Состав зон термического влияния

Зона термического влияния представляет тот объем основного металла, который при сварке нагревался ниже температуры плавления, и вызвал изменение структуры и свойств.

Характер структуры и свойств в отдельных зонах сварного соединения может быть определен из рассмотрения диаграммы состояния свариваемого сплава. Наибольшее применение в промышленности находят низкоуглеродистые стали, отличающиеся хорошей свариваемостью. Для анализа изменения микроструктуры малоуглеродистой стали, при сварке воспользуемся диаграммой железо-углерод. Намечая на диаграмме состояния температурные границы характерных зон и участков, перенесем эти границы на график распределения температур. Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сварного соединения. Это дает возможность определить линейные границы отдельных участков.

При сварке плавлением низкоуглеродистых сталей применяются сварочные материалы, при которых металл шва получается низкоуглеродистым и низколегированным. Такие стали мало чувствительны к скорости охлаждения и не закаливаются. Микроструктура шва получается, как правило, феррито-перлитной.

Переходная зона, или зона сплавления (иногда ее называют границей сплавления). У низкоуглеродистых сталей она невелика. Обычно она имеет ширину 0,08–0,1 мм при дуговой сварке и 0,15–0,20 мм при газовой и электрошлаковой сварке. Структура данной зоны обычно крупнозернистая (феррит + перлит).

Зона термического влияния нагревается до температур ниже солидуса и в зависимости от температуры нагрева разделяется на ряд участков.

Участок перегрева Что у низкоуглеродистой стали включает металл, нагретый от температур 1000–1100 °C до температур, близких к температуре плавления. В связи с этим здесь развивается крупное зерно; характерным признаком перегрева является повышенная хрупкость. При правильно выбранных режимах сварки структура участка перегрева – крупнозернистый перлит и феррит.

Участок нормализации охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки несколько выше критической точки Ас ₃ (для низкоуглеродистой стали до температур 900–1100 °С). Благодаря процессу перекристаллизации при нагреве и охлаждении и оптимальной температуре этого нагрева имеет место значительное измельчение зерна. Механические свойства этого участка весьма высокие по сравнению со свойствами других участков зоны термического влияния.

Участок неполной перекристаллизации нагревается до температур, лежащих в интервале от точки Aс ₁ до Aс ₃. Металл этого участка в процессе нагрева и охлаждения подвергается только частичной перекристаллизации. Процесс перекристаллизации доэвтектоидной стали протекает следующим образом. До нагрева основной металл имеет структуру феррит и перлит со значительным преобладанием феррита, поскольку сталь низкоуглеродистая. При нагреве в точке Aс ₁ наблюдается эвтектоидное превращение перлита в аустенит, феррит же при этой температуре никаких превращений не претерпевает. При охлаждении зерна феррита остаются без изменения, а аустенит переходит в мелкозернистый перлит. Таким образом, отличительной чертой структуры этого участка будет наличие мелких зерен перлита рядом с зернами феррита, имеющими обычные, характерные для основного металла размер и форму.

Участок рекристаллизации может иметь разную структуру в зависимости от предшествовавшей обработки. У горячекатаной или отожженной перед сваркой стали структура металла, нагревавшегося до температур ниже Ас ₁, не меняется.

Если металл перед сваркой был наклепан (путем холодной прокатки, штамповки, гибки, обработки резанием), то структурные превращения наблюдаются и на участках, которые нагревались ниже температуры Ас ₁. В холоднодеформированном металле при нагреве происходит процесс рекристаллизации, заключающийся в том, что из деформированных, вытянутых зерен вырастают новые, равноосные зерна. Величина этих новых зерен зависит от степени деформации. Температура начала процесса рекристаллизации вычисляется по формуле:

Т _р = K·Т _пл,

где K – коэффициент, зависящий от чистоты металла. У металлов обычной технической чистоты K = 0,3-0,4;

Т _пл – температура плавления, K.

Оценка свойств материалов сварных соединений

Свойства низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а также сварных соединений из них наиболее заметно изменяются при понижении температуры. При испытании гладких образцов из этих сталей пределы текучести, прочности и выносливости повышаются, а относительное удлинение и поперечное сужение понижаются.

Для оценки свойств сварных соединений и элементов сварных конструкций при пониженных температурах применяют многочисленные методы и критерии. Критерии и методы испытаний могут быть классифицированы по многим признакам, в частности, различают методы, с помощью которых определяется способность металла сопротивляться началу разрушения, и методы, с помощью которых оценивают свойства металла в процессе распространения трещины. Критерии классифицируют также по роду регистрируемой величины, разделяя, например, их на критерии, связанные с напряжениями деформацией, перемещением и затраченной энергией.

Рис. 2

Зависимость предела текучести s_т, среднего разрушающего напряжения s_р

и процента волокнистости излома В от температуры.

Наиболее распространена оценка сварных соединений и элементов сварных конструкций по разрушающей силе Р_р или среднему разрушающему напряжению s_р. С их помощью можно выявить так называемую вторую критическую температуру Т_кр2. При Т_кр2 среднее разрушающее напряжение испытываемого элемента становится равным пределу текучести металла s_т при соответствующей температуре.

Большое развитие получила механика разрушения. Одним из основных понятий в механике разрушения является коэффициент К интенсивности напряжений. Он характеризует напряженное состояние вблизи конца трещины, находящейся в нагруженном элементе. В момент начала продвижения конца трещины при механических испытаниях материала регистрируется критический коэффициент интенсивности напряжений К_Ic или К_с, который является характеристикой материала и служит для оценки его способности сопротивляться началу движения трещины при статической или ударной нагрузке в зависимости от условий проведения испытаний.

Также большое значение для оценки свойств сварных соединений и основного металла имеют энергетические критерии. Для определения свойств металла около шовных зон и шва широко применяют испытания на ударный и статический изгиб призматических образцов с получением диаграммы Р(сила) - f(прогиб образца).

Характер диаграмм Р - f при вязком (а) и хрупком (б) распространении трещины

Современные способы сварки и применяемые сварочные материалы обеспечивают получение наплавленного металла, не уступающего по хладостойкости основному металлу аналогичного химического состава, а в некоторых случаях даже превосходящего по своим свойствам основной металл. Однако при сварке имеется ряд факторов, таких как условия производства сварочных работ, качество сварочных материалов, защита расплавленного металла, термомеханическое воздействие сварки на металл, геометрическая форма соединений и другие, недостаточное внимание к которым может привести к резкому ухудшению свойств металла и снижению хладостойкости сварных конструкций.

Влияние сварки на свойства сварных соединений, эксплуатируемых при резких температурах, многообразно, оно может изменяться в широких пределах и поэтому в большинстве случаев не поддается конкретному количественному выражению. Характерным является также то, что изменения свойств носят местный, локальный характер.

Министерство образования Саратовской области государственное Автономное профессиональное образовательное учреждение саратовской области «Саратовский техникум промышленных технологий и автомобильного сервиса»