Металловедение сварки

Процентное содержание мартенсита (М) и ферритоперлитной (ФП) смеси в за­ висимости от Уохлможет быть описано уравнением Авраами, применяемым для приближенной оценки кинетики полиморфных превращений:

М = Юо(о,95 - ехр(- киW£f5)),

ФП = 1 0 0 -ехр(-*фХ * ) ,

где км, АгфП, пш «фПэкспериментальные или расчетные коэффициенты. Содержание бейнита при заданной скорости охлаждения определяется

как дополнение к количеству мартенсита до 95 % или ФП-смеси до 100 %. Рас­ четное определение коэффициентов п и к возможно с использованием критиче­ ских скоростей охлаждения, взятых из диаграмм АРА для анализируемых ста­ лей (JVM2, Wui, 1Гф„2 и ЖфпО, соответствующих образованию 90 и 5 % мартенси­ та, 100 и 5 % ФП-смеси по соотношениям:

фп1 J

При отсутствии диаграммы АРА критические скорости охлаждения WM] и

WM2 можно приближенно рассчитать по химическому составу стали, исполь­ зуя его обобщенный параметр СЭкВ> характеризующий прокаливаемость стали:

По результатам математической обработки большого количества экспе­ риментальных данных на ЭВМ получены зависимости:

WMl = 0,343-С^116, Wm2 = 3,217-С^св838.

Критические скорости и ^ фп2 можно определить по приближенным

соотношениям критических скоростей.

Wmi~Wui, ^ ф п 2 * 0 , 1 ф п 1

Критическое время охлаждения в диапазоне 800-500 /Mi и tu2 можно

рассчитать, воспользовавшись зависимостью ^8/5 от Weis для условий однопро­

ходной сварки: t8/s « 225/We/s-

Температуры ферритоперлитного (при W6/5» W(t>n2) и мартенситного пре­

вращений (при We/5 ^ Wm2) для легированных сталей можно ориентировочно оп­

ределить с помощью эмпирических формул, приведенных в работе [10].

Для определения характеристических длительностей охлаждения до по­ явления отдельных структурных составляющих можно использовать расчетные зависимости из работы [11]. там же дан расчет температур начала и конца мар­ тенситного превращения, бейнитного превращения, перлитного превращения и температур критических точек ЛСр АСу приведены формулы для определения объемной доли отдельных структурных составляющих и значений твердости.

5.ДИФФУЗИЯ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

5.1.Основные понятия и законы диффузии

Диффузия - элементарные процессы перемещения атомов на расстояние больше параметра кристаллической решетки, т.е. массоперенос.

Наиболее вероятные механизмы диффузии - вакансионный и по меж­ доузлиям (для атомов внедрения).

СамодиФФузия - перемещение атомов основного металла в его решетке без изменения концентрации.

ГетеродиФФузия - направленный массоперенос атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя, приводящий к местным изменениям концентрации.

Роль само- и гетеродиффузии - обеспечение возможности протекания фа­ зовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении, в том числе и

при сварке.

При сварке давлением диффузия обеспечивает протекание рекристалли­ зации и улучшение свойств сварного соединения после установления связей между активированными поверхностями.

При сварке плавлением процессы диффузии влияют на степень химиче­

ской и механической неоднородности металла шва и сварного соединения.

Процессы гетеродиффузии определяют возможность формирования свар­

ного соединения разнородных металлов и разнородных сталей, в том числе и в

тию. Значения энергии активации диффузии некоторых элементов в у-Fe, даю­ щих растворы замещения, приведены ниже:

Наибольшей подвижностью обладают атомы серы, что создает предпо­ сылки для устранения при нагреве ликвации по сере. Наиболее трудно устраня­ ется МХН по хрому и вольфраму.

Скорость диффузии зависит от типа кристаллической решётки раство­ рителя. В a -железе энергия активации Q углерода меньше, а скорости диффу­ зии больше (табл. 5.2). То же относится и к другим легирующим элементам.

Таблица 5.2

Это важно для сталей, применяемых в изделиях теплоэнергетического оборудования химической и нефтеперерабатывающей промышленности, рабо­ тающего обычно при температурах 500-650 °С, а также учитывается при на­ значении высокого отпуска сварных соединений.

Диффузия по границам зёрен О, г идет гораздо активнее, чем по телу зёр­ на (обычно 0 З Гв 2 раза меньше, чем Q объемная). Это связано с большой плот­ ностью несовершенств кристаллического строения по границам зерна. Сосре­ доточение по границам зерна таких примесей, как С, Н, S, определяет значи­ тельное изменение свойств металла этих зон, что особенно важно для крупно­ зернистого металла шва и околошовной зоны.

Большое влияние на процесс диффузии углерода оказывают легирую­ щие элементы, повышающие или уменьшающие коэффициент диффузии D

(рис. 5.1). Скорость диффузии зависит от температуры по степенному закону (рис. 5.2).

Рассмотренные выше закономерности диффузии относились к случаю пе­ ремещения атомов г однородном твердом растворе при наличии градиента их концентрации (когда А и Б неограниченно растворимы друг в друге). При свар­ ке таких металлов в твердом состоянии распределение концентраций элемента

А после нагрева в течение времени X будет описываться кривой 1, а распреде­ ление концентраций элемента Б - кривой 2 (рис. 5.3).

]}106усм2/ с

в

6

4

2

произойдет увеличение глубины взаимодиффузии, распределение концентра­ ций элементов А и Б в зоне сварки вблизи первоначальной границы раздела

0 - 0 будет характеризоваться кривыми Г и 2' соответственно.

Обе кривые распределения симметричны, если скорость диффузии А в Б равна скорости диффузии Б в А. Реально же эти скорости могут быть различ­

ченной взаимной растворимостью

скорость диффузии атомов которого вы­

ше, чем скорость диффузии в него другого металла, может образоваться так называемая диффузионная пористость. Это явление называют эффектом Френкеля.

Оба эти явления экспериментально установлены достаточно давно при отжиге приведенных в контакт пластин разнородных металлов.

В условиях же сварки давлением при высоких температурах эффект Френкеля обычно не наблюдается из-за параллельно идущего зарастания пор под действием сжимающего давления сварки.

Однако, если после сварки проводится дополнительная высокотемпера­ турная термообработка, возможности образования диффузионной пористости необходимо иметь в виду.

5.3. Влияние на диффузию термодинамической

активности элемента

Для сварных соединений характерен еще один вид диффузии, когда процесс перемещения в растворе какого-либо элемента происходит не в связи с разностью его концентраций в растворе, а в связи с разницей его термодина­ мической активности (например, диффузия углерода на границе сварки легиро­ ванной и нелегированной стали или разнолегированных сталей).

При исследованиях было установлено, что если сварное соединение со­ стоит из сталей с различным содержанием легирующих элементов, то незави­ симо от содержания в этих сталях углерода направление его перемещения оп­ ределяется разницей в легированности контактирующих сталей. Перемещение Углерода при этом может происходить даже из стали с меньшей его концентра­ цией в ту сталь, где и так содержание углерода выше. Такая диффузия называ­ ется восходящей.

Объясняется это следующим образом. Если у атомов легирующего эле­ мента силы связи с атомами углерода меньше, чем у атомов железа, то атомы Углерода отталкиваются от атомов такого элемента и стремятся попасть в ок­ ружение только атомов железа. Таким элементом является, например, кремний.

Следовательно, данный легирующий элемент увеличивает термодинами­ ческую активность атомов углерода к перемещению его в участки, не содер­ жащие атомов этого легирующего элемента. К таким элементам в сталях отно­ сятся кремний, кобальт, никель.

Если же в растворе а- или y-Fe имеются атомы легирующего элемента с сродством к углероду большим, чем железо, то углерод будет стремиться за­ крепиться у этих атомов и его активность к перемещению понизится. Понижа­ е т термодинамическую активность углерода в железе атомы карбидообразуюЧщх элементов: Mn, Сг, Mo, W, V, Ti и др.

Количество вещества М, перемещающееся в связи с разностью его тер­ модинамической активности в различных участках твердого раствора, опреде­ ляется выражением

do.

М = D a — (другая редакция I закона Фика), cbc

где da/dx - градиент термодинамической активности.

По показателю термодинамической активности углерода в а- или у- растворе сваренных сталей можно судить о склонности сварного соединения

к образованию МХН на границе раздела в связи с тиффузией углерода из ста­ ли с большей активностью углерода в сталь с меньшей его активностью.

Коэффициент, определяющий активность перемещения углерода на гра­

нице легированной и нелегированной стали,определяется следующим образом:

где Nc - атмосферная доля легирующего элемента; алс и ас - активности углеро­ да в растворах легированной и нелегированной сталей.

Остановимся на различии термодинамической активности углерода в

феррите и аустените как легированных, так и нелегированных сталей.

В a-Fe углерод энергетически закреплен слабее, чем в y-Fe, и поэтому

его активность в феррите намного выше, чем в аустените (а растворимость со­ ответственно наоборот).

Поэтому если при какой-либо температуре существуют ферритные и ау­ стенитные участки (зерна, поверхности), а это, в частности, может быть при на­ греве в интервале АС{ - АСз, то углерод будет перемещаться из феррита в ау­

стенит до установления равновесной концентрации при данной температуре:

нии, так и устранении МХН, в протекании рекристаллизации, высокотемпера­ турной пластической деформации — ползучести, в проникновении водорода в зону сварного шва.

В свою очередь, и сама диффузия зависит от плотности несовершенств кристаллического строения, ускоряется при пластической деформации, в ходе рекристаллизации, зависит от величины и знака внутренних напряжений.

6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

6.1. Назначение термообработки

Статистические данные свидетельствуют о большой вероятности экс­ плуатационных разрушений конструкций, термически необработанных после сварки.

Термическая обработка положительно влияет на надежность сварных конструкций, так как позволяет снять в большинстве случаев отрицательные последствия от воздействия сварки, особенно при нарушении оптимального режима.

Ее эффект определяется выравниванием структуры различных зон свар­ ного соединения, снятием наклепа и эффекта деформационного старения в зо­ нах концентрации напряжений, устранением хрупких закалочных структур в ОЩЗ и шве, снижением общей напряжённости изделия за счет снятия полей остаточных напряжений и т.п.

Включение операции термической обработки в общий цикл изготовления сварной конструкции позволяет резко снизить вероятность образования и раз­ вития различного рода технологических дефектов и, прежде всего, холодных трещин при сварке закаливающихся сталей. В условиях проведения этой операции непосредственно после сварки закаливающихся сталей с подогревом без охлаждения изделия могут быть снижены требования к предельному со­ держанию водорода в присадочных материалах.

При назначении термической обработки сварных конструкций необходи­ мо учитывать основные факторы, определяющие свариваемость сталей и свойства сварных соединений.

Требования к режиму термической обработки зависят от легирования и способа выплавки стали, метода сварки и легирования шва, способов и объёма контроля изделия, условий работы и ряда других условий.

Термическая обработка является трудоёмкой операцией и заметно повы­ шает стоимость конструкций. Для крупных узлов стоимость термической об­ работки составляет 25-28 % от общей стоимости сварочных работ. Поэтому термическая обработка должна назначаться только в тех случаях, когда уста­ новлено, что работоспособность и надёжность конструкции, не прошедшей

термическую обработку после сварки, не обеспечивается другими средствами

и что применение термической обработки даёт положительный результат.

Не следует назначать термическую обработку для конструкций, давно и успеш­ но эксплуатируемых в аналогичных условиях, или для вновь проектируемых конструкций, имеющих прототип, подтверждающий надёжность их эксплуата­ ции без проведения термической обработки.

Общая классификация факторов, определяющих назначение термической обработки сварных конструкций, приведена на рис. 6.1.

В этой схеме под конструкциями общего назначения понимается широкая группа сварных узлов, которые используются в строительстве, машинострое­ нии и других отраслях народного хозяйства, эксплуатируются в условиях кли­ матического диапазона температур ±60 °С и не подвергаются воздействию аг­ рессивной среды. Их термическая обработка может проводиться для сохране­ ния стабильности размеров изделия и для повышения хрупкой и усталостной прочности.

Для строительных конструкций характерны сравнительно низкие требо­ вания к точности и малый объем или полное отсутствие механической обработ­ ки после сварки. Они изготовляются из низкоуглеродистых и низколегирован­ ных сталей умеренной прочности, сравнительно малочувствительных к воз­ действию термодеформационного цикла сварки (ТДЦС).

В связи с тенденцией повышения прочности строительных конструкций предъявляются повышенные требования к свариваемости строительных сталей, обеспечивающие проведение сварочных работ без подогрева.

В большинстве случаев такого рода конструкции успешно эксплуатиру­ ются в исходном состоянии после сварки. Лишь при сочетании ряда неблаго­ приятных факторов - низкой температуры, большой толщины и повышенной прочности сталей, наличия разных концентраторов напряжений, с работой из­ делия в условиях значительных вибрационных и ударных нагрузок возникает необходимость в термической обработке. Но и тогда такая обработка использу­ ется лишь для отдельных наиболее напряженных узлов.

Особенностями машиностроительных конструкций являются разнооб­ разный характер нагрузок и механическая обработка значительной части по­ верхности при высоких требованиях к точности и чистоте.

Они изготовляются из сталей широкой номенклатуры - от низкоуглеро­ дистых до среднелегированных, высокой прочности и пониженной сваривае­ мости с использованием разнообразных методов - от дуговых до ЭЛС и ЭШС.