Раздел 2. Влияние термодеформационного цикла на структуру и свойства металла в сварных соединениях

После завершения сварочной операции, каждый объем металла претерпевает характерные изменение температуры во времени, причем различные участки имеют различную Т_max и отличающиеся скорости нагрева ω_нагр и охлаждения ω_охл. (рис. 2.1).

В связи с этим каждый характерный участок металла имеет свою термическую историю, испытывая те или иные изменения состояния в связи с термическим циклом, сопровождающим сварку.

Однако на структуру и свойства металла в сварных соединениях оказывает влияние не только чисто термическое воздействие. В результате местного нагрева в металле протекают пластические деформации. Выявить влияние пластических деформаций на структуру сложнее, чем обнаружить изменение структуры, вызванное термическим воздействием сварки на металл.

2.1. Характерные зоны металла в сварных соединениях

Схема поперечного сечения стыкового соединения изображена на рис.2.2, где условно выделены характерные зоны сварного соединения.

Зона 1 характеризуется структурой литого металла. Это та зона, В которой металл, нагретый выше температуры ликвидус, расплавлялся, перемешивался с присадочным металлом и затем кристаллизовался. Структура этой зоны характеризуется значительным количеством вытянутых столбчатых кристаллов, выросших на зернах основного металла.

Эта зона носит название - металл шва.

Зона 2 охватывает те объемы металла, которые нагревались выше Т_с, но ниже Т_л. В этой области происходило частичное расплавление основного металла. В эту в процессе сварки частично могут проникать различные элементы, которые вводились в наплавленный металл и отсутствовали в основном.

Рис. 2.1. Термические циклы различных точек изделия

Рис. 2.2. Схема поперечного сечения стыкового соединения

Поэтому по химическому составу эта зона может несколько отличаться от состава основного металла.

Отличается она и по содержанию ликвирующих примесей в связи сих перераспределением в процессе взаимодействия жидкой и твердой фаз.

Ширина зоны смешанной структуры литого и перегретого до Т> Т_с металла определяется составом металла (температурный интервал Т_л - Т_с;

его теплофизические свойства) и градиентом температур на границе раздела сварочной ванны и твердого металла. Эта зона носит название зоны сплавления. Для металлов с малыми интервалами Т_л - Т_с зона сплавления невелика по ширине и носит название границы сплавления.

Далее от металла шва располагаются зоны 3 и 4, для которых характерно возможное изменение структуры в связи с нагревом выше критических точек Т_КР2 и Т_КР1. Боле высокий нагрев, особенно при приближении температуры нагрева Т_max к Т_c, приводит к росту зерен. Мелкие зерна исходной структуры объединяются в более крупные. Существенное значение для роста зерна имеет и время выдержки при температуре выше критической.

Зона высоко нагретого твердого металла при сварке в основном сохраняет свой исходный химический состав. Однако в узком участке вблизи границы сплавления может иметь место диффузионное проникновение некоторых элементов(углерод) из металла шва в твердый основной металл.

Для зон металла, которые нагревались ниже критической температуры Т_КР1 , могут иметь различные варианты воздействия такого нагрева (получение структур отпуска, рекристаллизации и пр.).

Зона, прилегающая к металлу шва и получившая изменение структуры и свойств, называется зоной термического влияния.

В случае минимальной выдержке времени при Т_max на окончательную

структуру и свойства влияет ветвь нагрева.

Непродолжительное пребывание металла выше критических температур приводит к тому, что образующиеся новые структурные фазы могут не выравнивать свой состав. Поэтому кристаллы этой высокотемпературной фазы (например, аустенит, получившийся при нагреве из ферритно-перлитной структуры) к моменту начала обратного превращения могут быть не гомогенизированы, т.е. иметь различную концентрацию элементов в различных участках одного и того же зерна. Быстрый нагрев и малая выдержка приводят к меньшему росту зерна.

Недостижение достаточной гомогенизации зерен способствует получению менее равновесной структуры и измельчению зерен.

Однако скорость является решающим фактором в формировании конечной структуры и свойств, особенно для металлов, имеющих при нагреве и охлаждении превращения, связанные с перестройкой структуры. Поэтому регулирование W_охл при сварке имеет большое значение.

Скорость охлаждения при наплавке валика на массивное тело:

W_охл =

При сварке листа со сквозным проплавлением:

W_охл =