6.3. Структура и свойства металла зоны термического

влияния при сварке закаливающихся сталей

Повышение содержания углерода в стали или введение легирующих элементов в низкоуглеродистые стали значительно затормаживает распад аустенита при охлаждении. При этом снижается температура распада аустенита и в ряде случаев в качестве конечных структур появляется мартенсит – пересыщенный раствор углерода в α-железе.

Склонность стали к получению закаленных структур при распаде аустенита может характеризоваться диаграммами изотермического распада аустенита (S-образными кривыми, рис.6.4). Верхняя часть S-образной кривой характеризует распад устойчивого аустенита по диффузионному механизму с получением равновесных структур. По мере снижения температуры распада уменьшается инкубационный период (время существования устойчивого аустенита – левее кривой с 0% превращения). Структура становится дисперсной и носит название сорбита.

Распад аустенита ниже, характерной для каждой стали температуры Т_М, осуществляется бездиффузионно и конечная мартенситная структура получается при перестройке кристаллической решетки посредством сдвигов.

Превращения ниже температуры минимальной устойчивости аустенита T_min, но выше температуры начала мартенситного превращения Т_М имеют промежуточный характер и получаемая при этом структура называется бейнитной.

Рис. 6.4. S-образные кривые.

Чем больше минимальное значение инкубационного периода t_min, тем с большей вероятностью будет получен мартенсит, а не пластинчатые структуры распада аустенита (перлит и др.).

При непрерывном охлаждении (в условиях сварки) зависимости кинетики распада аустенита от температуры и времени отличаются от его распада при изотермических условиях. На рис. 6.5 показано сопоставление изотермического и анизотермического распада аустенита для одного типового состава закаливающейся стали (углеродистой с С = 0,45%).

Рис. 6.5. Кривые анизотермического распада аустенита.

Из сопоставления следует, что при анизотермическом распаде снижается температура минимальной устойчивости аустенита T_min и увеличивается инкубационный период, т.е. аустенит становится устойчивее и вероятность образования мартенсита увеличивается. Для многих сталей Т^!_min = T_min – 55.

В случае, когда известны кривые распада аустенита, можно схематически оценить влияние различных скоростей охлаждения металла на получение той или иной конечной структуры, а следовательно, и свойств.

На рис. 6.6 штриховыми кривыми 1, 2, 3 изображены различные скорости охлаждения свариваемой стали при различных способах сварки (дуговой, газовой и электрошлаковой при типичных для них значениях q_n). Кривая 1 целиком проходит внутри инкубационного участка и пересекается только с линией мартенситного превращения, следовательно, конечной структурой будет мартенсит. Кривая 2 пересекается с линией более стабильных продуктов распада – структура в этом случае будет смешанная. Для кривой 3 характерной конечной структурой является сорбит.

Рис. 6.6. Различные скорости охлаждения свариваемой стали при различных способах сварки.

Если пунктирной кривой 4 представить ту минимальную скорость охлаждения w_охл1, при которой структура получается полностью мартенситной, а пунктирной кривой 5 – максимальную скорость охлаждения w_охл2, при которой мартенсит полностью исключен, то приближенно:

где Т₁ – температура, соответствующая распаду аустенита при охлаждении с минимальными скоростями (A_r1), ⁰С; T_min – температура минимальной устойчивости аустенита при распаде в изотермических условиях, ⁰С; t_min – минимальное значение инкубационного периода начала распада аустенита (при изотермическом распаде).

Температура 350⁰С принята как наиболее характерная для мартенситной точки большинства закаливающихся сталей. Поправка к T_min 55⁰C является обычной для многих сталей для характеристики снижения T_min при непрерывном охлаждении в сравнении с T_min при изотермическом распаде.

Поправочный коэффициент 2 в знаменателе обеих формул приближенно учитывает отсутствие достаточной гомогенизации аустенита в период, предшествующий его распаду.

В связи с тем, что хрупкие структуры в сварном соединении могут способствовать образованию трещин из-за протекания деформаций и возникновения внутренних напряжений, они являются весьма нежелательными и в ряде случаев опасными. Технология изготовления сварных конструкций (выбор способа сварки, сварочных материалов, режимов и пр.) должна обеспечить максимальное исключение хрупких структур в сварных соединениях.