Причины и механизм образования горячих трещин в сварных швах

Горячие трещины при сварке - хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и ЗТВ, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах преимущественного развития межзеренной деформации. Потенциальную склонность к ГТ имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.

Горячие (высокотемпературные) трещины обычно образуются в одно­фазных аустенитных стальных швах и в швах при сварке сплавов на никелевой основе, реже они наблюдаются в ферритно-мартенситных и ферритных швах, а также в швах, получаемых при сварке углероди­стых и низколегированных конструкционных сталей. В околошовной зоне горячие трещины могут образоваться при сварке аустенитных однофазных сталей, особенно крупнозернистых. Наиболее вероятно образование горячих трещин в околошовной зоне при сварке или заварке раковин литья аустенитных сталей при повышен­ном содержании в них водорода или плохо растворимых в твердом рас­творе примесей и их легкоплавких соединений, расположенных в виде пленок или строчек по границам (зонам срастания) кристаллитов (рис.7). Согласно теоретическим представлениям, ГТ образуются при критическом сочетании значений следующих факторов (рис.8):

• температурного интервала хрупкости (ТИХ) в период кристаллизации металла шва;

• минимальной пластичности в ТИХ δ_min;

• темпа высокотемпературной свароч­ной деформации.

Рис. 7. Виды ГТ:

1,2- продольные в шве и ОШЗ; 3,4- поперечные в шве и ОШЗ

Рис. 8

С

плавы в процессе кристаллизации име­ют интервал температур, названный ТИХ, в котором значения прочности и пластичности весьма малы, а разрушение носит хрупкий ха­рактер и происходит по зонам срастания кри­сталлитов или по границам зерен.

Образование горячих трещин обусловлено низкими деформацион­ной способностью (пластичностью) и межкристаллитной прочностью металла шва (или околошовной зоны) при высоких температурах и воз­никновением и развитием растягивающих напряжений в сварном со­единении в момент минимальной прочности и пластичности. Способность металла шва сопротивляться образованию горячих трещин, т. е. спо­собность его претерпевать без разрушения лишь упруго-пластическую деформацию при высоких температурах в процессе сварки, называют технологической прочностью металла. Технологическая прочность данного металла шва определяется соотношением между его температур­ным интервалом хрупкости (ТИХ), минимальной межкристаллитной пластичностью и прочностью металла в температурном интервале хруп­кости, а также величиной и интенсивностью нарастания растягивающих напряжений и деформаций (темпом деформаций) в шве по мере пониже­ния температуры.

Из схемы (см. рис. 8) следует, что при температурах, прилегающих к ликвидусу, - Т_L значение δ велико и определяется высокой способностью металла в жидкотвердом состоя­нии к релаксации сдвиговых напряжений.

В начальный период кристаллизации по­явление твердой фазы не снижает деформаци­онную способность сплава, так как металл де­формируется за счет относительного переме­щения участков твердой фазы и циркуляции жидкой фазы между ними. По мере дальнейше­го охлаждения сплавов непрерывно снижается объем жидкой фазы и металл переходит в твердожидкое состояние, что приводит к со­прикосновению кристаллитов при деформиро­вании. Это ограничивает циркуляцию жидкой фазы и резко снижает деформационную спо­собность сплава - до минимума.

Начало роста высокотемпературной сва­рочной деформации ε_i, соответствует появле­нию сопротивления двухфазного твердожидкого металла деформирования. Интенсивность этих деформаций количественно определяется величиной темпа деформации:

α = Δε/ΔT = tgβ

где Δε - приращение высокотемпературной деформации за время охлаждения на ΔT.

Вероятность разрушения определяется соотношением между темпом деформации металла шва и его деформационной способно­стью. Количественно последнюю можно оце­нить критическим темпом деформации α_кр:

α_кр = δ_min/ТИХ = tg β_кр

Превышение α действительного α_кр ис­черпывает упруго-пластические свойства ме­талла в ТИХ и приводит к образованию ГТ.

ГТ в ТИХ₁ образуются по жидким про­слойкам в период завершения кристаллизации шва, а также в околошовной зоне (ОШЗ) по оплавленным границам в период нагрева. ГТ этого типа называются кристаллизационными или ликвационными в шве и ОШЗ соответст­венно. Эти трещины характерны для всех ти­пов сплавов.

Помимо ТИХ₁ в некоторых сплавах воз­можно существование еще одного температур­ного интервала хрупкости – ТИХ₂ при температурах ниже температуры неравно­весного солидуса в твердофазном состоянии металла. ГТ в ТИХ₂ образуются в закристалли­зовавшихся шве и ОШЗ в период интенсивного развития процессов самодиффузии атомов ос­новы сплава и миграции границ зерен. В ре­зультате этих процессов происходит межзеренное проскальзывание, приводящее к зарож­дению горячих микротрещин. ГТ такого типа называются подсолидусными. Они характерны для однофазных аустенитных и никелевых сплавов.

Под межкристаллитной пластичностью металла понимают способность его кристаллитов взаим­но проскальзывать относительно друг друга под действием напряжений без нарушения металлической связи между ними. Если температурный интервал хрупкости металла шва велик, а его межкристаллитная плас­тичность и прочность в этом интервале низки и если возрастание их с по­нижением температуры отстает от возрастания растягивающих напря­жений и деформаций в нем, то под действием последних пластичность металла быстро исчерпывается и происходит хрупкое межкристаллитное разрушение — образуется горячая трещина. Чем выше температура металла шва, при которой сжимающие напряжения и деформации в нем переходят в растягивающие, и чем раньше возникают и быстрее нара­стают эти напряжения, тем больше (при прочих равных условиях) ве­роятность образования горячих трещин. Этим, например, объясняется повышенная склонность швов к горячим трещинам при увеличении толщины свариваемого металла и швов, получаемых при сварке высо­колегированных аустенитных сталей и сплавов, по сравнению со свар­кой углеродистой конструкционной стали.

Увеличение температурного интервала хрупкости и снижение высокотемпературной межкристаллитной пластичности и прочности при сварке конструкционных и высоколегированных сталей могут быть обусловлены, как отмечалось, сегрегацией серы, фосфора, кремния, ниобия в пограничных слоях дендритов вследствие микроскопической ликвации либо сохранением (образованием) по границам дендритов и кристаллитов в процессе кристаллизации шва хрупких и непластич­ных химических соединений. Чем выше степень развития в металле шва дендритной химической неоднородности по элементам, снижающим высокотемпературную межкристаллитную пластичность и прочность металла, а также чем больше количество и, особенно, протяженность непластичных соединений, выделившихся (образовавшихся) по грани­цам дендритов и кристаллитов в процессе затвердевания металла, тем больше склонность сварного шва к образованию горячих трещин.

Немаловажную роль в повышении склонности сварных швов к образованию горячих трещин играет увеличение содержания в шве водо­рода, а также крупностолбчатая направленная структура металла. Скопляясь в процессе кристаллизации шва в неметаллических фазах между дендритами, на вторичных границах, в образовавшихся микро­скопических надрывах и ассоциируя в молекулы по мере охлаждения металла (при этом резко возрастает внутреннее давление газа в этих полостях), водород тем самым способствует образованию горячих тре­щин и, особенно, развитию их из микроскопических в макроскопи­ческие.

Большая склонность к образованию горячих трещин швов с крупностолбчатой направленной структурой по сравнению со швами с измельченными (утоненными) дендритами (ячейками), а тем более с мелкозернистой дезориентированной структурой, обусловлена следующи­ми факторами. При одинаковом количестве выделившейся избыточной фазы с низкими высокотемпературной пластичностью и прочностью или при одинаковом количестве примеси, обогащающей пограничные слои первичных дендритов и кристаллитов, удельное количество этой примеси в пограничных слоях или легкоплавких низкопрочных и не­пластичных ее соединений по границам дендритов в крупнозернистом шве больше, чем в мелкозернистом из-за меньшей суммарной поверх­ности первичных границ в одинаковом объеме первого шва по сравне­нию со вторым. Вследствие этого увеличивается температурный интер­вал хрупкости и снижается высокотемпературная межкристаллитная пластичность и прочность металла. Возможность взаимного поворота (проскальзывания) под действием напряжений столбчатых кристаллитов меньше, чем равноосных, что также обусловливает меньшую высоко­температурную межзеренную пластичность шва со столбчатой структу­рой. Кроме того, в шве со столбчатой структурой более вероятно направ­ление растягивающих усилий под большим (более близким к прямому) углом к главным осям дендритов, чем в шве с дезориентированной струк­турой.