Задача№ 2

Цель работы - определение структурного состояния и механических свойств металла шва и зоны термического влияния расчетны­ми методами.

Краткие теоретические сведения

Свойства и работоспособность сварного соединения зависит в значи­тельной мере от размеров и структурного состояния зоны термического вли-яния (ЗТВ). При этом наибольшую опасность с точки зрения эксплуатацион-ной надежности сварного соединения представляет участок ЗТВ прилегаю-щий непосредственно ко шву - околошовный участок ЗТВ. При­менительно к низколегированным сталям для определения структуры око­лошовного участ-ка ЗТВ может быть использована диаграмма (рис. 2).

Химический состав стали диаграммой учитывается с помощью экви­валента углерода

C_э = С +Mn/6 + Si/24 +Ni/10 +Cr/5 +Mo/4 +V/14 (2.1)

Диаграмма рассчитана на следующие концентрации легирующих элементов в стали, %: С < 0,45; Мn < 1,80; Si < 1,40; Ni < 2,0; Mo < 0,40;

V < 0,12; Cr<2,0. Скорость охлаждения определялась при температурах 873-773К. На диаграмме выделены три структурные области: ферритно-перлитная Ф+П, область ПР про межуточного превращения (феррит + пер­лит + бейнит + мартенсит, феррит + бейнит + мартенсит или бейнит + мар­тенсит) и мартенситная М.

Рисунок 2 -Диаграмма для определения структуры околошовного участка ЗТВ углеродистых и низколегированных сталей

Поскольку в области Пр всегда существует мартенсит, то она разделе-на на 2 участка: М < 50 % и М > 50 %. Граница между этими участками пока-зана в виде узкой зоны, для которой можно считать М = 50 %. Приведенная диаграмма дает лишь качественное пред­ставление о структуре околошовного участка, тем не менее ею удобно пользоваться при разработке технологичес-ких процессов сварки.

Экспериментальное определение количества структурных состав­ляю-щих околошовного участка конкретной марки стали с построением диаграмм является самым точным, но и самым трудоемким способом. По­этому, приме-нительно к низколегированным сталям разработаны расчет­ные методы опре-деления количества структурных составляющих в околошовном участке ЗТВ. Эти методы следует считать ориентировочными, по­скольку они не в состоя-нии учесть металлургические особенности выплав­ки отдельных марок сталей и тонкости высокотемпературного превраще­ния аустенита при сварочном нагреве.

Для определения количества мартенсита М и ферритно-перлитной сме-си ФП пользуются уравнениями:

где - скорость охлаждения в интервале температур 873-773 К, град/с; определяется по формулам 2.7-2.10.

Км, К_фп, n_м, n_фп, - расчетные коэффициенты, определяемые по вы-ражениям 2.3-2.6, где – критические скорости охлаждения, соответствующие образованию 5 и 90% мартенсита;

– критические скорости охлаждения, соответст­вующие об-разованию 5 и 100% феррито-перлита;

Для (2.7) и (2.8) эквивалент углерода определяется следующим обра-

зом

При образовании мартенситных структур всегда наблюдается оста­точное содержание аустенита. Оно невелико и может быть принято рав­ным 5%. Тогда содержание бейнита в околошовном участке, %

Б = 100 – (М+5).

При ферритно-перлитной структуре содержание бейнита определит­ся как дополнение до 100%.

Температуры начала Т_мн и конца Т _м.к мартенситного превращения для легированных сталей приблизительно могут быть найдены по регрес­сионным уравнениям:

Т_мн = 804,50 – 313,13 С – 89,71 Мn – 44,69 Si Ni – 680,88 С V –-

– 5,37 Сr² + 30,50Мn² + 15,01 Сr.

R = 0,859; (2.12)

Т_мк = 678,18 – 1224,86 С – 120,28 Ni – 51,63Мn² – 17,96 Мn Мо –-

– 67,42 Сr • V – 304,52 Si Cr+ 590,89 С Сr + 65,16Мn Ni +55,26 Si +

+ 492,00 С Мn + 88,57 S i Ni + 6,81 Ni²;

R = 0,801; (2.13)

Т_{мн =} 539 – 423С – 30,4 Мn – 17,7 Ni - 12,1 Сr -7,5 Мо,⁰С (2.12)^/

Т_мк = 346– 474 С – 17 Ni – 33Мn ––- 17Сr -21 Мо,⁰С (2.13)^/

Время пребывания металла в интервале заданных температур может быть рассчитано через безразмерные критерии времени

Из теорети­ческих основ сварки известны выражения

основании этих зависимостей можно построить номограмму для определения

(3.13)

(3.14)

где t_3н и t_2н – длительность пребывания металла выше заданной тем-пературы, соответственно, при наплавке быстродвижущимся источником нагрева и при однопроходной сварке пластины встык линейным источником тепла, с;

К₁– коэффициент, определенный по номограмме(рис. 3.1)в зависимости от значения безразмерного критерия Т - Т_н / Т_max -Т_н; Т_н = Т_о

Т – температура, длительность пребывания металла выше которой опре-деляется, ⁰С

T_m –максимальная температура нагрева металла, ⁰С;

Т_о – температура металла перед сваркой, ⁰С;

Номограммы приведены на рис.3.1.

Рисунок 3.1 – Номограммы для определения К₁ и К₂ при однопроходной сварке

Для определения длительности пребывания тела выше данной темпера-туры необходимо вычислить величину- - для интересующей точки тела, отложить ее на горизонтальной оси номограммы на рис.3.1, а затем по соответствующей кривой найти на вертикальной оси К₁ или К₂. Подставив указанные значения в выражение (3.13) или (3.14), находим числен­ное зна-чение t _3н или t_2H.

Пример. Определить длительность пребывания выше 1000 °С точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (Т = 1500°С ) при электрошлаковой сварке плит = 800 мм; q = 130000 дж/сек; v = 0,3 м/ч = 0,0083 см/сек..

Таблица 2.1 Химический состав металла шва

Вари-ант	Химический состав металла шва,%
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	V	Ti	Al	Nb	Co	W	Cu	Zr
1	0,10	1,0	0,3	1,0	1,0	1,0	0,02	-	-	-	0,4	-	-	-
2	0,12	0,9	0,4	0,8	1,5	0,7	-	0,05	0,04	0,3	0,3	-	-	-
3	0,14	0,5	0,2	1,5	0,5	0,8	-	-	-	-	0,5	0,5	0,4	0,02
4	0,16	0,3	0,2	0,3	0,2	0,5	0,1	0,04	-	-	0,4	-	0,4	0,02
5	0,17	0,2	0,3	0,2	0,2	0,3	0,5	0,03	0,03	0,2	-	-	-	-
6	0,2	0,4	0,2	0,1	0,3	1,2	0,5	0,02	0,02	0,1	-	-	-	-
7	0,19	0,8	0,6	0,9	0,2	0,3	0,3	0,01	0,01	0,1	0,5	-	0,1	-
8	0,18	0,6	0,5	1,0	0,5	0,7	0,15	0,05	-	-	0,3	0,4	0,3	0,01
9	0,16	0,5	0,6	1,2	1,1	0,5	0,4	0,02	0,02	0,3	0,1	0,6	0,2	-
10	0,15	0,6	0,4	1,5	1,5	-	-	-	0,05	0,3	0,4	0,4	0,3	0.03
11	0,12	0,8	0,5	0,3	0,3	-	-	-	-	0,3	0,1	0,3	0,4	0,02
12	0,10	0,4	0,3	1,0	1,5	1,0	0,01	-	-	-	0,2	0,3	-	0,01
13	0,15	0,5	0,2	1,3	0,9	0,7	0,3	-	-	-	-	-	0,2	-
14	0,2	0,7	0,4	1,7	0,6	-	0,4	0,03	-	0,1	-	-	-	-
15	0,18	1,1	0,7	0,6	1,2	0,6	-	0.01	-	-	-	-	0,3	-
16	0,10	1,0	0,3	1,0	1,0	1,0	0,02	0,05	0,04	0,3	0,3	-	-	-
17	0,12	0,9	0,4	0,8	1,5	0,7	0,1	0,04	-	-	0,4	-	0,4	0,02
18	0,14	0,5	0,2	1,5	0,5	0,8	-	0.01	-	-	-	-	0,3	-
19	0,16	0,3	0,2	0,3	0,2	0,5	0,1	0,04	0,04	0,3	0,3	-	-	-
20	0,19	0,8	0,6	0,9	0,2	0,3	0,3	0,01	0,01	0,1	0,5	0,3	-	0,01
21	0,15	0,6	0,4	1,5	1,5	0,5	0,4	0,02	0,02	0,3	0,1	0,6	0,2	-

Продолжение таблицы 2.1

Вариант	S	P	[N2]	[O2]	Время охлаждения,с
1	0,02	0,02	0,007	0,005	20
2	0,01	0,03	0,01	0,06	10
3	0,01	0,02	0,015	0,05	15
4	0,02	0,01	0,012	0,03	18
5	0,03	0,01	0,018	0,022	19
6	0,02	0,01	0,035	0,04	21
7	0,03	0,02	0,02	0,01	23
8	0,03	0,03	0,03	0,027	25
9	0,01	0,01	0,01	0,01	27
10	0,02	0,02	0,021	0,015	29
11	0,01	0,01	0,025	0,055	32
12	0,01	0,01	0,010	0,012	35
13	0,015	0,02	0,019	0,035	23
14	0,031	0,018	0,028	0,018	28
15	0,021	0,03	0,035	0,02	30
16	0,02	0,01	0,012	0,03	18
17	0,03	0,02	0,02	0,01	23
18	0,02	0,01	0,035	0,04	21
19	0,02	0,02	0,021	0,015	29
20	0,02	0,02	0,007	0,005	20
21	0,01	0,03	0,01	0,06	10