4. Холодные трещины в сварных швах высоколегированных сталей, причины их возникновения и меры предотвращения

1. В отличие от горячих холодные трещины образуются при температурахниже 290°С, когда металл приобретает высокую твердость.

2. По характеру распространения в металле холодные трещины являются в основном транскристаллитным разрушением металла. Зарождаясь на границах зерен (чаще всего на стыке трех зерен), холодные трещины затем распространяются как по границам, так и пре­имущественно по телу зерен.

3. За мальм исключением они могут образоваться в закаливающихся сварных швах и в околошовной зоне основного металла, склонного к закалке.

4. Наиболее часто холодные трещины обнаруживаются в швах и в околошовной зоне со­единений высоколегированных сталей и сварных швах мартенситного класса, свариваемых про­волокой или электродами идентичного класса (например, в швах типа 16Х13, 12Х17Н2,14Х12В2МФ, 15X11МВФ и др.). Реже они встречаются в аустенитных швах (например, в хромоникелькремнистых, содержащих более 6% Si).

5. Появление видимых холодных трещин в швах почти всегда сопровождается характер­ным звоном. Их появление связано с местным увеличением объема металла при образовании мартенсита и с возникновением сварочных напряжений в сварном соединении.

6. Непременным условиями образования закалочных (холодных) трещин являются:

- низкая температура распада аустенита (по некоторым литературным данным ниже 290° С),

- наличие достаточно больших объемных напряжений,

- появление крупных игл мартенсита,

- наличие большого количества высоколегированного феррита в высокохромистых закаливающихся швах.

7. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования холодных трещин возрастает.

8. Повышение содержания углерода и насыщение сварочной ванны водородом также способствует образованию и развитию холодных трещин:

- после завершения кристаллизации и последующего остывания металла шва выделение из него водорода не прекращается. Даже при комнатной температуре из пересыщенного твердо­го раствора металла может довольно длительное время выделяться водород, причем атомы во­дорода выделяются не только в атмосферу, но и в мельчайшие дефекты кристаллической решетки металла и в неметаллические включения, скопляясь в них в виде молекул под большим давлением;

- возникшее давление в сочетании со структурными напряжениями (при превращении аустенита в мартенсит (при закалке и подкалке) объем металла увеличивается) и вместе со сварочными напряжениями обусловливают зарождение и развитие холодных трещин;

- водород способствует образованию и развитию холодных трещин не только в закали­вающемся шве, но и в околошовной зоне. В результате растворения водорода в сварочной ванне при сварке создается разница его концентрации между затвердевшим швом и металлом околошовной зоны. Эта разница концентрации и высокие температуры металла обусловливают интенсивную диффузию водорода из шва в околошовную зону. При дальнейшем охлаждении свар­ного соединения в металле происходит превращение аустенита в мартенсит. Вследствие меньшей растворимости водорода в феррите (мартенсите) по сравнению с аустенитом атомы его выделяются из твердого раствора, собираясь, как отмечалось, в молекулярном виде в дефектных местах решетки.

8. По имеющимся литературным данным при сварке сталей 20X13, 14Х17Н2 и других подобных швами, по составу близкими к основному металлу, образованию холодных трещин спо­собствует кремний при его количестве в шве более 0,5%. В связи с этим желательна окис­лительная защитная среда при сварке этих сталей.

9. Как было показано ранее, повышение окислительной способности защитной среды при дуговой сварке (увеличение содержания кислорода в защитном газе, введение активных окислов во флюс, в покрытие электродов или в сердечник порошковой проволоки) способст­вует уменьшению насыщения металла сварочной ванны водородом, а также снижению содер­жания кремния в шве, благодаря чему стойкость последнего против образования не только го­рячих, но и холодных трещин возрастает.

10. Отличительной особенностью холодных трещин, кроме низкой температуры образования, являетсязамедленный характер их развития. Как правило, они зарождаются по истечении некоторого времени после окончания сварки и затем на протяжении нескольких минут, часов, а иногда даже суток распространяются по длине и глубине шва. Причем, наряду с развитием ранее образовавшихся трещин, появляются и развиваются новые. Это особенно относится к трещинам при сварке толстого металла. По достижении некоторой определенной величины трещины в швах могут развиваться мгновенно (взрывоподобно), со звоном.

11. Холодные трещины в шве и в околошовной зоне могут быть продольные и поперечные. Продольные холодные трещины имеют такой же внешний вид, как и горячие трещины, поперечные же — расположены, как правило, перпендикулярно оси шва.

12. Поскольку образование холодных трещин связано с температурой превращения ау-стенита в мартенсит, элементы, снижающие эту температуру, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин.

К таким элементам прежде всего относится углерод. Чем больше углерода или других элементов, снижающих температуру мартенситного превращения, тем при меньшем содержании водорода образуются холодные трещины. Кремний не относится к этим элементам, однако, как уже отмечалось, при повышении его содержания более 0,5% в высокохромистых мартенситных швах увеличивается склонность их к образованию холодных трещин.

13. В швах с 10—14% хрома повышение количества хрома, молибдена и других элементов-ферритизаторов (особенно кремния, но не титана) снижает трещиноустойчивость металла,а введение в шов элементов-аустенитизаторов(марганца, никеля), предотвращающих появление в нем ферритной фазы,повышает стойкость против образования холодных тре­щин.

14. Наиболее действенной мерой предотвращения появления закалочных трещин при сварке толстолистового высокохромистого металла и заварке раковин его литья являетсяпредварительный и сопутствующий местный или общий подогрев изделий и последующее медлен­ное охлаждение:

- при подогреве свариваемой стали повышается температура превращения аустенита в мар­тенсит и уменьшается интенсивность нарастания сварочных напряжений, благодаря чему пре­дотвращается образование холодных трещин;

- для повышения пластичности и вязкости металла шва и околошовной зоны изделия из высокохромистых закаливающихся сталей подвергают высокому отпуску;

- режим подогрева и отпуска изделий из закаливающихся сталей зависит от состава и толщины свариваемого металла, а также от жесткости закрепления соединений. Для ряда сталей эти режимы указаны в НД и справочной литературе.