1.2 Особенности нагрева металла при электрической
и газовой сварке
Нагрев при дуговой сварке. Электроэнергия сварочной дуги превращается в дуговую. Тепловая мощность дуги составляет 0,24 U·I кал/с, где 0,24 кал/Вт·с – коэффициент перевода из электротехнических единиц в тепловые; U·I – напряжение и ток дуги.
Эффективная (действующая) тепловая мощность дуги всегда меньше ее полной мощности на величину непроизводительных потерь тепла в окружающую среду, разбрызгивание, нагрев электрода и т. д.
Эффективный коэффициент полезного действия показывает, какая часть тепла используется на расплавление металла – Кэ. При сварке металлическими электродами Кэ = 0,7…0,75; при сварке под флюсом Кэ = 0,8… 0,95.
Нагрев при электрошлаковой сварке осуществляется за счет расплавленного, сильно перегретого токопроводящего шлака, который находится в зазоре между свариваемыми деталями. Температура шлака превышает 2000 0С. При прохождении электрического тока от электрода к расплавленному металлу происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая мощность, так же, как и при электродуговой сварке, равна 0,24 U·I кал/с. Почти вся электрическая мощность расходуется на расплавление шлака, электрода и кромок основного металла.
Нагрев газокислородным пламенем. Газокислородное пламя применяется для сварки, резки, наплавки и пайки металлов уже более ста лет. Основное значение в процессе сварки имеет ацетиленокислородное пламя. Наивысшая температура ацетиленового пламени сосредоточена на небольшом участке, на расстоянии 2…5 мм от конца ядра и составляет 3100…3200 0С. Участок пламени с этой температурой и используется при газовой сварке (рис. 2).
Газовое пламя является рассредоточенным источником теплоты, поэтому нагревает металл плавнее, медленнее, чем сварочная дуга, образуя при этом сравнительно широкую зону термического влияния около шва, ослабляя сварное соединение.
1 – ядро пламени; 2 – восстановительная зона; 3 – факел пламени
Рисунок 2 – Сварочное пламя
2 Основные методы исследования металлов
Металловедение как научная дисциплина возникла на базе большого объема экспериментального материала, полученного в результате исследований и испытаний, с последующим обобщением и теоретическим анализом результатов. Поэтому в металловедении большое значение придается методам исследования металлов. Все многообразие этих методов принято делить на три группы:
структурные методы исследований;
методы физических исследований;
механические методы испытаний.
2.1 Структурные методы исследований
Они заключаются в исследовании структуры, под которой понимают форму, размеры и характер взаимного расположения фаз, образующих металлы и сплавы. В зависимости от величины объема металла, одновременно изучаемого при структурном анализе, различают макроскопический, микроскопический и рентгеноструктурный анализы.
Макроскопический анализ (или макроанализ) заключается в изучении структуры металла невооруженным глазом или при небольших увеличениях (до 30 раз). В этом случае структуру называют макроструктурой. Чаще всего для ее изучения подготовленный образец шлифуют, а затем подвергают травлению (воздействию) различными реактивами, чаще всего растворами кислот. Объект для макроанализа называют темплетом или макрошлифом.
Микроскопический анализ заключается в изучении структуры при достаточно больших увеличениях. В этом случае структуру называют микроструктурой. Применяются два метода микроанализа: изучение микроструктуры с помощью оптического микроскопа и электронного микроскопа. Подготовленный образец называется микрошлифом. Его подготовка состоит из ряда операций, включающих шлифование и полирование до получения зеркальной поверхности. Это необходимо для обеспечения наибольшей отражательной способности, т.к. металл, как непрозрачное тело, рассматривается под микроскопом в отраженном свете. Такой микрошлиф обычно изучают под микроскопом дважды: первый раз – непосредственно после полирования. В этом случае исследуются форма, размеры и количество неметаллических включений, раковины, поры и др. микродефекты. Для обнаружения структуры микрошлиф после полирования подвергают травлению, т.е. воздействию различных реактивов. Например, для выявления структуры сталей и чугунов шлиф травят в 4%-ном растворе азотной кислоты в спирте. Микроструктура показывает зерновую структуру, форму и размеры структурных составляющих. Разрешающая способность оптического микроскопа, т.е. минимальная величина объекта (элемента структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм. Полезное увеличение достигает 1000 раз.
Если в качестве луча применять поток электронов, у которых длина волны значительно меньше длины волны света порядка (0,04...0,12)х10-1нм, то разрешающая способность достигает 0,2...0,5 нм. В этом случае готовят не микрошлиф, а специальный объект – фольгу или реплику. Применяют два вида электронных микроскопов: просвечивающие (ПЭМ) и растровые (РЭМ). Структура, выявленная с применением электронного микроскопа, называется субструктурой, или тонкой структурой.
Рентгеноструктурный анализ широко используется для исследования взаимного расположения атомов в металлах. Метод основан на том, что кристаллическая решетка металлов, характеризующаяся закономерно правильным расположением атомов, является дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. По дифракционной картине с большой точностью определяют не только взаимное расположение атомов, но и точное расстояние между ними.