Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический

университет им. Р.Е.Алексеева»

(НГТУ)

Кафедра «Машиностроительные технологические комплексы.

Обработка давлением и сварочное производство»

Оценка стойкости металла против образования горячих трещин при сварке

Методические указания к лабораторной работе 11

по курсу «Теория сварочных процессов»

для студентов специальностей 150701, 151701

и др. всех форм обучения

Нижний Новгород

2012

Составитель Б.П. Конищев

УДК 621.791

Оценка стойкости металла против образования горячих трещин при сварке: метод. указания к лаб. работе 11 по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150701, 151701 и др. всех форм обучения/НГТУ; сост.: Б.П. Конищев. Н.Новгород, 2012.- 12 с.

Приводятся методы оценки стойкости металла против образования горячих трещин при дуговой сварке углеродистых и легированных сталей.

Редактор Э.Б. Абросимова

Подписано в печать Формат 60х84 1/16. Бумага газетная.

Печать офсетная. Усл. печ.л. 0,7. Уч.-изд.л. 0,6. Тираж 100 экз. Заказ .

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

© Нижегородский государственный технический

университет им. Р.Е. Алексеева, 2012

1. Цель работы – изучение методов оценки стойкости металла против образования горячих трещин и сравнительная косвенная оценка стойкости различных марок сталей против образования горячих трещин

2. Теоретическая часть

Горячие трещины при сварке образуются на завершающей стадии кристаллизации металла шва по границам кристаллитов, находящихся в жидком состоянии.

а) б) _min – минимальное значение

пластичности стали при высоких

Тэфф(50 % тверд. ф. + 50 % жид. ф) температурах

Рис. 1. Температурный интервал образования горячих трещин (а), ТИХ (б).

ТИХ – температурный интервал хрупкости – это интервал температур, в котором наблюдается провал пластичности(рис 1,б). Т_хр= Т_эфф- Т_с

₁ –внутренняя деформация, накопленная в ТИХ

- ₁<_min– нет разрушения, т.е. не образуются горячие трещины.

- ₃>_min– образуются горячие трещины.пересечение кривой внутренней деформации с кривой пластичности приводит к образованию горячих трещин.

- ₂=_min– предельно критический случай.

Образование горячих трещин определяется следующими факторами

- Величиной температурного интервала хрупкости-Т_хр;

- Значение минимальной пластичности-_min;

- Темпом внутренней деформации _вн1<_вн2<_вн3

Чем больше темп внутренней деформации _вн, тем больше возможность образования горячих трещин. Темп внутренних деформаций зависит от формы, размеров и жесткости конструкции.

Наибольшийтемп внутренних деформаций будет при сварке конструкциймалойибольшойжесткости.Наименьшийтемп – будет при сварке конструкцийсреднейжесткости.

Ч

3

ем больше минимальная пластичность стали_min, тем меньше возможность образования горячих трещин.

Чем больше величина температурного интервала хрупкости Т_хр, тем больше возможность образования горячих трещин.

Т_хр; _min зависят от химического состава стали или сплава, от содержания вредных и полезных элементов. Самым вредным элементом с точки зрения горячих трещин в металлах и сплавах является сера. Сера расширяет Т_хр и снижает _min.

Вторым вредным элементом является С, он расширяет Т_хри снижает_min.

Менее вредными элементами являются Р, Si,Ni,Cu. Полезным являетсяMn– уменьшаетТ_хри повышает_min. Марганец образует тугоплавкий сульфидMnS– Т_пл=1620^оС. Кроме марганца полезными являютсяTi,Zr,Ce,V,Mo.

В результате неравномерного нагрева и охлаждения металла в процессе кристаллизации металла шва возникает внутренние растягивающие деформации _вн, под действием которой образуются горячие трещины ( в месте стыка кристаллитов или между ними, т.е. на участках избытка серы).

Сера вызывает красноломкость, горячеломкость стали, т.е. образование горячих трещин. Горячие трещины образуются в зоне S₃(зональной ликвации).

зональная ликвация

εвн

εвн

S₃ >S₂ >S₁

а)

б) в)

Рис. 2. Ликвация серы в металле шва (а), диаграмма плавности Fe-FeS.Ni-NiS(б),

совместное влияние S, C, Mn на образование горячих трещин (в).

При затвердевании металла в результате избирательной кристаллизации легкоплавкие сульфиды и сульфидная эвтектика сосредотачиваются по границам столбчатых кристаллитов в виде жидких прослоек, имеющих в температурном интервале хрупкости очень низкую пластичность.

О

4

трицательное влияние серы уменьшается введением в сварочную ванну марганца. Обладая большей химической активностью к сере по сравнению с железом, марганец связывает серу в сульфид MnS, который имеет высокую температуру плавления (1620°С) и не образует легкоплавких прослоек по границам кристаллитов.

Влияние марганца на предупреждение горячих трещин, вызываемых серой, зависит от содержания углерода в шве. На рис. 2 в, показано совместное влияние серы, углерод и марганца в металле углового шва на образование горячих трещин при ψпр=1,5. Поле диаграммы выше данной кривой соответствует наличию, ниже - отсутствию горячих трещин.

При малом содержании углерода в шве (С = 0,1 %) и небольшом содержании марганца (Мn = 0,4 %) критическое содержание серы, выше которого в шве образуются горячие трещины, составляет S_кр = 0,06 %. С увеличением углерода при том же количестве марганца критическое содержание серы снижается: при С = 0,12 %. S_кр = 0,04 %, а при С = 0,16 % S_кр = 0,01%. .При повышении марганца в шве критическое содержание серы наоборот увеличивается. Однако положительное влияние марганца с увеличением углерода в шве уменьшается. При С = 0,16% повышение марганца в шве с 0,4 до 0,8 % увеличивает критическое содержание серы только с 0,01 до 0,02 %.

Сера переходит в металл шва из основного и электродного металлов, а также из электродных покрытий и сварочных флюсов. Во всех перечисленных материалах содержание серы ограничивается, и ее количество обусловливается лишь сложностью и дороговизной очистки шихтовых материалов.

Задача технологии сварки заключается в сведении содержания серы до минимума, обеспечивающего высокую стойкость металла шва против образований горячих трещин. По действующим стандартам в зависимости от качества стали содержание серы ограничивается величинами, указанными в табл. 1.

Таблица 1. Содержание серы в стали

Стандарт	Степень качества	Марки сталей и проволок	S, % не более
ГОСТ 380-05	обыкновенного качества	Ст. 2кп, Ст.2пс, Ст.2сп Ст. 3кп, Ст. 3пс, Ст. 3сп и др.	0,05
ГОСТ 1050-88	качественные	20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35 и др.	0,04
ГОСТ 19281-89	качественные	09Г2С, 10ХСНД, 14ХГС и др.	0,035
ГОСТ 4543-71	качественные	15Х, 20Г, 18ХГ, 20ХН и др.	0,035
	высококачественные	15ХА, 20ГА, 18ХГА и др.	0,025
	особокачественные	15Х-Ш, 20Г-Ш, 18ХГ-Ш и др.	0,015
ГОСТ 5632-72		12Х13, 12Х21Н5Т, 09Х15Н9Ю	0,025
		08Х17Н6Т, 10Х14Г14Н4Т	0,02
		09Х16Н4Б, 03Х16Н15М3Б	0,015
		10Х11Н23Т3МР	0,01
ГОСТ 2246-70	обыкновенного качества	Св-08	0,04
	качественные	Св-08А	0,03
		Св-08ГА, СВ-10НМА, Св-18ХМА	0,025
	высококачественные	Св-08АА, Св-08ХН2ГМТА	0,02
		Св-13Х25Н18, Св-01Х19Н9	0,015

Рафинированные стали и сплавы, полученные специальными методами, дополнительно обозначается через тире в конце наименования марки буквами: Ш - электрошлаковый переплав.

И

5

сключение составляют конструкционные стали высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали) по ГОСТ 1414-75, содержание серы в которых увеличено до 0,15 – 0,35%: А11, А40Г, АС14, АС45Г2 и др.

В сварочных проволоках ГОСТ 2246-70 содержание серы более ограничено, чем в сталях (табл. 1). Содержание серы в электродных покрытиях и сварочных флюсах тоже ограничивается, но более высокими пределами.

Содержание серы в никеле (ГОСТ 849-70) ограничивают до 0,001 -0,003%, никелевых сплавах (ГОСТ 412-72, ГОСТ 5632-72) - до 0,005 -0,01%.