 |
4.3. Характеристика основных изменений структуры
|
|
|
|
4. 3. Характеристика основных изменений структуры
и свойств в зоне термического влияния
Изменение размеров и формы зерен. В зоне плавления при ацетилено-кислородной сварке металл находится в жидком состоянии довольно длительное время в зависимости от объёма расплавленного металла, т. е. от толщины свариваемых листов и диаметра присадочного металла. Отсюда следует, что размеры кристаллизующихся зёрен увеличиваются до некоторого предела с увеличением толщины свариваемых листов. Структура металла шва при газовой сварке весьма крупнозернистая с неправильной формой кристаллитов и с крайне неравномерным и хаотичным их распределением. На кромках разделки кристаллизация происходит в направлении, перпендикулярном изотермам отвода тепла, напоминая кристаллизацию в изложницах.
В зоне сплавления, образованной одновременно расплавленным перегретым основным металлом, структура также грубозернистая.
Примыкающая к металлу шва зона перегрева основного металла характеризуется чрезвычайно крупнозернистой структурой; в этой зоне часто возникает видманштеттова структура. По мере удаления от оси сварного шва размер зерна уменьшается.
Диаграмма, приведённая на рис. 4. 4, отражает изменение отношения поверхностей зёрен s/s0, где s0 – начальная поверхность зёрен отожжённого металла, а s – средняя поверхность зёрен в данной точке, определяемой расстоянием от оси сварного шва.
 |
Рис. 4. 4. Влияние термического цикла сварки на величину зёрен основного металла: кривая С – ацетилено-кислородная сварка, кривая А – электродуговая сварка
Для ацетилено-кислородной сварки (кривая С) видно, что отношение s/s0 часто бывает более 16 в зонах перегрева и плавления. Для электродуговой сварки (кривая А) это отношение составляет примерно 12.
|
|
|
При электрической дуговой сварке объём расплавленного металла весьма незначителен и процесс кристаллизации происходит почти мгновенно. Отсюда следует, что столбчатая структура зоны плавления более мелкозернистая, чем при ацетилено-кислородной сварке, и характеризуется удлинёнными или иглообразными зёрнами. Такая структура, главным образом, характерна для верхних слоёв шва электрической дуговой сваркой.
Если сварка производится в несколько проходов, то термическое воздействие верхних слоёв модифицирует металл шва, в результате чего образуются равноосные зёрна небольших размеров. Эта структура характерна для средних слоёв металла шва.
В зоне сплавления ориентация зёрен достаточно резко выражена; она может быть изменена термической обработкой при наложении последующих слоёв.
Зона перегрева основного металла сравнительно невелика; эта зона характеризуется максимальной крупнозернистостью (кривая А на рис. 4. 4), затем зерно измельчается в зоне сплавления, по крайней мере, в середине по толщине основного металла благодаря термическому воздействию последующих слоёв.
4. 3. 1. Физико-химические превращения
В зоне металла шва температура достигает точки плавления при скорости последующего охлаждения порядка 300…400оС/мин. Эта область максимальной закалки; но проблема осложняется сопутствующими химическими превращениями, в частности, для обычной стали – выгоранием полезных примесей: углерода, кремния и марганца. Поэтому данная зона отчасти меньше закалена, чем соседние зоны основного металла.
В зоне перегрева основного металла, которая расположена в нескольких миллиметрах от оси сварного шва, также достигаются высокие температуры (1100…1500оС) с последующим быстрым охлаждением (скорость охлаждения 200…300оС). Термическое воздействие, характер которого определяется маркой стали, вызывает обязательный рост зерна и существенные превращения. В этой зоне химические превращения не происходят, следовательно, конечную микроструктуру определяет термический цикл сварки.
|
|
|
В зоне нагрева, подвергаемой воздействию температур несколько выше 900оС, или в зоне отжига, металл отличается нормализованной структурой, однако подобное превращение не может быть полным, так как скорость охлаждения достаточно велика (170.. 200оС/мин).
В зоне термического влияния, которая расположена в температурном интервале А1 – А3 (720…900оС), изменения могут носить различный характер, в частности, в этой зоне может происходить сфериодизация пластинчатых структур и появляется тенденция к коагуляции частиц без существенного изменения ферритных зёрен. Эта область зоны термического влияния может быть расположена от оси шва на расстоянии 20.. 25 мм при толщине свариваемого листа 10 мм. За этой зоной основной металл не претерпевает превращений, если металл до сварки был в отожжённом состоянии.
Если же основной металл перед сваркой подвергался термической обработке (закалка, отпуск) или механической обработке, то превращения в зоне перегрева будут аналогичны описанным выше превращениям, но в других областях зоны термического влияния, а в остальных частях основного металла могут происходить новые изменения, характер которых трудно предусмотреть.
Температуры, достигаемые в различных зонах превращения, обусловливают в случае электрической дуговой сварки значительно более высокие скорости охлаждения, что вызывает более резкую закалку металла.
Практически различные зоны весьма сконцентрированы, располагаясь на длине 4.. 5 мм от линии сплавления независимо от толщины листа.
Таким образом, зоны с различной структурой сосредоточены в весьма малом объёме; они перекрывают друг друга, образуя сложное строение вследствие многократного воздействия термических циклов сварки (рис. 4. 5).
 |
Рис. 4. 5. Схема влияния термического цикла при многопроходной сварке на структурные превращения в основном металле
|
|
|
Наложение слоёв также оказывает модифицирующее воздействие на структуру зоны перегрева и, следовательно, на механические характеристики сварного соединения (рис. 4. 6).
 |
Рис. 4. 6. Влияние числа проходов при сварке на изменение твёрдости перегрева: Химический состав основного металла: 0, 28 % C; 0, 54 % Mn; 0, 18 % Si
Влияние отпуска можно установить по изменению твёрдости в различных точках этой зоны. Например, для точки А первый проход приводит к значительному росту твёрдости, составляющей 165% от первоначальной твёрдости основного металла. Затем в этой же точке твёрдость начинает снижаться, стабилизируясь, начиная с третьего прохода, и составляет 125% начальной твёрдости.
В точках В, С и D зоны перегрева влияние последующих слоёв также в итоге приводит к выравниванию механических свойств и структуры, за исключением, может быть, областей, расположенных около точки D (рис. 4. 6).
|
|
|
