Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Т.В. Ольшанская
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. СВАРИВАЕМОСТЬ И СВАРКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2015
УДК 621.791 О-56
Рецензенты:
д-р техн. наук И.В. Домбровский
(ЗАО «СКБ», г. Пермь); канд. техн. наук, доцент И.Ю. Летягин
(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Ольшанская, Т.В.
О-56 Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка : учеб. пособие / Т.В. Ольшанская. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2015. – 242 с.
ISBN 978-5-398-01479-2
Рассмотрены основные конструкционные материалы, применяемые при изготовлении сварных конструкций. Описаны структура и свойства конструкционных и специальных сталей и цветных сплавов, особенности их свариваемости. Представлены основные способы сварки, режимы и сварочные материалы. Рассмотрены основные критерии выбора режима сварки различных материалов.
Предназначено для подготовки бакалавров по профилю подготовки «Оборудование и технология сварочного производства» по направлению подготовки 150700.62 «Машиностроение» и магистров в рамках магистерской программы «Лучевые технологии в сварке» по направлению подготовки 150700.68 «Машиностроение».
УДК 621.791
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки Россииврамкахбазовойчастигосзадания№1201460538.
ISBN 978-5-398-01479-2 |
© ПНИПУ, 2015 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ |
6 |
1. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ............................................................. |
9 |
1.1. Состав и механические свойства сталей.............................................. |
9 |
1.2. Свариваемость низколегированных сталей....................................... |
14 |
1.3. Технология сварки и свойства сварных соединений........................ |
25 |
1.4. Термическая обработка сварных соединений................................... |
32 |
2. МИКРОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ (ВЫСОКОПРОЧНЫЕ |
|
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ) ........................................................................... |
33 |
2.1. Состав и механические свойства микролегированных сталей ....... |
33 |
2.2. Свариваемость микролегированных сталей...................................... |
37 |
2.3. Особенности технологии сварки микролегированных сталей........ |
38 |
3. ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫЕ СТАЛИ (ЖАРОПРОЧНЫЕ |
|
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ПЕРЛИТНОГО КЛАССА) ............... |
42 |
3.1. Общая характеристика сталей ............................................................ |
42 |
3.2. Свариваемость теплоустойчивых сталей .......................................... |
44 |
3.2.1. Выбор оптимальных режимов сварки ..................................... |
48 |
3.2.2. Предварительный и сопутствующий подогрев ...................... |
53 |
3.2.3. Отдых сварной конструкции .................................................... |
54 |
3.2.4. Термическая обработка сварной конструкции ....................... |
55 |
3.3. Технология сварки теплоустойчивых сталей ................................... |
58 |
3.3.1. Ручная дуговая сварка ............................................................... |
63 |
3.3.2. Сварка в среде защитных газов ................................................ |
65 |
3.3.3. Сварка под слоем флюса ........................................................... |
68 |
3.3.4. Электроконтактная сварка ........................................................ |
69 |
4. ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ ................................................................... |
71 |
4.1. Низколегированные бейнитно-мартенситные стали ....................... |
72 |
4.1.1. Состав и свойства сталей .......................................................... |
72 |
4.1.2. Свариваемость низкоуглеродистых |
|
бейнитно-мартенситных сталей ......................................................... |
74 |
4.1.3. Технология сварки бейнитно-мартенситных сталей .............. |
82 |
4.2. Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали ..................... |
88 |
4.2.1. Состав и свойства сталей .......................................................... |
88 |
4.2.2. Свариваемость мартенситно-бейнитных сталей .................... |
90 |
4.2.3. Технология сварки мартенситно-бейнитных сталей .............. |
96 |
3
4.3. Общие рекомендации по сварке высокопрочных сталей ............. |
102 |
4.4. Низколегированные мартенситные стали ...................................... |
103 |
5. ПРИНЦИПЫ ЛЕГИРОВАНИЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ |
|
СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ ............................................................................... |
109 |
5.1. Классификация высоколегированных сталей и сплавов .............. |
109 |
5.2. Влияние хрома и легирующих элементов на структуру |
|
и свойства высоколегированных сталей ............................................... |
112 |
6. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ |
|
МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА ................................................................... |
118 |
6.1. Состав и свойства сталей ................................................................. |
118 |
6.2. Свариваемость высоколегированных мартенситных сталей ...... |
121 |
6.3. Технология сварки и свойства сварных соединений .................... |
123 |
7. МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫЕ СТАЛИ ............................................. |
131 |
7.1. Состав, свойства и назначение сталей ............................................ |
131 |
7.2. Свариваемость мартенситно-ферритных сталей ........................... |
134 |
7.3. Технология сварки и свойства соединений ................................... |
137 |
8. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ФЕРРИТНОГО КЛАССА ...... |
142 |
8.1. Состав и свойства сталей ................................................................. |
142 |
8.2. Свариваемость ферритных сталей .................................................. |
146 |
8.3. Выбор теплового режима сварки .................................................... |
151 |
8.4. Технология сварки и свойства соединений ................................... |
152 |
9. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕСТАЛИАУСТЕНИТНОГОКЛАССА .... 156 |
|
9.1. Основные свойства и классификация ............................................. |
156 |
9.2. Коррозионно-стойкие стали и сплавы ............................................ |
157 |
9.3. Жаропрочные стали .......................................................................... |
160 |
9.4. Свариваемость высоколегированных аустенитных сталей .......... |
162 |
9.4.1. Структура металла шва и зоны термического влияния ....... |
162 |
9.4.2. Особенности свариваемости аустенитных сталей ............... |
165 |
9.4.3. Склонность к межкристаллитной коррозии |
|
при эксплуатации .............................................................................. |
172 |
9.5. Сварка аустенитных сталей ............................................................. |
176 |
10. АЛЮМИНИЙ И ЕГО СПЛАВЫ .......................................................... |
190 |
10.1. Алюминиевые сплавы .................................................................... |
191 |
10.2. Свариваемость алюминиевых сплавов ......................................... |
197 |
10.3. Технология сварки алюминия и его сплавов ................................ |
207 |
11. ТИТАН И ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ .................................................... |
218 |
11.1. Основные свойства титана ............................................................ |
218 |
4
11.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства |
|
сплавов титана .......................................................................................... |
221 |
11.2.1. Легирование, фазовый состав и классификация |
|
титановых сплавов .......................................................................... |
221 |
11.2.2. Влияние легирующих элементов |
|
на физико-механические свойства титана ................................... |
226 |
11.3. Свариваемость титана и его сплавов ............................................. |
228 |
11.3.1. Титановые сплавы с α- и псевдо-α-структурой .............. |
231 |
11.3.2. Двухфазные титановые (α + β)-сплавы ............................ |
234 |
11.3.3. Титановые β- и псевдо-β-сплавы ..................................... |
236 |
11.4. Технология сварки титановых сплавов ......................................... |
238 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................ |
241 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Применяемые при изготовлении сварных конструкций различные материалы должны удовлетворять определенным требованиям как эксплуатации, так и технологии сварки. К требованиям эксплуатации можно отнести следующие: прочность конструкции при статической или динамической нагрузке, при нормальной, низкой или высокой температуре, под действием тех или иных активных сред.
Комплексную технологическую характеристику поведения металлов при сварке дают исследования свариваемости. Свариваемость характеризуется совокупностью свойств. Методики, которая позволила бы однозначно характеризовать комплексное понятие свариваемости, нет. Поэтому для оценки свариваемости проводят различные испытания, выбор которых зависит от назначения конструкции, от свойств используемых металлов и сплавов.
Под воздействием процесса сварки структура и свойства металла могут изменяться:
1.В процессе кристаллизации металла шва под влиянием возникающих при сварке растягивающих напряжений возможно образование кристаллизационных трещин, являющихся весьма серьезным дефектом. В металле шва могут образовываться и холодные трещины. Трещины, как правило, являются очагами зарождения процессов разрушения сварных конструкций.
2.Под воздействием источника теплоты, применяемого при сварке, может измениться структура основного металла, граничащего со швом. Эти изменения могут привести к образованию околошовных холодных и горячих трещин.
3.Процессы, происходящие в околошовной зонеи в металле шва при сварке, могут стать причиной перехода металла в хрупкое состояние, существенноснижающеестойкостьсварногосоединения.
6
4. В результате особых условий, при которых происходит кристаллизация сварочной ванны, и металлургических реакций, протекающих в сварочной ванне, а также вследствие применения сварочных материалов (электродный или присадочный материал, газошлаковая защита) металл шва по химическому составу и структуре отличается от основного металла. Всё это может привести к заметному изменению прочностных и других специальных характеристик металла шва и зоны термического влияния по сравнению с аналогичными характеристиками основного металла.
Учитывая все эти изменения, происходящие под воздействием процесса сварки, в комплекс испытаний свариваемости включаются испытания механических свойств металла шва и сварного соединения при различных температурах и специальные испытания (износостойкости, коррозионной стойкости и т.д.).
Очень часто требования эксплуатации и требования сварки оказываются противоречивыми. В наибольшей степени это проявляется при сварке сложнолегированных высокопрочных сталей и сплавов, в которых в результате воздействия процесса сварки достигается упрочнение. Как правило, чем выше прочность свариваемых материалов, тем труднее обеспечить равнопрочность сварных соединений и основного металла и избежать образования холодных или горячих трещин.
Несмотря на разнообразие структурных и фазовых превращений, а соответственно, свойств и их изменений, возникающих в разных металлах и сплавах при воздействии процессов сварки, для выбора оптимальной технологии сварки все металлы и сплавы удобно разделяют на три основные группы:
1)сбольшимобъемным эффектом полиморфныхпревращений;
2)смалымобъемнымэффектомполиморфныхпревращений;
3)без полиморфных превращений.
При сварке металлов и сплавов первой группы вследствие высокого объемного эффекта полиморфного превращения ведущими в формировании структуры и свойств, как правило, являются мартенситное превращение и отпуск мартенсита; второй груп-
7
пы – кристаллизация, эвтектоидный распад и старение закаленных высокотемпературных фаз; третьей группы – кристаллизация (особенно эвтектическая), рекристаллизация и старение. Общей для материалов второй и третьей групп является невозможность исправления грубой кристаллической структуры металла шва и рекристаллизованной структуры зоны термического влияния последующей термической обработкой из-за малого объемного эффекта полиморфного превращения или отсутствия фазовой перекристаллизации.
8
1. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
Низкоуглеродистые низколегированные стали перлитного класса используют в различных конструкциях вместо углеродистых. Их применение взамен низкоуглеродистых сталей, имеющих сравнительно невысокую прочность, пониженное сопротивление хрупкому разрушению и повышенную чувствительность к механическому старению, позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики и снизить металлоемкость конструкций на 20–50 %. К низколегированным сталям предъявляется комплекс различных требований. Главными из них являются повышенная и высокая прочность (основной показатель – предел текучести) и малая склонность к хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости). Эти стали должны также иметь хорошую свариваемость, обрабатываемость резанием, формоизменяемость и т.п. Низколегированные стали широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений, эксплуатируемых в температурном интервале от –70 до +475 °С взависимости от химического состава и структурного состояния, обеспеченноготермообработкой.
1.1. СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ
Для получения низколегированных сталей в металл вводят в небольших количествах различные легирующие добавки: марганец, кремний, хром, никель и др. Суммарное содержание легирующих элементов составляет не более 5 % (не считая углерода).
Содержание углерода в низколегированных сталях не превышает 0,23 %. Углерод, образуя с железом твердый раствор, значительно упрочняет феррит – намного больше, чем элементы, образующие растворы замещения. В феррито-перлитных сталях углерод оказывает значительно большее влияние на временное сопротивле-
9
ние σв, чем на предел текучести σт, поэтому он уменьшает отношение σв/σт, которое является в определенной степени показателем надежности конструкции. В то же время с повышением содержания углерода ухудшаются ее пластические и вязкие свойства, снижается сопротивление хрупкому разрушению. Также с повышением содержания углерода в значительной степени ухудшается свариваемость стали.
Одним из наиболее эффективных средств повышения механических свойств низкоуглеродистых сталей является их упрочнение за счет легирования такими элементами, как кремний, марганец, и повышение дисперсности структуры посредством термической или термомеханической обработки.
Содержание марганца в низколегированных сталях перлитного класса обычно 1,1–1,8 %. При содержании 0,15 % углерода это дает повышение предела текучести до 390 МПа (по сравнению с 310 МПа без марганцовистой стали). При содержании марганца в таких сталях более 1,8 % ухудшаются пластичность, ударная вязкость и свариваемость стали.
Кремний упрочняет сталь в такой же степени, как и марганец. Однако его содержание в большинстве низколегированных сталей ограничивается 0,8 %. Причиной этому является низкая ударная вязкость кремнийсодержащих сталей, особенно при низких температурах. Это свойство усугубляется значительной склонностью кремния к ликвации, что отрицательно сказывается на свариваемости стали.
Содержание никеля в низколегированных сталях не превышает 1 %. Этот элемент, незначительно упрочняя сталь, положительно влияет на пластичность и ударную вязкость, повышая сопротивляемость стали хрупкому разрушению. Содержание никеля часто ограничивается ввиду его дефицитности.
Хром существенно упрочняет сталь в случае комплексного легирования, при этом он положительно влияет на хладостойкость. Он практически не оказывает отрицательного действия на свариваемость низколегированных сталей, содержащих до 0,9 % Cr.
10