Лекция № 5 (2 часа). 5. Свариваемость металлов. Определение понятия свариваемости. Методы оценки свариваемости и их общая характеристика. Механизм образования горячих и холодных трещин. Основные мероприятия по повышению сопротивляемости образованию трещин

Лекция № 5 (2 часа)

5. СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ СВАРИВАЕМОСТИ. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СВАРИВАЕМОСТИ И ИХ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ И ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН. ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ОБРАЗОВАНИЮ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

5. 1. Определение понятия свариваемости

ГОСТ 29273-92 «Свариваемость. Определение» даёт следующее определение свариваемости металлов: «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».

Под свариваемостью понимают способность материалов образовывать сварное соединение. Многие сплавы обладают пониженной свариваемостью, которая проявляется в ухудшении свойств ЗТВ и образовании сварочных дефектов (трещин, закалочных структур, пористости и др. ). Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость определяется свойствами соединяемых металлов, оказывающими влияние на протекание соответствующих физико-химических процессов в зоне сварного шва. Технологическая свариваемость определяет возможность применения конкретного способа сварки и качество сварного шва.

Все однородные металлы обладают физической свариваемостью. Различие в свойствах разнородных металлов приводит к тому, что не всегда возможно протекание необходимых для сварки физико-химических процессов. Поэтому разнородные металлы не всегда обладают физической свариваемостью.

Пористость сварного шва вызывает снижение его герметичности и ухудшение механических свойств соединения. Поры в шве образуются вследствие насыщения расплава газами при неполном выделении газовых пузырьков в процессе кристаллизации шва. Почти все газы хорошо растворимы в жидкой фазе, но плохо растворимы (или нерастворимы) в твёрдой фазе.

Насыщение расплавленного металла газами связано с наличием влаги в электродных покрытиях, флюсах, защитных газах (результат – насыщение шва водородом), протеканием окислительных процессов в шве (насыщение шва оксидом углерода), повреждением защиты шва (насыщение шва азотом и оксидом углерода) и чрезмерно быстрым охлаждением шва при кристаллизации (пузырьки газов не успевают перейти в атмосферу).

Основным признаком, характеризующим свариваемость сталей, является их склонность к образованию трещин.

Рис. 5. 1. Горячие (а) и холодные (б) трещины в сварных соединениях:                                       1 – основной металл; 2 – зона термического влияния; 3 – столбчатые кристаллы;                                                               4 – жидкая прослойка при завершении кристаллизации; 5 – трещины

 

Горячие трещины (рис. 5. 1а) образуются при кристаллизации шва, когда металл находится в двухфазном (твёрдожидком) состоянии. В этом состоянии металл имеет малую пластичность и прочность. При развитии внутренних сварочных деформаций растяжения возможно разрушение металла по границам жидкой и твёрдой фаз. Обычно горячие трещины образуются вдоль оси сварочного шва, в зоне стыка столбчатых кристаллов.

Склонностью к образованию горячих трещин обладают сплавы с широким температурным интервалом кристаллизации, а также сплавы с повышенным содержанием вредных примесей, соединений серы.

Холодные трещины (рис. 5. 1б) обычно возникают в ЗТВ по завершении кристаллизации. При наличии в сплаве фосфора возможно образование холодных трещин в течение 2…7 суток после сварки.

Появление холодных трещин характерно для углеродистых и легированных сталей при образовании в процессе сварки закалочных структур, интенсивном росте зёрен и повышенном содержании газов в расплавленном металле.

Склонность низкоуглеродистых сталей к образованию холодных трещин можно оценить по так называемому эквиваленту углерода, %, рассчитываемому по формуле:

 

С_экв = К_C + К_Si/24 + K_Mn/6 + K_Cr/5 + K_Ni/10 + K_Mo/4 + K_V/14 + 5K_B,

 

где К_C, К_Si, K_Mn, K_Cr, K_Ni, K_Mo, K_V, K_B – процентное содержание соответствующего элемента в стали.

 

При С_экв ≥ 0, 4 % сталь считается склонной к образованию холодных трещин.

По свариваемости стали подразделяют (ГОСТ 29273-92) на четыре группы: хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо свариваемые.

Углерод может находиться в сталях в виде цементита (Fe₃C), а в чугуне – в виде цементита и в свободном состоянии (графит). В сталях количество цементита пропорционально содержанию углерода. Цементит повышает сопротивление движению дислокаций, уменьшает пластичность и вязкость сплавов.

С увеличением содержания углерода в сталях их твёрдость, пределы прочности и текучести возрастают, а относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость уменьшаются. Вследствие этого углерод при его содержании в сталях до 0, 25 % не ухудшает их свариваемости. При более высоком содержании углерода свариваемость резко ухудшается, так как в ЗТВ формируются закалочные структуры, приводящие к появлению трещин.

Применение средне- и высокоуглеродистых присадочных материалов вызывает образование пор в металле шва.

Легирующие элементы по-разному влияют на свариваемость стали. Карбидообразующие элементы, обладающие повышенным химическим сродством к углероду, способствуют появлению закалочных структур и трещин в сварном шве и околошовной зоне. К таким элементам относятся хром, молибден, вольфрам, марганец, титан, ниобий и ванадий.

При содержании хрома до 2% образуется легированный цементит (FeCr)₃C. При содержании хрома в пределах 2…10% формируется специальный карбид (CrFe)₇C₃. При повышении содержания хрома до 10…12% образуются сложные карбиды (Cr, Fe)₂₃C₆. Они снижают коррозионную стойкость стали, существенно повышают её твёрдость в ЗТВ и интенсифицируют формирование тугоплавких оксидов, затрудняющих сварку.

Молибден и вольфрам образуют в сталях сложные карбиды – Fe₃Mo₃C(Fe₂Mo₂C) и Fe₃W₃C(Fe₂W₂C). Молибден измельчает зёрна и способствует возникновению трещин в ЗТВ. При сварке молибден активно окисляется и выгорает. Вольфрам способствует появлению закалочных структур и активно окисляется, тем самым препятствуя сварке.

Марганец повышает прочность стали, не снижая её пластичности, а при его содержании в стали 1, 8…2, 5% способствует образованию закалочных структур, что увеличивает вероятность появления холодных трещин. При содержании в стали 11…16% марганца он интенсивно выгорает.

Титан и ниобий повышают склонность стали к образованию горячих трещин.

Ванадий способствует появлению закалочных структур, чем затрудняет сварку. При сварке он активно окисляется и выгорает.

Элементы, не образующие карбидов, находятся в стали в твёрдом растворе (аустенит или феррит). Обычно эти элементы снижают устойчивость карбида железа (цементита), способствуя его распаду на феррит и свободный углерод (графит), и поэтому называются графитизирующими. К таким элементам относятся кремний и никель.

Кремний дегазирует сталь, повышает её плотность и предел текучести. Кремний при его содержании в стали 0, 02…0, 3% не вызывает ухудшения свариваемости. При содержании кремния в стали в пределах 0, 8…1, 5% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния.

Никель улучшает пластические и прочностные свойства стали, а также измельчает зёрна, не ухудшая свариваемости.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: