Трещины

В зависимости от причин и механизма образования трещины сварных соединений делятся на две группы: горячие и холодные.

Горячими называются трещины, которые образуются при высоких температурах в процессе кристаллизации сварного шва или сразу после его окончания.

Холодные трещины образуются в сварном соединении при относительно низких температурах, обычно ниже 200⁰С.

Горячие трещины. Основной причиной образования горячих трещин является неблагоприятное соединение двух факторов. Первый фактор - пониженная деформационная способность металла шва при высоких температурах. Это связано с тем, что образующаяся кристаллическая структура не может выдерживать большие нагрузки, так как способность металла пластически деформироваться при высоких температурах очень низкая.

Второй фактор - возникновение растягивающих напряжений в металле шва при охлаждении, которые влияют на непрочную кристаллическую струк-туру шва и могут ее разрушить. Если минимальная деформационная способ-ность металла наблюдается при той же температуре, при которой действуют максимальные деформации от растягивающих напряжений, происходит об-разование горячих трещин.

Диапазон температур, в котором наблюдается минимальная деформаци-онная способность металла, называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). Температурный интервал хрупкости состоит, в общем случае, из трех участков, которые отличаются друг от друга температурой, при которой плас-тичность металла минимальная (рис. 2.9). В зависимости от того на котором из этих участков происходит образование горячих трещин, их делят на три вида: кристаллизационные, подсолидусные и дисперсного твердения.

Т_л и Т_с - температуры ликвидус и солидус; δ - пластичность металла шва:

Т_в и Т_н - верхняя и нижняя границы ТИХ; δ₁₁ - запас пластичности в ТИХ₁₁

Рисунок 2.9 - Изменение механических свойств стали в процессе

кристаллизации шва и следующего охлаждения

Кристаллизационные трещины образуются в температурном интервале ТИХ₁ обычно между температурами ликвидуса Т_л и солидуса Т_с. Процесс кристаллизации металла может быть пояснен рис. 2.10. Выше температур линии ликвидуса сталь находится в жидком состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса имеется жидкая и твердая фаза, а ниже солидуса - твердая фаза.

Рисунок 2.10 - Структура и свойства металла при высоких температурах

При охлаждении металла до температуры Т_л состояние жидкости не пре-терпевает заметных изменений. Жидкий металл имеет высокую способность деформироваться под действием механических напряжений, так как жидкость растекается по поверхности тонким слоем без образования разрывов или тре-щин.

Ниже температуры Т_л жидкость начинает кристаллизоваться. Состояние двухфазного металла с небольшим количеством твердой фазы является жидко-твердым, она ведет себя как жидкость и сохраняет довольно высокую пластич-ность. При дальнейшем снижении температуры количество твердой фазы уве-личивается и металл переходит в твердо- жидкое состояние. Твердая фаза на-чинает образовывать кристаллический дендритный каркас и пластичность ме-талла уменьшается. Особенно заметно уменьшение пластичности вблизи линии солидуса, когда в металле остается мало жидкой фазы и затрудняется ее пере-мещение в межкристаллитном пространстве. Деформационная способность ме-талла в этот момент оказывается пониженной. Если в этот момент растягива-ющие напряжения достаточно большие, происходит разрушение связей между отдельными кристаллами. Нарушившаяся связь может снова заполняться жид-ким металлом, который твердеет и "залечивает" образовавшийся разлом. Одна-ко если в металле присутствуют легкоплавкие примеси, они располагаются по границам разлома и препят ствуют сращиванию кристаллов. В этом месте за-рождается кристаллизационная трещина, которая в меру нарастания напря-жений раскрывается. Наиболее вредной примесью, способствующей образо-ванию кристаллизационных трещин, является сера, которая практически не растворяется в твердом металле и находится в швах в виде сульфидных вклю-чений. Вследствие низкой температуры плавления сульфиды концентрируются у границы кристаллизации, располагаются по границах зерен, препятствуя их срастанию, и тем самым резко снижают пластичность металла шва. Отрицате-льное влияние серы усиливает фосфор, так как места их ликвации совпадают. В связи с этим снижение содержания в шве серы и фосфора является одним из основных путей борьбы с кристаллизационными трещинами.

Как отмечалось раньше, наиболее неблагоприятным случаем, приводя-щим к образованию горячих трещин, является совпадение максимальных нап-ряжений с минимальной пластичностью металла шва. Минимальная пластич-ность металла наблюдается обычно при высоких температурах, когда каркас кристаллов только начинает образовываться. Следовательно, нельзя допус-кать, чтобы в это время были максимальные напряжения. Отдаляет момент перехода сжимающих напряжений в растягивающие к более низким темпера-турам предварительный подог-рев свариваемых кромок. Это же происходит при уменьшении толщины сварива-емого металла, в результате более толсто-стенные конструкции более склонны к образования кристаллизационных тре-щин.

Немаловажную роль в образовании кристаллизационных трещин играет размер зерна в сварном соединении. Грубозернистая столбчатая структура име-ет большую склонность к образованию трещин, чем мелкозернистая, дезориен-тированная структура. При одинаковом количестве выделившейся избыточной фазы, с низкой пластичностью, находящейся у границ дефектов, ее удельное количество в приграничных слоях в крупнозернистом шве больше, чем в мел-козернистом, из-за меньшей суммарной поверхности первичных границ в оди-наковом объеме шва. В результате этого увеличивается температурный интер-вал хрупкости. Кроме того, возможность взаимного поворота (проскальзыва-ния) под действием напряжений столбчатых кристаллитов меньше, чем рав-ноосных, что также снижает пластич-ность шва со столбчатой структурой. Кро-ме того, в шве со столбчатой структурой более вероятное направление растя-гивающих усилий под углом, близким к прямому по отношению к главным осям дендритов, что способствует нарушению целостности кристаллической структуры. В связи с этим измельчение структуры шва и зоны термического влияния является важным направлением борьбы с кристаллизационными тре-щинами.

Вторым типом горячих трещин являются подсолидусные трещины, ко-торые образуются при температурах ниже, чем кристаллизационные, в зоне второго температурного интервала хрупкости ТЕХ₁₁ (рис. 2.10). Эти трещины образуются после того, как в металле закончился процесс кристаллизации и жидкая фаза в нем отсутствует.

Образование подсолидусных трещин происходит под действием растя-гивающих напряжений в шве за счет проскальзывания зерен относительно друг друга в местах выхода на их границы дислокаций. Пересыщение дисло-кациями сварного шва возможно за счет: неравновесной кристаллизации ме-талла сварочной ванны; аннигиляции дислокаций в ходе миграции границ; генерирования вакансий у границ, перпендикулярных напряжению растяже-ния.

Проскальзывание в местах концентрации дислокаций может раскрыть ступеньки по границам зерен или уже существующие микропустоты. Про-цесс проскальзывания границ, который дает толчок к образованию подсоли-дусных трещин, происходит обычно при наличии на границах зерен приме-сей, которые уменьшают величину поверхностной энергии зарождения тре-щины.

Образование подсолидусных трещин наиболее вероятно в аустенитных хромоникелевых сталях. Это связано с многокомпонентным легированием этих сталей, увеличивающим вероятность попадания в шов разных приме-сей, однофазностью и крупнозернистостью структуры, повышенными де-формациями и напружениями при сварке, вследствие пониженной тепло-проводности аустенитных сталей.

Третьим видом горячих трещин является так называемое дисперсион-ное твердение. Оно наблюдается при еще более низких температурах, чем образование подсолидусных трещин, - обычно 600 - 800°С. На этот диапа-зон прихо-дится третий интервал хрупкости TИХ₁₁₁ (рис.2.10). Снижение пластичности металла в этом диапазоне связано с выделением в металле шва карбидов и интерметаллидов. Считают, что процесс выделения карбидов и интерметаллидов из твердого раствора происходит в три стадии.

Первая стадия характеризуется тем, что выделяющиеся дисперсные частицы сохраняют когерентную связь с матрицей. Вокруг зародышей новой фазы существенно искажается кристаллическая решетка, появляются значи-тельные внутренние напряжения, возникновение которых обусловлено раз-ностью в рас-стоянии между атомами на плоскостях сопряжения матрицы и новой фазы, а также различием в их удельных объемах. На этой стадии от-мечается наибольшее снижение пластических свойств металла.

На второй стадии происходит разрыв когерентной связи с матрицей и некоторое снятие напряжений кристаллической решетки.

Третья стадия - это коагуляция и рост карбидов и интерметаллидов, а также полное снятие перекручиваний кристаллической решетки.

На второй и третьей стадиях наблюдается повышение пластичности металла.

Дисперсионное твердение - довольно распространенное явление при термообработке сталей, обычно при высоком отпуске, например, теплоус-тойчивых сталей. Поэтому параметры термообработки должны быть выбра-ны таким образом, чтобы процесс выделения карбидов и интерметаллидов не задерживался на первой стадии. В противном случае в шве или около-шовной зоне возможно образование горячих трещин по механизму диспер-сионного твердения.

Общим для всех видов горячих трещин является то, что они образовыва-ются и проходят по границам зерен. В изломе имеют темный цвет окисленной при высокой температуре поверхности.