Металловедение сварки

УДК 669.017:621.791 М91

Рецензенты:

кандидат технических наук В.Д. Корнеев (Пермский военный ракетный институт); доктор технических наук В.М. Язовских

(Пермский государственный технический университет)

Мусин Р.А., Береснев Г.А.

М91 Металловедение сварки: Учебное пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. 108 с.

Курс "Металловедение сварки" входит в программу подготовки студен­ тов специальности 12.05 «Технология и оборудование сварочного производст­ ва». В нем рассматриваются физические основы процессов формирования структуры металла сварных соединений при сварке и последующей термообра­ ботке, их связь со свойствами металла сварных соединений.

Разработана электронная версия данного учебного пособия.

УДК 669.017:621.791

Пермский государственный технический университет, 2000

6.5.Термическая обработка сварных соединений сталей со специ­ альными свойствами (коррозионно-стойких, жаростойких и

ВВЕДЕНИЕ

Сварка - это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их мест­

ном нагреве или пластическом деформировании либо при совместном действии того и другого.

В термодинамическом определении сварка - это процесс получения мо­ нолитного соединения материалов за счет необратимого превращения тепло­ вой и механической энергии и вещества в стыке.

Для практической оценки результатов взаимодействия свариваемых ме­ таллов (сварки) принято понятие свариваемости.

Физическое понимание свариваемости - это оценка принципиальной

возможности получения монолитных сварных соединений разнородных метал­

лов. Прикладной аспект понятия свариваемости - это свойство металлов

или сплавов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией из­ делия. Степень свариваемости металлов и сплавов классифицируется как хо­ рошая, удовлетворительная, ограниченная и плохая в зависимости от уровня механических свойств металла сварного соединения, его склонности к обра­

зованию дефектов (например трещин), а также технологичности при сварке.

Свариваемость металлов как показатель их способности создавать моно­

литное соединение, обеспечивающее требуемый комплекс свойств, зависит от химического Состава свариваемых сплавов и природы их компонентов.

Кроме того, на свариваемость влияет фазовый состав и микроструктура исход­ ного состояния свариваемого металла, его изменение при нагреве и охлаждении в процессе сварки. Проводимая после сварки термообработка существенно сказывается на структуре и свойствах металла сварного шва и зоны термо­ влияния, особенно при фазовой перекристаллизации металла сварного соеди­ нения в твердом состоянии.

На практике обычно сваривают не чистые металлы, а сплавы, в том чис­ ле отличающиеся химическим составом. Чаще всего это малоуглеродистые низколегированные стали, а также медные, алюминиевые, никелевые сплавы, реже высоколегированные и специальные стали, сплавы тугоплавких металлов.

В технике металлы по-прежнему остаются основными конструкционны­ ми материалами, тем более при изготовлении тяжело нагруженных сварных уз­ лов и конструкций.

Металлы - вещества кристаллические, т. е. при охлаждении расплав­ ленного металла его жидкое состояние с неупорядоченным расположением атомов (имеет место ближний порядок) сохраняется только до определенной температуры, ниже которой происходит кристаллизация с установлением упо­ рядоченного расположения атомов в пространстве (дальний порядок).

Природа межатомных сил всех веществ едина - это электростатическое

взаимодействие заряженных частиц. Однако поскольку атомы различных ве­ ществ различаются зарядом и массой ядер, количеством и энергией электро­ нов, возможны различные типы межатомных связей в твердом теле. Переходя из неупорядоченного состояния (жидкое, газообразное) в упорядоченное, ато­

мы в кристалле сближаются до расстояния, обеспечивающего кристаллу наи­

большую термодинамическую стабильность. Это расстояние (do) определяется взаимодействием сил притяжения электронов и положительно заряженных ядер

собственного атома и соседних атомов и сил отталкивания ядер атомов при их

сближении. Сближение на расстояние dQсоответствует термодинамической ус­ тойчивости кристалла и минимуму энергии межатомной связи Есв. Величина

Есв материала определяет его модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, температуры плавления и испарения и др.

Характер взаимодействия составляющих кристалл ядер атомов ("остов"

кристалла) и электронов можно описать, используя представления зонной тео­

рии. Согласно этой теории электроны твердого тела по уровню их энергии (Е)

могут относиться к валентной зоне и зоне проводимости (не связаны с опреде­

ленными атомами). Кроме этих зон существуют энергетические уровни, ве­ роятность пребывания электронов на которых ничтожно мала (запрещенная

энергет ическая зона А Е).

При значительной ширине запрещенной зоны (А Е > 54 О'19 Дж) в кри­

сталле устанавливается направленное межатомное взаимодействие (связи ионные, ковалентные, молекулярные). Электропроводность такого вещества

ничтожна, так как свободных электронов очень мало. При малой величи­ не А Е вещество сохраняет направленность межатомных связей и имеет полу­

проводниковые свойства.

Если величина А Е 0, то направленность межатомных связей отсутст­

вует, свободные электроны перемещаются между положительно заряженными ионами-атомами, удерживая их в определенных положениях. Такая межатом­ ная связь называется металлической и характерна для металлов. Следствием такого типа межатомной связи являются специфические свойства металлов:

высокая электро- и теплопроводность, термоэлектронная эмиссия, непрозрач­ ность и металлический блеск.

Ненаправленность межатомных связей металлов в твердом состоянии опеделяет простую форму их кристаллических решеток (кубические, объемноцентрированная - ОЦК, гранецентрированная - ГЦК и гексагональная плотноупакованная - ГПУ) (рис. В.1). В кристаллических решетках выделяют наибо-

Рис. В. 1. Элементарные ячейки кристаллических решеток: а - гексаго­

нальная плотноупакованная; б - кубическая гранецентрированная; в -

кубическая объёмно-центрированная

лее плотноупакованные плоскости и направления. Межатомные расстояния в

кристаллических решетках большинства металлов находятся в пределах 0,10...

0,70 нм (1...7А , 1А 10'7 мм).

г

Рис. В. 2. Дефекты кристаллических решёток: линейные - краевая (а) и винтовая (б)

дислокации; точечные - вакансия (в) и межузельный атом (г)

Для металлов характерна высокая плотность дефектов кристаллического

строения - наличие вакансий, межузельных атомов, дислокаций (рис.В.2).

Дислокации, находящиеся в плотноупакованных плоскостях кристаллической решетки, способны перемещаться в этих плоскостях под действием относи­ тельно низкого напряжения.

Выход дислокации на поверхность кристалла дает ступеньку размером в межатомное расстояние (b - размер вектора Бюргерса дислокации) (рис. В.З).

Рис. В. 3. Схема перемещения краевой дислокации в плоскости скольже­

ния под действием напряжения тс выходом её на поверхность кристалла

Это является элементарным актом остаточной (пластической) деформа­ ции сдвигом кристалла по плоскости скольжения. Образование такой ступень­ ки без участия дислокации, т. е. одновременным сдвигом всех атомов в плос­ кости сдвига, потребовало бы в сотни раз большего напряжения. В реальных металлах плотность дислокаций даже в отожженном состоянии весьма высока

ОЛ

( « 10 см' ) и их перемещение в объемах отдельных кристаллитов (зёрен) с выходом на поверхность границ зерен и на поверхность детали (образца),

подвергаемой нагружению, дает остаточную (пластическую) макродеформа­

собность металлов к значительной пластической деформации (остаточному изменению формы) без разрушения при достаточно высоком уровне прочности (сопротивление деформации) определила их огромную роль в технике как кон­ струкционных материалов.

Описывая и изучая детали строения кристаллов и поликристаллов, в том числе реальных металлов и сплавов, используют понятие "структура". При этом в зависимости от размеров исследуемых элементов структуры различают тонкую структуру, микро- и макроструктуру.

Исследования тонкой структуры включают в себя описание типа кри­ сталлической решетки, дефектов кристаллического строения, характера их рас­

пределения и взаимодействия, в том числе с атомами компонентов сплава. Для изучения тонкой структуры (размерность деталей « < 10'5 мм) используют ион­ ные и электронные микроскопы, методы рентгеноструктурного анализа, электроно- и нейтронографии.

Реальные технические металлы и сплавы - вещества поликристаллические, в которых соседние кристаллиты (зёрна) отличаются пространственной ориентацией и их сочленение осуществляется через зону (границу зёрен) ши­ риной 1...2 атомных диаметра (рис. В.4, а). Внутри зёрен отмечают узкие мало­ угловые границы, разделяющие объемы кристалла, незначительно разориентированные относительно друг друга (субзёрна, блоки) (рис. В.4, б). Зёренное и субзёренное строение металла, а также его фазовый состав и структурное со­ стояние называют микроструктурой (размерность деталей « 10-5..ЛО'1 мм). Её изучают, в основном, методами оптической микроскопии, а также реже мето­ дами, применяемыми для изучения тонкой структуры металла.

Рис. В.4. Схемы строения границ в металлах: а - большеугловая

(межзёренная); б - малоугловая (субзёренная, блочная)

Макроструктуру металла (дендритное или волокнистое строение литого или деформированного металла, неоднородность состава, дефекты литья, свар­ ки, обработки давлением и т. п.) изучают при малых увеличениях (до « хЗО).

Из заготовок, деталей, конструкций по определенной схеме вырезают образцу для испытаний механических свойств металла и образцы для металло­ графических исследований. На последних приготавливают металлографические шлифы, которые после полировки подвергают специальному травлению, вы­ являющему структурное состояние металла.

Весьма полезную информацию о структурном состоянии металла и его поведении при разрушении дает изучение поверхности изломов, получаемых

как при непосредственном разрушении деталей, так и при испытаниях образ­ цов.

Металлография сварных соединений предполагает исследование широ­

кого спектра структур и фазового состава металла зон, формировавшихся в различных температурно-временных условиях процесса сварки (от литого ме­

талла шва до зоны термовлияния основного металла). При этом часто измеря­

ют микротвёрдость всех зон сварного соединения, а также проводят локальный фазовый и химический анализ металла.

1.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СВАРИВАЕМЫХ МЕТАЛЛОВ

ВЖИДКОМ И ТВЕРДОМ СОСТОЯНИЯХ И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ

МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

При сварке взаимодействие компонентов осуществляется в жидком и

твердом состоянии (сварка плавлением) и в твердом состоянии (сварка давле­

нием). В расплавленном состоянии большинство металлов взаимно раствори­

мы практически неограниченно. Исключение составляют системы Си-Мо, Fe-Aq, Cu-W и немногие другие.

Тип межатомного взаимодействия компонентов свариваемых металлов и сплавов определяется их природой. При сварке однородных металлов, которые

сварке разнородных металлов их соединение достигается тем легче, чем мень­ ше различие радиусов их атомов и параметров кристаллических решеток.

Важнейшими процессами, определяющими фазовый состав и структуру металла сварных соединений, являются кристаллизация и диффузия, происхо­ дящие в температурно-временных условиях сварки.

При сварке металлов и сплавов в сварном соединении не только реализу­ ется металлический тип межатомной связи, но и образуются твердые растворы внедрения и замещения, эвтектики и эвтектоиды, химические соединения. Превращения металлов и сплавов в процессе сварочного цикла могут быть опи­ саны в соответствии с диаграммами состояний сплавов свариваемых компо­ нентов. Основные типы диаграмм двойных сплавов, а также характер измене­ ний свойств сплавов при увеличении концентрации одного из компонентов сплава представлены на рис. 1.1 (закономерности Н.С.Курнакова).