книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

исчезают упругие деформации. После освобождения из приспособления изделие сохраняет необходимую форму. Подробные сведения о различных методах устра­ нения сварочных деформаций и напряжений приведены в работе [4].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Винокуров В. А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. М.. Машиностроение, 1973. 213 с.

2.Кудрявцев И. В., Наумченков И. Б. Усталость сварных конструкций. М.. Маши­

ностроение, 1976. 270 с.

3.Михайлов В. С. Правка судовых сварных конструкций. Л., Судостроение, 1972.

152 с.

4.Сагалевич В. М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений. М.# Машиностроение, 1974. 248 с.

5.Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.а Маши­ ностроение, 1976. 200 с.

6.Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. Киев, Наукова думка» 1973. 216 с.

Г л а в а 14

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ ПРИ СВАРКЕ

Технологическая прочность — способность материалов выдерживать без разрушения различного рода воздействия в процессе их технологической обра­ ботки. При сварке различают технологическую прочность металлов в процессе кристаллизации (горячие трещины) и в процессе фазовых и структурных превра­ щений в твердом состоянии (холодные и другие виды трещин). Для оценки техно­ логической прочности используют следующие показатели: 1) склонность сварных соединений к образованию трещин, определяемая при сварке образцов' проб лабораторного назначения, которые предусматривают интенсивное развитие од­ ного или нескольких факторов, обусловливающих образование трещин; 2) сопро­ тивляемость металла в различных зонах сварного соединения образованию тре­ щин при сварке, определяемая испытанием сварных образцов внешне приложен­ ными нагрузками и оцениваемая количественным показателем; 3) стойкость свар­ ных соединений против образования трещин; зависит как от сопротивляемости материалов образованию трещин, так и от величины сварочных деформаций или напряжений; ее определяют путем сварки образцов технологических проб отраслевого назначения, включающих основной и сварочный материалы, тип и жесткость сварного соединения, термические и климатические условия сварки применительно к определенному виду сварных конструкций; степень (или группа) стойкости оценивается указанным выше комплексом условий сварки образца пробы, при которых еще не образуются трещины.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ (горячие трещины)

ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Горячие трещины при сварке — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны (ОШЗ), возникающие в твердожидком состоя­ нии в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом состоянии, на этапе преимущественного развития вязко-пластической дефор­ мации. Такие дефекты могут возникать в сварных соединениях конструкционных сплавов при всех способах сварки плавлением. Характерные виды горячих тре­ щин представлены на рис. 1, а их топография — на рис. 2.

Для анализа причин появления горячих трещин определяют высокотемпера­ турные деформации и сопоставляют их с деформационной способностью металла в процессе сварки.

Деформации металла при сварке определяют дифференциальным методом [19]:

где е — деформация металла при сварке; есв — температурная деформация в сво­ бодном состоянии; е„ — наблюдаемая деформация при сварке.

Величину есв для шва определяют по его усадке, а для металла околошовной зоны измеряют на дилятометрах, Величину ен обычно определяют эксперимен-

тально. Деформации при сварке измеряют на малых базах бесконтактным мето­ дом [26]. Менее точны контактные методы с деформометрами рычажного, емко­ стного, индуктивного типов [2, 27].

Изменение высокотемпературных деформаций при сварке описывается тем­ пом а = де/дТ ~ tg Р (рис. 3). Он неоднозначно зависит от жесткости сваривае­ мых элементов, их закрепления, теплофизических свойств металла, q/vCUt исв и определяется в основном синхронностью изменения ен и температуры на базе измерения. Максимум его может как опережать, так и отставать от максимума термического цикла (рис. 3, а, кривые ен1 и еп2). В первом случае на этапе кристал­ лизации развиваются деформации удлинения ен1, но по величине, согласно фор­ муле (1), они меньше, чем при е„ = 0 (рис. 3, в, кривая е0). Во втором случае в период кристаллизации деформация удлинения в затвердевающем металле резко увеличивается (ем2 на рис. 3, б). Такой характер развития деформаций выявлен вдоль и поперек оси шва, а также по толщине и может иметь место как при сварке незакрепленных элементов малой жесткости, так и жестких закреплен­ ных элементов [25, 27]. Увеличение жесткости заготовок и их закреплений, снижая еп, увеличивает в в первом случае и снижает их — во втором.

Рис. 2. Топография горячих тре­ щин в сварных соединениях:

1 — 2 — п р о д о л ь н ы е в ш в е и о к о л о ш о в - н о й з о н е : 3 — 4 — п о п е р е ч н ы е в ш в е и

Механические свойства при высоких температурах. Свойства определяют

вусловиях сварки, т. е. с учетом неравновесности структуры и концентрации деформации в шве. Первое условие достигается при имитации термического цикла

вобразцах электроконтактным или индукционным нагревом, а оба условия — непосредственно при сварке испытуемых образцов. Для испытаний такого типа созданы испытательные машины ЛТП-3-5 (МВТУ), ИМЕТ-1, Терморестор (Япо­ ния). В машине ЛТП-3-5 (рис. 4) обеспечивается свободный нагрев образца выше

температуры солидуса, а на этапе охлаждения — растяжение до разрушения с большой (до 50 мм/с) или малой скоростью, регулируемой в 104 раз. Машина ИМЕТ-1 отличается лишь тем, что разрушение образца производится электро­ магнитом, т. е. с большой скоростью, при которой определяются свойства Для данной температуры испытания (более важны испытания с регулируемыми ско­ ростями, при которых проявляется склонность металла к вязкому течению, имею­ щему место при образовании горячих трещин). При испытаниях стержневые или пластинчатые образцы из основного металла нагревают до максимально возможных температур (не изменяющих геометрических размеров образца), а разрушают на этапе охлаждения. Образцы со сварным швом нагревают до тем­ пературы испытания, а разрушают по околошовной зоне (ОШЗ) или по шву, если его сечение уменьшено надрезом.

Однако использование образца с надрезом препятствует определению пла­ стичности непосредственно в температурном интервале хрупкости (ТИХ), где она снижается до 0,1—0,5%. Более достоверные сведения о пластичности швов в ТИХ получают при дозировании деформации кристаллизующегося металла*

Рис. 3. Характер развития высокотемпературных деформаций в условиях сварки:

а — с и н х р о н н о е е Нх и н е с и н х р о н н о е e Ht р а з в и т и е н а б л ю д а е м ы х п о п е р е ч н ы х д е ф о р м а ц и й

т у р н о й д е ф о р м а ц и е й ьс в в с в о б о д н о м с о с т о я н и и и н а б л ю д а е м о й д е ф о р м а ц и е й ен п р и с и н ­

н ом е ь н е с и н х р о н н о м е а р а з в и т и и е н и п р и ен = 0 (с л у ч а й с у в е л и ч е н н о й ж е с т к о с т ь ю п о к а ­ зан ш т р и х о в о й л и н и е й )

Рис. 4. Эскиз образца (а) и схема машины (б) для оценки прочности и пластичности металла в условиях сварки:

О пластичности судят по абсолютной величине деформации, при которой исчер­ пывается пластичность и возникает трещина. Эффективна методика [28], где кристаллизующийся стыковой шов растягивают поперек оси путем импульсного перемещения пластин на дозируемую величину Л (рис. 5, а). Увеличивая А

Рис. 5. Схема определения границ ТИХ, пластичности шва в ТИХ и характер ее за­ висимости от режима сварки:

а — с х е м а р а с т я ж е н и я ш ва в п р о ц е с с е с в а р к и ; б — о п р е д е л е н и е н и ж н е й и в е р х н е й г р а н и ц ТИХ

п о д л и н е / т р т р е щ и н ы и р а с п р е д е л е н и ю т е м п е р а ­

т у р ы Т (х) п о д л и н е ш в а (Л — о г и б а ю щ а я к о н ц о в т р е щ и н , о п и с ы в а ю щ а я р а с п р е д е л е н и е п л а с т и ч ­ н о с т и п о д л и н е ш в а ); в — и з м е н е н и е A m j n п р и

у в е л и ч е н и и с к о р о с т и с в а р к и д л я с п л а в о в ; 1 —

12Х18Н9Т; 2 — 09Х16Н4Б; 3 — ХН78Т

Рис. 6. Схема нарастания деформаций е', е" и в*' металла шва, изменения его прочности о и пластичности Ô в процессе сварки; ТЛ и Тс — температуры ликвидус и солидус; ô, Ô'

иÔ" — изменение пластичности; ТВ9 ТН1, Ти2

иГнз — верхняя и нижние границы THXi,

ТИХ2 и ТИХ3; б3 — запас пластичности в ТИХх при деформации в"'; ркр — темп нара­ стания деформации при исчерпании, пластич­ ности в THXi критический

при испытании серии образцов до образования трещины, находят Дт1п, по кото­

рой оценивают пластичность. Чтобы определить границы ТИХ, увеличивают А до значений 5— 10Amln. При этом стабилизируется длина трещины, что позволяет

измерить температуру у концов трещины в момент деформирования. Так находят верхнюю Тв (рис. 5 ,^ и нижнюю Тн границы ТИХ. Эта методика учитывает влияние состава шва и режима сварки на ТИХ и пластичность металла шва (рис. 5, а), но не определяет его прочность в ТИХ.

Механизм образования горячих трещин. Результаты исследований позво­ ляют дать обобщенную схему изменения прочности и пластичности сплавов в про­ цессе кристаллизации при сварке (рис, 6). Выше Г„ металл ванны находится

висимости от темпа снижения толщины пленок в результате кристаллизации двойной, тройной и т. д. эвтектик. На стенках трещин, возник­ ших в ТИХр обнаруживаются

Рис. 7. Схема образования раз­ личного переохлаждения АТ в слое 0Л жидкой фазы на меж­ фазной поверхности (а), его влияние на форму фронта кри­ сталлизации (б) и пластичность Amin швов в ТИХ (в); Г д — рас­

пределение действительной тем­ пературы; Tz — распределение температуры плавления; / — плоский; II — ячеистый; III — дендритный фронт кристаллиза­ ции

ры Г н1, при которой сопротивление сдвигу для пленок меньше, чем для объемов кристаллитов. Ниже Ти1 в деформировании участвует весь объем металла, что резко увеличивает его пластичность и исключает хрупкое разрушение.

Второй интервал хрупкости (ТИ ХП) существует в твердом состоянии для

однофазных сплавов с высокой диффузионной подвижностью атомов основы. После затвердевания в них начинается процесс миграции границ зерен из зон срастания столбчатых кристаллитов в более равновесные положения, что при­ водит к образованию новой, обогащенной примесями сетки границ зерен, пере­ секающих объемы кристаллитов (см. рис. 1, б). Зарождение трещин на этих гра­ ницах связано с продолжающейся пластической деформацией металла, приводя­ щей к выходу дислокаций на границы зерен и образованию ступенек, раскры­ вающихся в результате притока вакансий в процессе межзеренного скольжения [4]. Указанные процессы приводят к снижению пластичности и появлению TH X JJ

ниже температуры солидуса: степень ее снижения больше при малой скорости деформации. По экспериментальным данным Ти2 = 0,6 -г- 0,7ТПЛ; ниже этой тем­ пературы снижается диффузионная подвижность вакансий и прекращается раз­ витие микрополостей на границах. Для низколегированных сплавов отмечено слияние THXj и ТИ Хи . В ряде работ выявлен третий интервал хрупкости.

с максимумом его на фронте кристаллизации (рис. 7, а). Его признак — отсутствие обогащенных участков в объемах и зонах срастания кристаллитов (рис. 8, а, 9, а). Пластичность таких швов высока, а ТИХ мал. При увеличении легирования или скорости сварки растет слой переохлажденной жидкой фазы на межфазной поверхности (рис. 7, б), что приводит к потере устойчивости плоского фронта и к его преобразованию, соответствующему кристаллизации ячеистого или денд­ ритного типа и первичной структуры аналогичного названия. Первый из них дает швы с минимальной пластичностью и большим ТИХ. Они отличаются круп­ ными кристаллитами с линейными зонами срастания (рис. 8, б), по которым располагаются протяженные участки, обогащенные более легкоплавким компо­ нентом (рис. 9, б). Для ряда сплавов швы такого строения склонны к образова­ нию как кристаллизационных, так и подсолидусных трещин. Ячеисто-дендритный

Рис. 10. Распределение относительной деформа­ ции 8 при объемной (а) и линейной (б) схемах кри­ сталлизации металла шва:

/ — экспериментальные дан­ ные, полученные на поверх­ ности шва в ТИХ с по­ мощью киносъемки [26];

2 — теоретическое распреде­ ление

и особенно дендритный тип кристаллизации характеризуется большим концент­ рационным переохлаждением с максимумом в глубине жидкости (рис. 7, б). Это приводит к развитию ветвей второго порядка, что обеспечивает фрагмента­ цию поверхности кристаллитов, препятствующей их скольжению (рис. 8 и 9, в). Это повышает пластичность сплавов в TMXj и предотвращает ТИХП.

Для швов столбчатого строения пластичность шва в ТИХ зависит и от схемы кристаллизации, т. е. от взаимной ориентации осей кристаллитов. Различают линейную, плоскую и объемную схему. Минимальная пластичность у швов с ли­ нейной схемой, когда оси кристаллитов прямолинейны и расположены в плоско­ сти ху (рис. 10, б). Пластичность в ТИХ выше для швов, оси кристаллитов ко­ торых изогнуты в плоскости (плоская схема) и особенно в объеме ванны (объемная схема) (рис. 10, а). Такие швы образуются при малых скоростях сварки, если мал объем или переменна глубина сварочной ванны. Швы с мелкодендритной равноосной структурой (см. рис. 8, г и 9, г) образуются при значительном пере­ охлаждении металла и наличии в нем активных центров кристаллизации. Пла­ стичность таких швов наиболее высока.

Условие технологической прочности и ее критерий. При сварке плавлением кристаллизация металла совмещена с вязко-пластическим деформированием в ТИХ, что может исчерпать его деформационную способность. Графическая интерпретация этого случая — пересечение функций е и Ô, дана на рис. 6, что согласно теории, сформулированной H. Н. Прохоровым, определяется совокуп­