12 Классификация сталей, свариваемость

Классификация сталей. Принципы классификации.

1. По назначению: конструкционные, пружинные, инструментальные, котельные, судовые и тд.

2. по свойствам: кислотостойкие, жаростойкие, теплоустойчивые, быстрорежущие и тд,

биметаллические материалы и методы их получения

3. по химическому составу: по содержанию углерода (до 0,25; 0,25…0,45; свыше0,45…или свыше 0,5%С.; по раскисленности(к, пс, с, Табл.1); по методам контроля(только х/с; х/с и свойства; обьем контроля свойств); по содержанию легирующих элементов(н/л Σ≤5% и ≤2% каждого; с/л 5…10% и в/л > 10%);сплавы

4. по способу выплавки: электро-(дуговые, плазменные, шлаковые), в индукционных печах (втч, вакуумные), конверторные, бессемеровские, мартеновские

5. по способу переработки: холодно- или горячекатаные, литые, кованные

6. по свариваемости

Химический состав стали ГОСТ 380 по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	углерода	марганца	кремния
Ст0	Не более 0,23	-	-
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст1пс	0,06-0,12	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст1сп	0,06-0,12	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст2кп	0,09-0,15	0,25-0,50	Не более 0,05
Ст2пс	0,09-0,15	0,25-0,50	0,05-0,15
Ст2сп	0,09-0,15	0,25-0,50	0,15-0,30
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05
Ст3пс	0,14-0,22	0,40-0,65	0,05-0,15
Ст3сп	0,14-0,22	0,40-0,65	0,15-0,30
Ст3Гпс	0,14-0,22	0,80-1,10	Не более 0,15
Ст3Гсп	0,14-0,20	0,80-1,10	0,15-0,30
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05
Ст4пс	0,18-0,27	0,40-0,70	0,05-0,15
Ст4сп	0,18-0,27	0,40-0,70	0,15-0,30
Ст5пс	0,28-0,37	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст5сп	0,28-0,37	0,50-0,80	0,15-0,30
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15
Ст6сп	0,38-0,49	0,50-0,80	0,15-0,30

Кое что о металлах.

Маркировка сталей:

Например: Ст 3псВ3, Сталь 20,

Сталь 15 Х1М1ФА

Хром	Х	Кобальт	К	Никель	Н
Алюминий	Ю	Кремний	С	Ниобий	Б
Бор	Р	Марганец	Г	Селен	Е
Ванадий	Ф	Медь	Д	Титан	Т
Вольфрам	В	Молибден	М	Азот	А*

*– только в высоколегированных сталях , не в конце.

Основной легирующий элемент – углерод

Бронзы например Бр.АЖМц10-3-1,5(алюминий,железо,марганец); Бр.КМц3-1; МНЖКТ5-1-0,2-0,2(медь, никель,железо,кремний,титан)

Понятие свариваемости.

Под физической свариваемостью понимают совокупность таких свойств металлов и сплавов, как способность их к взаимной растворимости и диффузии в твердом и жидком состояниях, совместной кристаллизации расплавленных основного и присадочного металлов.

Технологическая свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на процесс сварки и определяющей его относительную техническую пригодность для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям последующей их эксплуатации. Чем больше количество применимых к данному металлу способов сварки и шире для каждого способа сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость. Определение понятия свариваемости приведено в ГОСТ 29273-92.

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.»

Качественные оценки свариваемости сталей получили широкое распространение в производственной практике как оценки степени свариваемости:

I – хорошая свариваемость – когда в заданных (достаточно широких) технологических (режимы) и конструктивных (способ) условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений;

II – удовлетворительная свариваемость – когда она обеспечивается выбором рационального режима сварки и его соблюдением в процессе изготовления изделия;

III – ограниченная свариваемость – когда необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменять способ сварки;

IV – плохая свариваемость – когда даже при всех принятых специальных технологических мероприятиях не достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений.

При оценке свариваемости главным образом при помощи проб определяют три характеристики: – стойкость против кристаллизационных трещин; – отсутствие трещин в околошовной зоне; – отсутствие перехода металла ЗТВ в хрупкое состояние. Для выс. лег. сталей еще и потеря коррозионной стойкости.

Таким образом при оценке свариваемости должны учитываться во взаимосвязи: – свойства материалов; – тип, габариты и назначение конструкции; – технология сварки.

Испытания на свариваемость.

1. Методы испытания стойкости к горячим трещинам (образцы переменной жесткости)

2. Методы испытания стойкости шва и околошовной зоны к появлению холодных трещин (образцы повышенной жесткости).

3. Методы испытания всех зон на переход в хрупкое состояние (мех. испытания, структурный анализ).

4. Испытания на стойкость к потере технологических свойств (коррозионных, механических, износостойкости и др).

Факторы влияющие на переход металла в хрупкое состояние:

Внутренние:

– соединения фосфора

– укрупнения зерна

– нитриды (азот)

– гидриды и флокины (водород)

– выпадение охрупчивающих фаз (интерметаллиды)

Внешние:

– концентраторы напряжений

– динамическое нагружение

– низкие температуры.

Основные свойства материалов (металлов) влияющие на их свариваемость.

Физические:

1. Одно, двух или многофазная структура (например Ti α или α + β, сталь А или А + Ф)

2. Наличие фазовых переходов в твердом состоянии (полиморфизм)

3. Температуры фазовых переходов (в т ч – плавления)

4. Температуры плавления возможных (наиболее частых) химических соединений металла

5. Растворимость газов в твердой и жидкой фазах

6. Коэффициент линейного расширения (18-8)

7. Пластичность в различных диапазонах температур

8. Вязкость жидкого металла и ее зависимость от температуры (чугун, титан)

9. Теплопроводность

10. Плотность

11. Способность поглощать или отражать фотоны (при лазерной сварке)

12. Магнитные свойства.(например, в сталях при ЭЛС или магнитное дутье при РДС, пермаллой)

Химические:

1. Химическая активность при различных температурах

2. Экзо или эндо- термические реакции

3. Влияние пассивационных пленок

4. Склонность к образованию карбидов, боридов и др.

5. Токсичность (цинк, свинец, бериллий)

Технологические:

1. Склонность к образованию горячих трещин

2. Вероятность образования хрупких структур (в т ч закаливаемость)

3. Склонность к росту зерна

4. Состояние поставки (история): литье, нагортовка, термообработка, горячая ковка и т. д.

5. Загрязненность примесями

6. Дефектность (поры, расслоения, включения) α

7. Состояние поверхности

8. Толщина и геометрические формы

9. Соответствие чертежу

(Все эти факторы применительно к каждому материалу инженер сварщик должен знать и учитывать)

Основные факторы определяющие свариваемость конструкционных материалов.

Свариваемость сталей: определяется содержанием углерода, других легирующих и толщиной.

Низкоуглеродистые стали (Рис.14) с содержанием углерода С  0,20 % свариваются без ограничений, С = 0,21…0,25% и S  100 мм – требуется подогрев 100…150 ^оС.

Почему нужен подогрев? Для уменьшения напряжений нужно уменьшать погонную энергию, но при этом растет скорость охлаждения и вероятность появления трещин.

Низколегированные конструкционные стали: 15ГС, 16ГН, 09Г2С и др. при S  30 мм свариваются также, как и низкоуглеродистые. При S > 30 мм подогрев 100…150 ^оС.

Низколегированные теплоустойчивые стали (хромо-молибденовые) см таблицу (Рис.14), требуют предварительного подогрева и последующей термической обработки.

Среднелегированные стали повышенной прочности варятся только с подогревом и последующей термической обработкой. Для оценки температуры предварительного подогрева используются эмпирические уравнения влияния легирующих элементов на склонность к хрупкому разрушению. У разных авторов могут различаться набор элементов и коэффициенты при них, но принцип построения сохраняется. В частности по Д. Сефериану с учетом толщины стали:

Т _{предв. подогр}. = 350 ,

С_э = С% + 1/9(Mn% + Cr%) + 1/18Ni% + 1/13Mo%.

S – толщина стенки, мм

В случае невозможности подогрева и ТО всей конструкции применяют предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием сварочных материалов не склонных к образованию трещин.

Высоколегированные стали в зависимости от класса могут по-разному воспринимать цикл сварки.

Большое количество легирующих элементов может приводить к химической и, как следствие, структурной неоднородности.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов склонны к закалке и требуют подогрева.

Стали легированные азотом могут образовывать хрупкие трещины в ЗТВ.

Стали аустенитного класса склонны к горячим трещинам. Избежать их можно, добавив в металл шва 5…10% ферритной фазы. Рассчитать требуемый хим состав металла шва позволяет диаграмма Шефлера (Рис. 15).

Важным для высоколегированных сталей является не допустить в процессе сварки потери эксплуатационных свойств (прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и тд).

Особенностями высоколегированных хромо-никелевых сталей являются:

– низкая теплопроводность

– большой коэффициент линейного расширения (≈ в 1,5 раза больше, чем углеродистых сталей)

– большая вязкость жидкого металла.

Разнородные стали

Свариваемость соединений из сталей относящихся к разным структурным классам связана , в основном, с тремя факторами:

– Существенное различие коэффициентов линейного расширения

– Образование хрупких структур в шве в процессе перемешивания

– Развитие структурной неоднородности (как правило, в зоне сплавления) в следствие, в том числе, диффузии углерода в строну металла с большей предельной растворимостью.

(Процесс диффузии углерода в сталях (при сварке, термообработке и эксплуатации) начинается с 350 ^оС и наиболее интенсивно идет в интервале 550…800 ^оС.)

– Возникшие напряжения в сварных соединениях разнородных сталей нельзя снять (или уменьшить) термообработкой.

Алюминий и его сплавы.

Сварка чистого Al производится редко в основном в электротехнической промышленности где используется холодная сварка давлением.

Al сплавы делятся на две большие группы: термоупрочняемые и деформируемые т.е. упрочняемые наклепом (нагортовкой, деформацией). Общие для всех сплавов проблемы свариваемости следующие:

1. На поверхности металла всегда имеется плотная тугоплавкая пленка Al₂О₃, с температурой плавления 2050 ^оС, при Т_пл Al = 660 ^оС. Пленка препятствует растеканию и смачиванию жидкого металла и образует острые чешуйчатые оксидные включения.

2. Высокая жидкотекучесть и резкое падение прочности твердого металла при высоких температурах (вблизи Т_пл) приводит к возможности проливания сварочной ванны.

3. Большая теплопроводность требует применения источников большой мощности или высокой концентрации мощности.

4. Большая величина коэф. линейного расширения и низкий модуль упругости определяют высокую опасность деформирования конструкции.

5. Высокая растворимость газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и очень низкая в твердом металле приводит к выделению 90…95% газа в момент кристаллизации, что приводит к интенсивной пористости.

6. Грубая столбчатая кристаллическая структура шва способствует развитию структурной неоднородности и наряду с П2 появлению горячих трещин особенно у сплавов типа АМг и АМц. (Al-Mg; Al-Mn)

7. При сварке деформируемух сплавов происходит существенная потеря прочности в зоне рекристаллизации (АМг и АМц).

8. Термо упрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg или Al-Cu-Mg (дюрали), или сплавы с большим содержание Si ≥ 5% (силумины) склонны к охрупчиванию и появлению холодных трещин через некоторое время после сварки.

Технологические приемы применяемые при сварке: качественная очистка места сварки (травление, механическая очистка); подформовка стыка; переменный ток или обратная полярность; правильный выбор присадочного материала.

Титан и его сплавы.

Химически активный конструкционный материал – горит в чистом азоте.

Т_пл  1665С. При нормальной температуре закрыт плотной оксидной и нитридной пленкой. Способен растворять водород в больших количествах. Максимальная растворимость водорода при Т  1200С. В этой точке ЗТВ наиболее вероятно охрупчивание. Газы образуют с металлом химические соединения (TiO₂, TiN, Ti₃N, TiH₂), которые при повышении температуры растворяются в металле, приводя к снижению пластичности. Содержание газов в металле должно быть ограничено: кислорода до 0,15%, азота до 0,05%, водорода до 0,01%.

Титан имеет полиморфное превращение  ↔  при температуре 882С, поэтому в процессе остывания первичная кристаллическая структура измельчается, что способствует хорошей свариваемости однофазных  – сплавов. Двух фазные  +  сплавы обладают повышенной прочностью и твердостью, но при сварке склонны к образованию хрупких структур и трещин.

Физические особенности:

Коэффициент теплового расширения в 1,5 раза меньше, чем у углеродистых и в 3 раза меньше, чем у высоко легированных аустенитных сталей. Теплопроводность низкая примерно в 2,5 раза ниже, чем у стали, но в интервале температур 1500 ↔ Т_пл увеличивается почти в 5 раз. Вязкость жидкого металла при средней температуре сварочной ванны в 5 раз больше чем при Т_пл, что приводит к образованию газовых полостей и подрезов при автоматической сварке.

Т.о, физико-технологические свойства для большинства титановых сплавов положительные, при условии хорошей защиты.

Медь и ее сплавы.

Характерной проблемой при сварке меди является ее высокая теплопроводность ( в 9 раз больше, чем у стали, и в 14 раз больше, чем у нержавеющей стали) и низкая температура плавления 1083С, поэтому сварка меди идет, как правило, с малой скоростью при большом тепловложении и вся конструкция прогрета.

Медь весьма пассивна. Очень мала растворимость водорода, азот по отношению к меди вообще является инертным газом. Окислы имеют Т_пл выше чем Т_пл(Cu) и всплывают на поверхность сварочной ванны. (CuO – 1336, Cu₂O – 1235С), при повышенном содержании кислорода образуется эвтектика Cu - Cu₂O с температурой плавления 1064 С, снижающая пластичность металла.

Латунь (Cu + Zn), Zn – 10…40%. Цинк легко окисляется. Окись цинка – летучее ядовитое соединение. В результате испарения Zn (Т кипения 907С) образуется пористость.

Сплавы меди с другими металлами (кроме Zn ) называются бронзами. В качестве конструкционных применяются:

– оловянистые

– алюминиевые

– хромистые

– бериллиевые и др.

Каждая имеет свои проблемы: – оловянистые хорошо сваривается, но склонны к пористости из-за кипения олова; – при сварке алюминиевых бронз (1,5…8%Al), с поверхности приходится удалять окисную пленку, как при сварке Al; – хромистые бронзы (БрХ1, БрХ07) почти чистая медь; – бериллий еще более ядовит, чем цинк, поэтому бериллиевую бронзу как правило не сваривают.

Цирконий.

По свариваемости и физико-химическим свойствам очень близок с титаном, но еще более активен по отношению к газам. Сварку выполняют преимущественно в камерах с Ar. Для сварных конструкций обычно используют не чистый Zr, а его сплавы с небольшим количеством ванадия или ниобия для повышения пластичности.

Магний.

Сварочные проблемы такие же как и у Al, однако окисная пленка MgO еще более тугоплавкая (2500 ^оС), но более рыхлая и не так плотно держится на поверхности. Кроме того, Mg способен воспламеняться на воздухе. Для конструкций применяются сплавы с Al (МА-1, МА-3).

Тугоплавкие металлы.

Вольфрам, молибден, тантал, ниобий.

Являются весьма активными при высоких температурах и образуют, как правило, хрупкие сварные соединения, особенно Mo и W. Сварку тугоплавких металлов ведут обычно в вакууме электронным лучом.

Бериллий.

Активный и ядовитый металл, при этом очень легок и прочен. Сваривают только диффузионной сваркой в вакууме.

Полиэтилен и другие пластмассы

Не электропроводный и плохо теплопроводный материал, что приводит к неравномерному нагреву по толщине стенки (трубы). Применяют нагрев с помощью ТЭНов (радиационный), ВЧ индукторов, потоков горячего воздуха с последующим сдавливанием или вдавливанием присадки.