12.6. Характер изменения пластичности и прочности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке

Механические характеристики сварного соединения — проч­ность и пластичность — в период его формирования определяют вероятность получения бездефектного соединения в такой же степени, как прочностные и эксплуатационные характеристики — степень надежности работы конструкции.

Обычно механические характеристики металла в области высоких температур, достигающих температуры плавления, опре­деляют на специальных установках, включающих в себя нагре­вательное устройство, имитирующее температурный цикл сварки, и механическую часть и оснащенных регистрирующими прибо­рами. Подлежащий испытанию образец нагревают до темпера­туры, при которой необходимо определить его свойства, и нагру­жают, записывая кривые

На рис. 12.39 приведены типичные кривые, характеризующие изменение прочности и пластичности сплавов при высоких тем­пературах. В области нагрева до температур, близких к темпе­ратуре равновесного солидуса , прочность и пластичность сплавов резко падают. Пластичность остается на весьма низком уровне в некотором интервале температур, а затем опять повы­шается. Такое неоднозначное изменение свойств можно объяс­нить, рассмотрев процесс кристаллизации металла из жидкого

состояния.

Исследуемый металл, нагретый до расплавления, охлажда­ется и начиная с температуры в нем образуются зародыши твердой фазы.

До тех пор пока количество твердой фазы неве­лико, металл находится в жидкотвердом состоянии (так опре­деляет эту стадию затвердевания акад. А. А. Бочвар), пластич­ность расплава практически не отличается от пластичности жидкости, так как кристаллы твердой фазы свободно перемеща­ются в жидкости, не ограничивая ее способность перетекать и занимать любую форму (рис. 12.40, а).

П рочность такого жидкотвердого агрегата близка к нулю, т. е. сопротивление деформированию практически отсутствует. Начиная с некоторой температуры, названной температурой верхней границы интервала хрупкости (Г_в._г), металл переходит в стадию твердожидкого состояния, характеризующегося таким увеличением количества твердой фазы, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается. При деформировании происходит заклинивание зе­рен и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластической деформации самих зерен либо смещения их друг относительно друга. Обычно оба эти процесса протекают одновременно. Деформация такого двухфазного агрегата при условии сохранения сплошности в направлении действия сил Р возможна только при смятии отдельных точек контакта зерен (рис. 12.40,б, 1—2, 3—7 и т. д.), поворота прилегающих зерен и их деформации. В ранней стадии такого деформирования не исключена возможность некоторого перетекания жидкости в межзеренные пространства. В случае, если циркуляция жид­кости между зернами нарушена, необходимо, чтобы существую­щие между ними жидкие прослойки сами воспринимали растя­гивающие напряжения. Вероятность такого явления в этой ста­дии затвердевания велика, так как сопротивление разрушению малых замкнутых объемов жидкости может быть весьма значи­тельным. Оно зависит от поверхностного натяжения, температуры и вязкости жидкости. Однако прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше и поэтому, если наступает разрушение, оно происходит по границам зерен, т. е. имеет межкристаллический характер. Пластичность металла, находящегося на такой стадии затвердевания, очень мала — доли процента.

В то же время сопротивление пластическим деформациям с возникновения явления заклинивания зерен и ограничения цир­куляции жидкой фазы начинает возрастать. Если значение де­формации в металле, находящемся в таком состоянии, превысит его деформационную способность, произойдет хрупкое разруше­ние по жидким прослойкам.

С дальнейшим снижением температуры возрастает объемная прочность жидкости, уменьшается ее объем, увеличивается число контактов между зернами. Одновременно с этим повышается и прочность самих границ зерен. При некоторой температуре границы упрочняются настолько, что разрушение начинает про­ходить не по ним, а по телу самих зерен (точка А). Такая темпе­ратура названа эквикохезивной. При этом пластические свой­ства материала возрастают, так как деформация уже не концен­трируется по малым прослойкам между зерен, а воспринимается всем агрегатом в достаточной степени равномерно. Температура резкого возрастания пластических свойств находится ниже тем­пературы равновесного солидуса и носит название нижней грани­цы хрупкости (Т_н.г.). Интервал температур, заключенный между верхней и нижней температурной границами хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости или сокращенно т.и.х.

Кривая пластичности может иметь еще один минимум, рас­положенный в области более низких температур, в частности, в том случае, когда при высоких температурах сварочного цикла происходит значительное перераспределение примесей, из тела зерна к его границам и образуются новые фазы эвтектического характера. У однофазных сплавов могут образовываться новые границы зерен с более высокими уровнями физической или хими­ческой микронеоднородности, приводящей к понижению прочно­стных и пластических свойств. Иногда первый и второй темпера­турные интервалы низких пластических свойств расположены так близко, что могут сливаться, образуя один т.и.х.

Нагрев испытуемых образцов в печи или проходящим током для определения т.и.х. не в полной мере воссоздает специфику с варки. Установлено, что на пла­стичность сварных швов сущест­венное влияние оказывает не толь­ко химический состав, но и схема и характер кристаллизации, глубина проплавления и форма шва, диф­фузионные и ликвационные про­цессы и др. Для комплексной оцен­ки влияния всех этих факторов, присущих шву, полученному свар­кой на исследуемых режимах, при­меняется методика определения пластичности и значений т.и.х., Т_в.г. и Т_н.г. непосредственно на сва­риваемых образцах. Для этого подлежащие исследованию образ­цы собирают в зажимном приспо­соблении испытательной машины таким образом, что правый из них фиксируется неподвижно, а левый может получать в нужный момент сварки перемещение на заранее заданную величину ∆ (рис. 12.41).

Включенный во время сварки деформирующий механизм ма­шины растягивает сварной шов. Изменяя от образца к образцу значение ∆, можно найти такое ∆, при котором появится трещи­на. Максимальная деформация ∆, мм, которая не приводит к образованию трещины, называется предельной и соответствует пластичности Я шва при сварке в данных условиях.

На рис. 12.41 представлено распределение температур по оси шва в момент испытания. Полученная длина трещины, спроекти­рованная на кривую охлаждения, дает возможность определить значение т.и.х., его верхнюю и нижнюю границы. Варьируя силу сварочного тока, скорость сварки, состав присадочного металла или сам способ сварки, можно в комплексе определить влияние каждого из факторов на изменение пластичности в т.и.х. и ширину интервала.

Н а рис. 12.42 приведены кривые изменения пластичности и значения т.и.х. для двух сплавов при сварке.