Учебное пособие 800220

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ НАГРЕВА ПРИСАДОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы Изучение особенностей нагрева электродов из высоколегированной

стали по сравнению с электродами из низкоуглеродистой стали

Оборудование, материалы

1.Сварочный источник питания постоянного тока.

2.Сварочный источник питания переменного тока.

3.Электроды из низкоуглеродистой стали диаметром 3мм: МР-3,

АНО-21, УОНИ-13/45.

4.Электроды из низкоуглеродистой стали диаметром 4мм: МР-3,

АНО-21, УОНИ-13/45.

5.Электроды из высоколегированной стали диаметром 3мм: ЦЛ-11, ОЗЛ-6, НИАТ-5.

6.Электроды из высоколегированной стали диаметром 4мм: ЦЛ-11, ОЗЛ-6, НИАТ-5.

7.Секундомер.

8.Контактный термометр ТК-5.01.

Порядок выполнения работы

1.Определить влияние плотности тока и типа электрода на процесс нагрева электрода током короткого замыкания. Для этого электрод накоротко замкнуть на сварочный стол, чтобы исключить горение дуги. Пропустить через электроды ток разной величины (80, 120, 160А). Измерение температуры нагрева электрода производить при помощи Контактного термометра ТК-5.01. При помощи секундомера засекается время изменения температуры нагрева электрода через каждые 30-40 ºС.

11

а

б

Рис. 4. Контактный термометр ТК-5.01(а), прямой зонд к термометру (б)

2. Для каждой плотности тока, диаметра и марки электрода построить графики изменения температуры нагрева электрода во времени. Сравнить полученные данные для электродов из высоколегированной и низкоуглеродистой стали, сделать выводы.

Контрольные вопросы

1.Какими отличительными признаками обладают высоколегированные стали по сравнению с углеродистыми?

2.Почему электроды высоколегированной стали нагреваются быстрее, чем электроды из углеродистой стали?

3.По каким признакам можно классифицировать специальные стали и сплавы?

12

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы

Исследование режимов сварки хромистых сталей на склонность к образованию холодных трещин

Различают три группы этих сталей: мартенситные, мартенситноферритные и ферритные. Сварка всех трех групп сталей связана с рядом трудностей, определяемых их свойствами. Высокохромистые стали как и все высоколегированные имеют более низкую теплопроводность, чем низколегированные, что при сварке приводит к возникновению более высокого градиента температур, и как следствие, повышение остаточных и временных сварочных напряжений.

Заданные свойства основного свариваемого металла могут быть получены, когда металл шва и свариваемый металл имеют одинаковый химический состав. Для получения качественных швов при сварке хромистых сталей применяют предварительный и сопутствующий подогрев, и термообработку после сварки (высокий отпуск). Не выполнение этих требований, как правило, приводит к образованию трещин в шве и в зоне термического влияния (ЗТВ), сварные соединения имеют низкую деформационную способность.

Хромистые стали можно сваривать различными способами, при этом общим условием является использование технологии с минимальным тепловым воздействием сварочного источника теплоты.

В связи с тем, что водород активно растворяется в шве, он усиливает склонность к образованию холодных трещин.

Поэтому при ручной дуговой сварке применяют электроды с основным покрытием (без компонентов, содержащих органические соединения).

Для автоматической сварки под слоем флюса применяют также основные флюсы типа АН-25 или низко кремнистые типа АН-17, АН-18.

Аргонодуговая сварка хромистых сталей неплавящимся электродом применяется для сварки изделий малых толщин и для подварке корня шва.

При сварке в среде углекислого газа в электродную проволоку следует вводить повышенное количество раскислителей.

При сварке мартенситных и мартенситно-ферритных сталей следует иметь в виду, что мартенситный распад происходит при пониженных температурах (до150°С), что обуславливает повышенную склонность к образованию холодных трещин в ЗТВ. Трещины образуются сразу после сварки при температуре 100 °С, а при наличии водорода в шве и при комнатной температуре. Склонность к трещинообразованию увеличивается с ростом зерна в шве и жесткости сварных конструкций. Поэтому сварку таких

13

сталей производят, как правило, с предварительным подогревом до температур 200-250°С.

При сварке хромистых ферритных сталей в шве и околошовной зоне (ОШЗ) вследствие нагрева наблюдается рост зерна. Поэтому в зонах нагрева снижается пластичность и вязкость даже при комнатных температурах. Для уменьшения роста зерна следует уменьшать погонную энергию сварки. При отсутствии в сварочных материалах достаточного количества титана наблюдается снижение коррозионной стойкости и появляется склонность к межкристаллитной коррозии (МКК) сварных швов.

Содержание работы

На склонность к образованию холодных трещин в сварных соединениях хромистых сталей решающее влияние оказывают режим сварки, сварочные напряжения, скорости нагрева и охлаждения. На практике применяются косвенные и прямые методы оценки склонности к трещинообразованию.

Одним из косвенных методов является оценка потенциальной склонности к растрескиванию стали по значению эквивалента углерода Сэкв. По экспериментальным данным при Сэкв > 0.45% сварные соединения становятся потенциально склонными к образованию холодных трещин. Из прямых методов наибольшее распространение получила лабораторная стандартная проба СЭВ-19ХТ по ГОСТ 26388-84. В этой пробе одновременно выполняют сварку трех плоских прямоугольных стыковых образцов разной длины, закрепленных в жестком приспособлении. После сварки образцы выдерживают в закрепленном состоянии не менее суток. Трещины определяют визуальным осмотром, а также травлением макрошлифов сварных соединений.

Оборудование и материалы

1.Образцы из высокохромистой стали: Х13, Х17.

2.Сварочные электроды.

3.Сварочный пост постоянного тока с электроизмерительными приборами.

4.Приспособление для жесткого крепления образцов.

5.Металлографический микроскоп.

6.Шлифовальный станок.

7.Набор реактивов для травления образцов.

8.Оборудование для разрезки образцов.

Порядок выполнения работы

1.Испытанию подвергают набор из трех плоских образцов толщиной

5-8 мм (рис. 5).

14

Рис. 5. Образец для испытаний

3.Весь набор образцов сваривают одновременно за один проход на соответствующих режимах для данной толщины металла.

4.После сварки образцы выдерживают в закрепленном состоянии в течение 20 часов. В результате усадки сварного шва в соединениях развиваются поперечные сварочные напряжения, обратно пропорциональные длине образцов. При длительном воздействии этих напряжений возможно замедленное разрушение металла шва или околошовной зоны в виде холодных трещин.

5.Трещины в шве и в ОШЗ выявляют визуальным контролем до и после травления образцов.

6.После контроля образцы разрушают. За показатель склонности металла сварных соединений к образованию холодных трещин принимают максимальную длину свариваемых элементов, в которых образуются трещины. В качестве дополнительного количественного показателя принимают процентное отношение суммарной длины трещин к длине шва.

Контрольные вопросы

1.Каковы основные причины образования холодных трещин?

2.Какие существуют способы борьбы с холодными трещинами?

3.На какие классы подразделяются высоколегированные стали в зависимости от структуры?

15

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ

Хромоникелевые стали, несмотря на высокое содержание легирующих элементов и сложный химический состав, в большинстве своем относятся к хорошо и удовлетворительно свариваемым.

Основные трудности сварки связаны со следующими факторами: - склонность к образованию горячих трещин в швах и ОШЗ в аустенитных сталях;

-склонность к образованию холодных трещин в ЗТВ в мартенситных и аустенитно-мартенситных сталях;

-повышенная растворимость водорода в аустените с высоким содержанием никеля, что может привести к образованию пор;

Сварочный нагрев может приводить к протеканию этих неблагоприятных процессов. Следует иметь в виду, что при сварке этих сталей различного химического состава, участки около шовной зоны примыкающие к шву находятся, как правило, в аустенитном состоянии, даже после охлаждения.

Это обстоятельство обеспечивает достаточно хорошую свариваемость хромоникелевых сталей. При этом положительное значение имеет тот факт, что рост аустенитного зерна в ЗТВ в этих сталях происходит в значительно меньшей степени, по сравнению с углеродистыми и низколегированными сталями. Кроме того, аустенитные стали обладают более низким пределом

16

Рис. 6. Схема строения ЗТВ у хромоникелевых сталей

На участке 1, где температура при нагреве близка к температуре плавления возможно оплавление зёрен в приграничных участках, вследствие повышенной загрязненности их примесями.

На участке 2, нагретом до температуры примерно 1200 °С может произойти растворение карбидов титана, ниобия, ванадия и др., что может вызвать разупрочнение металла, если его прочность обуславливалась карбидными выделениями.

На участке 3, нагревающемся до температур 950-1200 °С, могут протекать процессы аустенизации, если сталь содержит только никель и хром. При наличии титана, ниобия, ванадия их карбиды на этом участке сохраняется, ввиду их стойкости и кратковременности нагрева.

На участке 4, нагретом до температур 750-950 °С, при наличии углерода, могут образоваться карбиды хрома, что приводит к повышению хрупкости.

На участке 5, нагретом ниже 750 °С, может выделяться δ - феррит и при длительном нагреве σ - фазы.

На участке 6 возможно образование мартенсита, количество которого зависит от температуры конца мартенситного превращения.

Рассмотренная на рис.1 схема структурных и фазовых превращений при сварке позволяет сделать несколько выводов.

Для повышения сопротивляемости металла шва и ЗТВ образованию горячих трещин необходимо легировать наплавленный металл элементами, способствующими выделению при кристаллизации металла δ – феррита. Приближенное представление о количестве феррита дает диаграмма Шеффлера. Рекомендуемое содержание феррита 2-5 %. Кроме того необходимо уменьшить содержание примесей, образующих легкоплавкие фазы.

17

Сварные соединения хромоникелевых сталей термообработке чаще всего не подвергают. На практике выполнить термообработку всей сварной конструкции при температуре 1050-1100 °С бывает сложно или невозможно. Проводить местный нагрев до таких температур нельзя, так как соседние зоны будут нагреваться до более низких температур, при которых, в соответствии со схемой (рис.6) могут развиваться неблагоприятные процессы. Поэтому при ручной дуговой сварке применяют электроды с фтористокальциевым основным покрытием, что позволяет получать швы заданного химического состава и уменьшает содержание вредных примесей.

При автоматической сварке используют сварочные проволоки, выпускаемые по ГОСТ 2246-70 и низкокремнистые фторидные и высокоосновные бесфтористые флюсы АН-26, АНФ-16 и др., которые уменьшают угар легирующих элементов.

При сварке в инертных газах также снижается угар легирующих элементов и повышается стабильность горения дуги при минимально допустимом токе сварке.

Цель работы

Исследование влияния режимов сварки на структуру шва и околошовную зону

Содержание работы

На качество сварных соединений аустенитных сталей большое влияние оказывает режим сварки.

При увеличении сварочного тока наблюдается рост зёрен, что повышает склонность к межкристаллитной коррозии и образованию горячих трещин.

Повышение напряжения (увеличение длины дуги) усиливает окисление ферритообразующих элементов Cr, Ti, V и др. Свойства сварного шва также зависят и от структуры металла шва.

В двухфазном аустенитно-ферритном шве (рис.7а) первичный феррит залегает в виде отдельных лепестков, основная масса которого образуется внутри кристаллитов.

Выпадение избыточной фазы, богатой хромом, будет происходить внутри зерен, где имеется большое скопление δ – феррита. В этом случае агрессивная среда, проникая вглубь металла по границам зёрен аустенита, будет встречать стойкие (не обедненные хромом) кристаллы аустенита, избыточная фаза из которых выпала внутрь кристалла. При этом толщина прослоек между зёрнами аустенита будет меньше, чем в чисто аустенитном шве (рис.7б).

18

Рис. 7. Структура сварных швов:

а– аустенитно-ферритный; б – ферритный;

1– аустенит (основной металл); 2 – аустенит (наплавленный металл); 3 – межкристаллитные прослойки; 4 – феррит

Оборудование и материалы

1.Образцы из стали типа 18-9 (100х60х5).

2.Электроды для сварки высоколегированных сталей.

3.Сварочный пост постоянного тока с электроизмерительными приборами.

4.Металлографический микроскоп.

5.Шлифовальный станок.

6.Набор реактивов для травления шлифов.

Порядок выполнения работы

1.Сварить один образец на режимах, соответствующих паспортным данным электрода.

2.Сварить второй образец при увеличении силы сварочного тока, короткой дугой при уменьшении скорости сварки.

3.Изготовить микрошлифы.

4.Исследовать под микроскопом структуру шва, околошовной зоны и основного металла.

5.Зарисовать и описать полученные структуры, сравнить друг с другом.

6.Определить эквивалент хрома и никеля. По диаграмме Шеффлера определить структуру металла шва.

Контрольные вопросы

1.Структурная диаграмма Шеффлера и её практическое значение.

2.Что называется межкристаллитной коррозией, механизмы образования МКК?

3.Какие существуют способы предотвращения МКК?

4.Что такое технологическая прочность сварных соединений?

19

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ СКЛОННОСТИ К ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Цель работы Оценка склонности к образованию горячих трещин при температурном

воздействии в дисперсионно-твердеющих никелевых сплавах

Содержание работы

Дисперсионно-твердеющие сплавы на никелевой основе типа ВЖЛ-14 (ХН62МТЮЛ), ЭИ-698 (ХН73МБТЮ), ЭП-708 (ХН62ВМЮТ) и др. широко применяются при изготовлении сварных конструкций энергетического оборудования, работающих при температурах до 850900 °С.

Высокая жаропрочность в этих сплавах обеспечивается за счёт интерметаллидного упрочнения выделениями дисперсной γ´ - фазы типа Ni3 Ti, Al . Однако эти сплавы характеризируются склонностью к образованию горячих трещин при сварке и термообработке.

Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости в результате воздействия термодеформационного влияния цикла сварки.

Согласно общепринятым положениям они возникают тогда, когда интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения во время остывания приводит к деформациям большим, чем пластичность сварного соединения в данных температурных условиях. Способность воспринимать без разрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяет уровень технологической прочности сварного соединения.

На склонность к растрескиванию существенное влияние оказывает разница в размерах зерна металла у литейных и деформируемых сплавов. Литейные сплавы, как правило, характеризуются более крупным зерном по сравнению с деформируемыми, что приводит к уменьшению межзёренных границ и повышает склонность к трещинообразованию. Трещины, возникающие при сварке никелевых сплавов, имеют межзёренный характер и могут располагаться на поверхности и внутри металла. Поверхностные трещины обычно образуются в околошовной зоне и распространяются перпендикулярно границе шва. Внутренние трещины образуются в сварном щве, распространяясь в околошовную зону.

20