книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

Для тонколистового металла переход к кристаллизации дендритного типа и повышение сопротивляемости горячим трещинам достигается при импульсной сварке и сварке с электромагнитным перемешиванием (сварке с ЭМВ), обеспечи­ вающих прерывистый рост твердой фазы. Сварка с ЭМВ эффективна и для голстолистового металла (рис. 17). Но наиболее эффективный путь перехода к кристал­ лизации дендритного типа для толстолистового металла состоит в введении при­ садочного металла в виде гранул или проволоки в затвердевающую зону свароч­ ной ванны по схемам, приведенным на рис. 18. При этом сопротивляемость обра­ зованию горячих трещин возрастает в 1,8—2 раза, а при достижении дендритной равновесной структуры в центре ш ва— еще значительнее [17,23]. Наиболее перспективным и надежным способом получения такой первичной структуры является введение присадок специального состава в ту зону хвостовой части ванны, где исключается перемешивание всего объема металла.

Рис. 17. Влияние скорости сварки, силы тока и электромагнитного поля (ЭМВ) на появление горячих трещин при сварке под флюсом образцов жесткой пробы № 1 (см. рис. 12) из хромоникельмолибденовой стали:

В результате получают швы переменного состава по сечению, исключающие образование горячих трещин не только в шве, но и в ОШЗ [30]. Последний эффект связан с уменьшением теплового воздействия в ТИХ на ОШЗ со стороны металл^ шва, теплосодержание которого снижается при введении значительного количества присадки, достигающего 100% по отношению к количеству расходуемого электрода»

Кристаллизация шва необходимого типа при ручной дуговой сварке достИгается его легированием, обеспечивающим получение шва с двухфазной струк­ турой с заданным количеством второй фазы (а-фазы, эвтектики и др.). В резуль­ тате двухфазной кристаллизации происходит резкое измельчение кристаллитов шва и нарушается их столбчатое строение, что существенно повышает сопротив­ ляемость образованию горячих трещин кристаллизационного и подсолидусног0 типа; этот прием широко распространен для сплавов алюминия, магния, ауств- нитно-ферритных сталей [4, 21].

Для однофазных сплавов, в швах которых по условиям эксплуатации недо­ пустима вторая фаза, в качестве легирующих элементов используют Mo, W, МО»

Наиболее изучены холодные трещины двух первых разновидностей типа «откола» и «отрыва» и установлен ряд закономерностей их образования. Трещины образуются непосредственно после окончания сварки при охлаждении ниже 200— 100 °С, а также в послесварочный период в течение нескольких суток. Тре­ щины могут возникнуть в том случае, если металл в одной из зон сварного соеди­ нения претерпевает полную или частичную закалку. Ориентировочно минималь­ ная доля мартенсита в структуре перлитных сталей, при которой возможно обра­ зование холодных трещин, составляет 25—30%.

Исследование шлифов, свободной поверхности сварных соединений и излома трещин показывает, что холодные трещины состоят из очага разрушения и участка развития трещины (рис. 20). Разрушение на участке очага осуществляется по границам действительного аустенитного зерна и наблюдается как практически хрупкое. Участок развития часто имеет смешанный характер, т. е. трещина проходит как по границам, так и по телу зерен и сопровождается заметной пласти­ ческой деформацией окружающего металла. Сопоставление границ действитель­ ных аустенитных зерен в конечной структуре с оплавленными границами в около-

Основными факторами, обусловливающими возникновение трещин, явля­ ются: 1) структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа; 2) уровень растяги­ вающих сварочных напряжений первого рода, определяемый жесткостью сварной конструкции, режимом сварки, типом металла шва и другими причинами; 3) со­ держание и распределение водорода в металле сварного соединения после сварки, зависящие от концентрации водорода в атмосфере дуги, исходного содержания водорода в основном металле и других условий.

Холодные трещины являются одним из случаев замедленного разрушения «свежезакаленной» стали [21, 22]. Закономерности замедленного разрушения следующие: 1) разрушение возникает после некоторого инкубационного периода при деформировании с малыми скоростями ( é ^ 1(Г4 1/с) или нагружении посто­ янной нагрузкой; при этом сопротивляемость разрушению много меньше кратко­ временной прочности и зависит от времени действия нагрузки; 2) сопротивляе­ мость разрушению постепенно возрастает с увеличением времени после термиче­ ского воздействия (от 1 суток до 1 года) в результате так называемого процесса «отдыха»; 3) склонность к разрушению полностью подавляется при охлаждении ниже —70 °С, восстанавливаясь при последующем нагреве до 20°С, заметно ослаб­ ляется при нагреве до 100— 150 °С и полностью исчезает при нагреве до 200—

300°С.

Замедленное разрушение свежезакаленной стали связано с микропластиче-

ским течением по границам зерен. Последнее объясняется наличием в структуре мартенсита такой стали высокой плотности незакрепленных, способных к легкому скольжению краевых дислокаций. Микропластическая деформация проявляется преимущественно в виде сдвигов по границам и в приграничных зонах аустенит­ ных зерен [9]. Эти данные позволяют предположить, что очаги холодных трещин образуются в соответствии со схемой Зинера, только относительное смещение соседних зерен обусловлено не вязким течением [21, 24], а микропластической деформацией в приграничных зонах и по границам зерен.

Торможение процесса замедленного разрушения и образования трещин при отрицательных температурах связано с термоактивированным характером микропластической деформации и объясняется снижением еескорости более, чем в ЮМраз по сравнению с деформацией при 20 °С. Повышение сопротивляемости холодным трещинам в процессе выдержки после сварки в течение нескольких суток при 20° С и нескольких часов при 100—200 °С связано с сегрегацией углерода на дисло­ кациях и их закреплением, скорость которой определяется составом стали и тем­ пературой. Подтверждением этому является совпадение кинетики развития обоих процессов во времени. Другие послеза калочные процессы в мартенсите (разупорядочение твердого раствора с образованием кубического мартенсита, распад с вы­ делением промежуточных карбидов и т. д.) не получают развития до закрепления дислокаций атомами углерода [9].

Очаги трещин могут иметь субмикроскопические (несколько десятков дисло­ каций) или микроскопические (диаметр зерна) размеры. Образование и развитие очагов в макротрещины подчиняются различным закономерностям. Предполага­ ется, что процесс образования очагов представляет собой упругий разрыв атом­ ных связей при достижении локальными напряжениями теоретической прочности и контролируется в основном поверхностной энергией, имеющей порядок 102— 104 эрг/см2. Развитие микротрещины связано с возникновением около ее вершины области пластической деформации и контролируется в основном энергией пласти­ ческого течения, которая может быть оценена приведенной величиной — неко­ торой эффективной поверхностной энергией порядка 105— 10е эрг/см2. Таким об­ разом, для развития микротрещин требуются более высокие напряжения, чем для их образования. Поэтому в некоторых случаях они могут существовать в свар­ ных соединениях, не влияя на их работоспособность при эксплуатационных на­ грузках, меньших критических. Субмикротрещины, видимо, вообще могут «за­ растать» в результате упорядочения дефектной структуры металла в процессе «отдыха». При нагрузках выше критических микротрещины получают развитие, что приводит к разрушению конструкций.

Влияние водорода на склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке согласуется с явлением обратимой водородной хрупкости [9]. Обрати­ мая водородная хрупкость обусловлена атомарным (или ионообразным) водоро­ дом, образующим пересыщенный твердый раствор в местах концентрации трехос­ ных растягивающих напряжений, в первую очередь в зонах вокруг острия суб­ микротрещин. При повышении содержания водорода снижается критический размер субмикротрещин и соответственно уменьшается сопротивляемость их развитию в микротрещины. Водород наиболее заметно снижает сопротивляе­ мость стали трещинам [9, 22] в случае образования в сварных соединениях смешанной перлитно-мартенситной, бе^нитной или структуры низкоуглеродис­ того мартенсита (в том числе низкотемпературного у мартенситно-стареющих сталей). При структуре среднеуглеродистого мартенсита влияние водорода не­ значительно или практически отсутствует. Это отражает одну из особенностей обратимой водородной хрупкости, заключающуюся в том, что она проявляется, если другие факторы (температура, структурные превращения и т. п.) не соз­ дают в металле предельной степени хрупкости или вообще его не охрупчивают.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ СТАЛЕЙ ОБРАЗОВАНИЮ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН

Применяемые в настоящее время методы приведены в табл. 3. Один из косвенных методов — расчетное определение эквивалента углерода СЭКв (табл. 3, А. 1.1). Различные исследователи предложили более десятка выражений для С8кв> существенно отличающихся коэффициентами при легирующих элементах. В практике часто применяется выражение [22]

Стали с Сэкв ^ 0,45 не склонны к холодным трещинам при сварке. При Сэкв > 0,45 появляется потенциальная возможность их образования в определен­ ных условиях. Значения Сэкв характеризуют прокаливаемость стали, т. е. некото­

которые во всем диапазоне сварочных скоростей охлаждения не закаливаются до твердости выше HV 350. Однако для сталей, имеющих Сэкв > 0,45, его нельзя считать показателем склонности к трещинам. Такие попытки на основании пред­ полагаемой связи Сэкв с максимальной твердостью металла сварного соединения не обоснованы.

Параметр трещинообразования, предложенный японскими исследователями

дике МИС путем наплавки сварочных материалов на образец 10Х25Х 110 мм в мед­ ном зажимном приспособлении и помещения его в вакуумное измерительное уст­ ройство до полного выделения диффузионного водорода [1, 40]; k0характеризуется силой сопротивления, соответствующей перемещению кромки соединения на 1 мм и отнесенной к единице толщины металла и длины шва. Коэффициент k0в ряде случаев может быть рассчитан с помощью методов теории упругости или определен экспериментально нагружением соединения. Для различных по жесткости свар­ ных соединений k0 = 50 ч- 400 кгс/(мм2-мм). Если Pw > 0,285, го в сварных соединениях (с X-, V- и U-образными разделками) вероятно образование холодных трещин. Величина Pw служит основанием для назначения теплового режима сварки (времени охлаждения ^кр от 300 до 100 °С), исключающего трещины при сварке низколегированных сталей мартеновской выплавки с о в = 60н-80 кгс/м*м2 (рис. 22).

Сварочные технологические пробы представляют собой образцы определенной формы и размеров, которые сваривают в соответствии с установленной гехнологией. Эффективность проб характеризуется способностью воспроизводить трещины в материалах с низкой склонностью к трещинам. По возрастанию эффекшвиосги (или «жесткости») применяемые пробы можно ориентировочно расположить