменьшение уровня диффузионного водорода в металле шва разными технологическими способами, изложенными выше. Другим спо-собом уменьшения водородной хрупкости является уменьшения скорости ох-лаждения, которое позволяет получить более пластический и менее склонный к водородной хрупкости металл шва и ЗТВ, а также усиливает эффект удаления водорода из металла в процессе охлаждения.
Третьим способом является повышение температуры сопутствующего по-догрева. Повышение температуры до 100...200°С существенным образом сни-жает водородную хрупкость, вызываемую диффузионным и молекулярным во-дородом.
Четвертым способом является проведение отдыха сварных соединений непосредствено после сварки при повышенной температуре, в процессе кото-рого удаляется диффузионный водород.