М. Г. Єфіменко, Н. О. Радзівілова

МЕТАЛОЗНАВСТВО

І ТЕРМІЧНА ОБРОБКА ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ ,

(підручник)

Затверджено Міністерством освіти і науки України як підручник для студентів вищих навчальних закладів зварювальних спеціальностей.

Харків, 2003

УДК 621.791.052 ББК 34.641 91Є

Рецензенти: В. Е. Карпусь, д.т.н., професор кафедри технології машинобудування і верстатів НТУ "ХШ"; А. А. Тімофєєва, д.т.н., професор, зав. кафедрою матеріалознавства та технології виготовлення виробів транспортного призначення УкрДАЗТ.

Автор и: М. Г. Єфіменко, Н. О. Радзівілова (кафедра зварювального виробництва УІПА).

І5ВХ 966-8004-21-3

Металознавство і термічна обробка зварних з’єднань.

Підручник для студентів вищих навчальних закладів зварювальних спеціальностей. М.Г. Єфіменко, Н.О. Радзівілова, Харків, 2003. - 488 с., іл.

В підручнику розглядаються основи металознавства, теорія і практика термічної обробки сталей і сплавів, основи легування сталей і структурні перетворення в них під час зварювання. Велика увага приділяється вивченню сталей і сплавів з особливими властивостями і їх зварюваності.

Табл. 32, іл. 293, бібліогр. 75.

В учебнике рассматриваются основи металловедения, теории и практики термической обработки сталей и сплавов, основи леги- рования сталей и структурнне превращения в них во время сварки. Большое внимание уделяетея изучению сталей и сплавов с особими свойствами и их свариваемости.

© М. Г. Єфіменко, Н. О. Радзівілова, 2003.

І5ВИ 966-8004-21-3

ВСТУП

В профессійній підготовці інженерів зварювального виробництва важливе місце займає курс “Металознавство і термічна обробка зварних з'єднань”, який дає поняття про побудову, властивості, термічну обробку металів і сплавів, а також особливості фазових та структурних перетворень металу шва та зони термічного впливу, що відбуваються під час зварювання виробів, виготовлених з різних марок сталей.

Курс має складну структуру і поділяється на окремі взаємозв'язані частини. В першій частині студенти вивчають основи металознавства, тобто будову і властивості металів і сплавів, процеси кристалізації, дифузії, пластичної деформації, теорію сплавів, основні типи діаграм стану, а також систему “залізо- иуглець”.

При вивченні другої і третьої частин курсу студенти засвоюють загальну теорію термічної обробки та теорію і практику гсрмічної обробки сталей, а також особливості процесів структуроутворення при зварюванні сталей.

В четвертій частині студенти вивчають окремі групи конструкційних сталей, основи легування сталей і сплавів, а також особливості структурних перетворень в них під час зварювання. Велика увага приділяється вивченню сталей з особливими властивостями і іх зварюваності. Отже, при вивченні четвертої частини курсу студенти повинні засвоїти, що під час зварювання різноманітних сталей їх структури в зоні зварного з'єднання суттєво змінюються в залежності від багатьох факторів, у тому числі від хімічного складу, попередньої термообробки, способів зварювання і а їх режимів.

Успішне вивчення курсу “Металознавство і термічна обробка зварних з'єднань” базується на знаннях таких дисциплін як хімія, фізика, вища математика, фізико-хімічні і металургійні основи, , і с-рмодинаміка та опір матеріалів. Знання, одержані в даному курсі, ' використовуються при вивченні •спе'цдйсциплін, у курсовому та дипломному проектуванні, а також в інженерній або інженерно- мгдлгогічній діяльності.

з

4. Характеристики решіток

Кристалічну решітку характеризують, перш за все, параметри а. Ь, с - відстані між центрами найближчих атомів в трьох напрям-

і ;іх X, V, 2, тобто довжина ребер елементарної комірки. Вони нази- наються періодами решітки і виражаються в ангстремах (іА=10'^{4 * * * 8}см) або нанометрах (1нм=10 ⁹см). Для більшості металів періоди ре

шітки знаходяться в границях 0,1-0,7 нм. Параметрами решітки також являються кути елементарної комірки- а, р, у. Для кубічної сис- тсми а = & = сіа = р=у = 90°.

Важливою характеристикою є базис решітки. Він визначає взаємодію атомів в решітці і представляє собою кількість атомів, які

приходяться на одну елементарну комірку.

ІСТОРИЧНИЙ РОЗВИТОК МЕТАЛОЗНАВСТВА І ЗВАРЮВАННЯ

В історії людства ступені розвитку матеріального виробництва, а також і розвитку суспільно-економічних відносин, визначаються, перш за все, матеріалами знарядь виробництва та озброєння. З тієї пори, як людство відкрило для себе метали і способи їх видобутку ,й обробки, пройшло біля семи тисяч років. Спочатку люди навчились добувати і використовувати золото, срібло, мідь, бронзи, а потім залізо і його сплави, які відіграють особливо велику роль в розвитку сучасної цивілізації.

Залізний вік почався десь в перших століттях нашої ери, хоча залізо відомо людству вже біля п’яти тисяч років. Стародавні народи знали, що вироби із заліза набагато міцніші виробів з міді й бронзи, але виготовляти їх було дуже непросто. В прадавні часи залізо цінилося дорожче золота. Залізну вісь для колісниці могли дозволити собі лише царі.

Країною залізної руди називали вдавнині Скіфію. В Причорноморсько-азовському краї існував "залізний" шлях, по якому перевозили залізний товар. На рис.1 показана схема розповсюдження знарядь з різних матеріалів в різні епохи.

Рис. 1. Схема розповсюдження знарядь в різні епохи (за М. А. Фігуровським): кам’яних, мідних, бронзових та залізних.

Йшли століття (і навіть тисячоліття), людство навчилося виплавляти залізо із руд, збагачувати його вуглецем, кувати, зварювати його під ударами молота і загартовувати з метою підвищення міцності і стійкості. Але науки про будову металів і вплив цієї будови на їх властивості не існувало аж до середини XIX століття. Окремі майстри інтуїтивно володіли секретами обробки металів і їх сплавів, які передавались із покоління в покоління, а, інколи, й зникали, якщо майстер не хотів передавати їх нащадкам.

Металознавство, як наука, визначилось тоді, коли в країнах Європи та Америки почала розвиватися металургія, потужна машинна індустрія, морський транспорт, і особливо швидко відбувалось зростання залізничної мережі. Все це, з одного боку, сприяло розвитку торгових зв'язків як всередині капіталістичних країн, так і на світовому ринку в цілому, а з іншого боку вимагало від промисловості підвищення надійності й довговічності діючих механізмів і машин.

Великий вклад в розвиток металознавства, як науки, внесли наші співвітчизники — вчені Росії і Радянського Союзу. Так видатний російський металург П.П.Аносов (1797-185 Ір.р), який працював на Уралі, перший вказав на взаємозв'язок поміж будовою металів, їх хімічним складом і властивостями. В роботі "О булатах", опублікованій в 1841 році, він писав про вплив на властивості сталей таких легуючих елементів, як марганець, хром, титан тощо. Він відкрив секрет виробництва дуже міцних булатних клинків і першим пристосував мікроскоп для вивчення будови металів.

Закон про взаємозв'язок між будовою і властивостями металів знайшов розвиток в роботах Д.К.Чернова (1839-1921р.р.), який працював на Обухівському заводі. Його називають "батьком" металографії заліза, теорії і практики термічної обробки сталі.

В 1868 р. Д.К.Черновим були відкриті основні параметри, необхідні для побудови і вивчення діаграми стану "залізо-вуглець". Він першим вказав на існування в сталі критичних точок і на залежність їх положення від вмісту вуглецю, тобто дав перше уявлення про діаграму "залізо-вуглець".

Ідеї Д.К.Чернова були підтверджені й розвинуті французьким вченим Ф. Осмондом, який вже міг змірювати температуру сталі термоелектричним пірометром і використовував металографічний мікроскоп, створений його співвітчизником Ле-Шатель'є. Він написав в 1895 р. книгу "Про мікроскопічну металографію".

Вивчаючи структуру литих стальних болванок, Д.К.Чернов розвив свої ідеї про кристализацію сталі й центри кристалізації,

виділення газів і зміненим об'єму при переході сталі з рідкого в твердий стан та хімічну неоднорідність сталі. Ці роботи Д.К.Чернова, поповнені основними положеннями термодинаміки, набули великого значення як для науки, так і для виробництва.

Значним внеском в науку про будову і властивості металів були труди Н.В.Калакутського, який вивчав внутрішні напруження в деталях і прийшов до висновку, що, створюючи в деталях благоприємне розподілення внутрішніх напружень (стискаючі напруження на поверхні), можна значно підвищити їх міцність. Цей висновок широко використовується в сучасному машинобудуванні.

Далі наука "Металознавство" почала розвиватись шляхом встановлення зв'язків між перетвореннями в сплавах і загальними законами фізичної хімії і термодинамики.

В Радянському Союзі в період індустріалізації дослідженням в області металознавства і термічної обробки придавали великого значення. В заводських лабораторіях, науково-дослідних та учбових інститутах створювались цілі творчі колективи металознавців. Школами академіків М.С.Курнакова, А.А.Бочвара, Г.В.Курдюмова та іншими були розроблені фізичні методи дослідження, дозволяючі знаходити тонкі відмінності в перетвореннях сплавів.

В 40-50 роках XX століття були створені основи електронної теорії металів (Я.М.Френкель), теорія фазових перетворень в сталях і сплавах під час нагріву і охолодження (А.А.Байков, М.Т.Гудцов, Г.В.Курдюмов, С.С.Штейнберг, В.Д.Садовський), теорія старіння технічного заліза і сталі. Розроблені основи теорії впливу легуючих елементів на структуру і властивості сталі.

Великого значення в розвитку металознавства та термічної обробки набули роботи зарубіжних вчених (Сорбі і Аустена в Англії, Совера, Давенпорта і Бейна в США, Мартенса, Вефера і Гейна в Німеччині та багатьох інших), які займалися розробкою методик металографічного аналізу, створенням апаратури і приладів, розробкою фізичних методів дослідження металів, аналізом і узагальненням експериментальних матеріалів.

Важливим етапом розвитку сучасного металознавства є орієнтація вбік металофізичного направлення, широко використовуючого методи рентгеноструктурного аналізу, електронної мікроскопії.

В машинобудуванні металознавство набуло особливого значення, задовольняючи вимоги конструкторів і технологів.

На основі наукових досягнень в наш час успішно вирішуються практичні задачі пошуку оптимальних хімічних складів металічних сплавів та способів їх виготовлення і обробки.

Створені в XX столітті леговані сталі і сплави з особливими фізичними, механічними і хімічними властивостями складають ту матеріальну базу, на яку спирається прогрес у всіх галузях промисловості, особливо в новій техніці: ракетній, реактивній, газотурбінній, атомноенергетичній, хімічній тощо.

Зварюванням називається технологічний процес утворення нероздільних з'єднань твердих матеріалів шляхом їх місцевого сплавлення аба сумісного деформування, в результаті чого виникають міцні зв'язки між атомами зварюваних матеріалів.

В наш час існує біля 150 способів зварювання і газополум'яної обробки. Отже, слід признати, що сучасне зварювальне виробництво - важлива технологічна галузь техніки, від якої в цілому залежить рівень промислового розвитку країни. У всіх сферах матеріального виробництва широко застосовуються високопродуктивні і економічні види зварювання, наплавлення, паяння, різання, металізації. Зварюванням обробляються майже всі конструкційні матеріали товщиною від десятків мікрон до кількох метрів.

В часи глибокої давнини з'єднання окремих частин виробів в основному виконувались способом паяння. Розвиток ливарної майстерності привів до утворення ливарного зварювання, коли зачищені іі підігріті деталі уміщувалися в спеціальну форму, а місце з'єднання заливалось розплавленим металом. Працею багатьох поколінь майс- ірів був створений спосіб ковальського або горнового зварювання заліза. Суть цього способу в тому, що розжарене м'яке (але не розплавлене) залізо зварюється під ударами молота. З'єднання утворюється в твердому стані металу. Знайдені під час розкопок інструменти, зброя і сільськогосподарчі знаряддя Київської Русі показують, що ковальсько-горнове зварювання в стародавності у нас було єдиною технологією виготовлення всіх виробів із заліза.

В наш час найбільш поширеним способом з'єднання елементів деталей і конструкцій є електродугове зварення плавленням. Необхідне для місцевого розплавлення деталей і присадкового матеріалу тепло утворюється під час горіння електричної дуги між зварюваним металом і електродом. За способом механізації зварювання може бути ручним, напівавтоматичним і автоматичним. Механізов

(напівавтоматичне і автоматичне) зварювання може бути під флюсом, в захисних газах, самозахисним дротом.

До зварювання плавленням відносяться також багато видів, наприклад: електрошлакове зварювання, електоронно-променеве зварювання, газове зварювання тощо.

Електрозварювання, як спосіб з'єднання металів, стало можливим після відкриття в 1802 році електричного дугового розряду професором фізики Петербурзької військово-хірургічної академії В.В.Петровим. Незалежно від нього, але пізніше (1809 р.), електричну дугу одержав англійський фізик Г.Деві.

Для практичного здійснення електричного зварювання металів потрібно було немало зусиль фізиків і техніків, направлених на створення електричних генераторів. Важливу роль мали відкриття і винаходи в області магнетизму і електрики. Перші електромагнітні генератори були створені в 70 роках XIX століття.

В 1882 р. російський винахідник М.М.Беиардос запропонував спосіб з'єднання і роз'єднання безпосередньо діянням електричного струму. Він практично здійснив способи зварювання і різання металів електричною дугою за допомогою вуглецевого електрода. Завдяки М.М.Бенардосу дугове електрозварювання поступово розповсюджувалось в Росії і за кордоном (в Англії, Німеччині). Зварювання вуглецевим електродом має багато недоліків, наприклад, для заповнення шва металом необхідно подавати додатковий (присадковий) метал. Усунув ці недоліки М.Г.Славянов, гірничий інженер і винахідник, який працював на Пермському заводі. В 1888 р. він винайшов спосіб дугового зварювання плавлячим електродом, коли металічний стержень одночасно являється і електродом, і присадковим матеріалом.

М.Г.Славянов розробив технологічні і металургійні основи електродугового зварювання. Він застосував флюс для захисту металу зварювальної ванни від повітря, побудував перший в світі електрозварювальний цех і поклав початок автоматизації зварювальних робіт.

На початку XX століття розвиток електродугового зварювання дещо уповільнився в зв'язку з конкуренцією газового зварювання киснево-ацетиленовим полум'ям. Але, починаючи з 20-х років, ручне дугове зварювання стало основним способом зварювання, поступово витискаючи трудомісткий і металомісткий спосіб клепання.

х

Особливо швидко зварювальне виробництво розвивалось в технічно розвинених країнах - США, Англії, Німеччині. В Радянському Союзі зварювальна техніка відставала, але в 30-х роках вона майже вийшла на передові рубежі завдяки таким вченим, як В.П.Нікітін, Г.А.Ніколаєв, К.К.Хренов й багатьом іншим. Новий етап в розвитку механізованого дугового зварювання почався в 1934 році, коли в Києві був утворений Науково-дослідний інститут електрозварювання Академії наук УРСР під керуванням академіка Є.О.Патона. Спеціаліст в області будування мостів, він бачив в електрозварюванні вирішальний фактор технічного прогресу і багато зробив для того, щоб вітчизняне електрозварювання вийшло на передові рубежі в світі.

Великий вклад в розвиток наукових основ технології електричного зварювання плавленням внесли колективи вчених Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона, МВТУ ім. М.С.Баумана, ІМет ім. А.А.Байкова, ЦНДІВМАШу, ВІЗВу, ВНДІАВТОГЕНМАШу, а також кафедр зварювання багатьох учбових закладів України та Росії.

В наш час зварюють все: від найдрібніших виробів, які розглядають під мікроскопом, до велетенських конструкцій, корпусів океанських лайнерів, космічних кораблів, газопроводів, цистерн нафтосховищ тощо.

Взагалі, біля 70% випускаємого в країні прокату перетворюється в зварні вироби. Широко застосовується зварювання в автомобілебудуванні. Так, сучасний легковий автомобіль має більш 7 тисяч зварних точок. Без зварювання не обходиться спорудження потужних теплових електростанцій, бо парогенераторні труби неможливо Гєднувати ніяким іншим способом, крім зварювання. При цьому в с учасній парогенераторній установці налічується біля 8000 зварних стиків.

Отже, зварювання - це технологічний процес, який набув такого великого значення, що перетворився в окрему галузь промисловості.

Під час зварювання метал в невеликому об'ємі підлягає всім видам металургійної обробки, яка відбувається в певних умовах нагріву і охолодження. Це створює особливі умови структуроутворення в зоні зварного з'єднання, що викликає змінення його механічних випстивостей. В зв'язку з цим в наш час особливо актуальним і важливим є розвиток такої науки, як металознавство і термічна обробка зварних з'єднань.