Деформирование металла при высоких температурах сварки

В условиях сварки в результате действия мощного сосредоточенного источника тепла в свариваемом соединении появляется большой температурный градиент. Вследствие этого соседние участки металла шва и основного металла оказываются нагретыми до различных температур, а их охлаждение происходит с различной скоростью. Это приводит к затрудненному расширению нагревающегося металла и сокращению (усадке) его при охлаждении и в связи с этим возникновению соответствующих деформаций и напряжений. Известно, что для металлов характерно термическое расширение, упрощенно определенное формулой

определяется формулой (VI.24). Аналогично (пренебрегая мешающим увеличению диаметра влиянием холодного металла) диаметр d в этом объеме возрастет до d+Ad. Если убрать источник нагрева и дать стержню охладиться в свободном состоянии, то произойдет сокращение длины й диаметра до начальных размеров. Общий характер изменения размеров в зависимости от изменения температуры при нагреве и охлаждении упрощенно характеризуется ломаной 1 на рис. VI.25,б. Предположим, что перед нагревом зажали стержень между двумя абсолютно недеформирующимися стенками (рис. VI.25, в). Тогда при нагреве он удлиняться не сможет, а увеличение диаметра сможет происходить свободно. В связи с невозможностью удли

(VI. 25)

Только в этом случае при нагреве

, причем

к появлению линий сдвига (указайы стрелками на оптической фотографии рис. VI.26, а), и межзеренного проскальзывания, сопровождающегося появлением ступенек по границам зерен (рис. VI. 26, б интерферограмма того же участка). В такой же последовательности возрастает роль этих составляющих деформаций при повышении температуры металла и уменьшении скорости деформации, причем с повышением температуры сопротивление деформации приграничных участков зерен падает более интенсивно, чем внутризе-ренных объемов, а запас межзеренной пластичности заметно ниже,; чем внутризеренный. Поэтому при высоких температурах обычным является межзеренное разрушение при меньшей пластичности. Если после затвердевания чистых металлов теоретически можно; рассматривать их деформирование только в однофазном твердом состоянии, то для обычно применяемых сплавов приходится счи-, таться с наличием при кристаллизации двухфазного твердо-жидкого, состояния. По мере понижения температуры металл изменяет свое состоя-5 ние из жидкого в жидко-твердое, затем твердо-жидкое и, наконец,, твердое. Как правило, пластичность (или точнее величина, обрат ная вязкости) жидкости весьма велика. При появлении разобщенных кристаллов твердой фазы (жидко-твердое состояние) пластичность заметно уменьшается, но остается достаточно высокой, определяемой в основном жидкой фазой. Когда при дальнейшем снижении температуры растущие кристаллиты срастаются, образуя общий каркас, разъединяющий в той или иной степени остающиеся объемы жидкой фазы, пластичность в основном определяется этим скелетом твердой фазы. Однако при его разрушении (разрывах) достаточное количество подвижной жидкости может заполнять эти разрывы залечивать их в процессе продолжающейся кристаллизации. При уменьшении количества жидкой фазы и ее расположении в объеме двухфазного сплава в виде пленок между кристаллитами деформационная способность сильно снижается (главным образом против сдвига, сохраняя высокую прочность на отрыв) и разъединенные (разорванные) кристаллиты не залечиваются. При полном затвердевании пластичность однофазного твердого металла значительно возрастает. Хотя прямых экспериментальных определений деформационной способности различных металлов и сплавов в области высоких температур очень немного, в целом схематически ее можно охарактеризовать сплошной линией на рис. VI.27. Наиболее низкую (но всегда имеющуюся) пластичность металлы имеют в твердо-жидком состоянии, в котором после образования общего каркаса твердой фазы начинается и усадка с изменением объема и линейных размеров, определяемых температурным коэффициентом линейного расширения а. Область пониженной пластичности в процессе кристаллизации вблизи так называемого реального солидуса называется температурным, интервалом хрупкости (ТИХ). Величина ТИХ зависит от диаграммы состояния сплава. Например, для двухкомпонентного сплава а| эвтектикой температурные области различного состояния в зависимости от количества второго компонента показаны на рис. IV.28 сплошными линиями. (/1-жидкость; В жидко-твердое состояние; С твердо-жидкое состояние; ниже С твердое состояние.)

Увеличение скорости охлаждения (скорости кристаллизации), характерной, в частности, и для сварочных условий, приводит к снижению равновесных критических температур, к более низким ее значениям, причем особенно сильно снижается температура солиду-са. Общий характер такого снижения показан на рис. VI.28 штриховыми линиями. Как правило, это приводит к расширению области твердо-жидкого состояния (вследствие увеличения интервала Т0Тп), к расширению ТИХ и увеличению вероятности получения разрушений (трещин) при твердо-жидком состоянии металла. Такие горячие трещины называются кристаллизационными. Расширяет интервал твердо-жидкого состояния и ряд примесей, имеющихся в реальных сплавах, в частности ликвирующих. Так, при наличии достаточного количества серы в сплавах на железной основе эвтектики Fe FeS и особенно Fe FeO FeS значительно снижают температуру реального солидуса (примерно до 1000° С), что приводит к значительному интервалу ТИХ, почти в 500° С. (На рис. VI.27 это расширение ТИХ условно показано штриховой линией 4.) Еще более может расширяться область пленочного расположения остаточных количеств жидкости при наличии Ni и S (температура плавления этой эвтектики ~644° С). Такие сплавы весьма склонны к образованию кристаллизационных трещин. Однако достаточно значительная пластичность деформационная способность, приобретаемая при завершении затвердевания, не всегда по мере охлаждения сохраняется высокой. Она может опять снижаться. Объяснение такому снижению пластичности при температурах несколько ниже солидуса связано с двумя гипотезами: поли-гонизации и миграции границ зерен. Первая гипотеза базируется на том, что в результате кристаллизации в металле образуется большое количество дефектов строения (вакансии в решетке, дислокации линейные несовершенства кристаллического строения). Появление дислокаций определяется разориентировкой при сращивании кристаллитов и внутрикристал-лизационных блоков, пластической деформацией при охлаждении и выходом винтовых дислокаций на поверхность зерен подкладок, на которых растут кристаллиты в процессе затвердевания. При повышенных температурах дислокации обладают высокой подвижностью вследствие как внешних напряжений, так и взаимодействия между собственными полями напряжений. Энергетически наиболее вероятно расположение дислокаций в виде стенок, которые делят кристаллит на части, сопрягаемые друг с другом под некоторым небольшим углом (обычно менее 1°). Создавшиеся з про цессе охлаждения стенки дислокаций приводят к образовани новых,- вторичных границ, которые определяют и снижение деформ ционной способности металла при высоких температурах. Вторая гипотеза базируется на том, что так как внутрення энергия в металле уменьшается при уменьшении протяженност границ зерен, в целом существует тенденция к общему сокращени длины этих границ. В результате одни зерна за счет поглощения СС седних вырастают, что возможно при более высоких температурах, когда диффузионная подвижность атомов достаточно значительна. За счет миграции границ у них идет накопление несовершенств и примесных атомов, приводящих к понижению деформационной способности металла (сплава) вследствие исчерпания запаса межзерен-ной пластичности в процессе пластической деформации при охлаждении.

и способствуют образованию горячих подсолидусных (называемых иногда полигонизационными) трещин. Общий характер возможных вариантов изменения деформационной способности металла в процессе его охлаждения при температурах ниже солидуса показан на рис.. VI.27 штрихпунктирными линиями 2, 3, из которых линия 3 определяет наибольшее снижение пластичности в этих условиях. Сопротивляемость подсолидусным трещинам также связана с диаграммой состояния сплава. Схема изменения склонности к образованию подсолидусных трещин п и составом двухкомпонентных сплавов с эвтектикой и с непрерывным твердым раствором показана соответственно на рис. VI.29, а, б. Горячие как кристаллизационные, так и подсолидусные трещины имеют межкристаллитный характер. Разрушение идет межзеренно, по границам зерен. Схематичная оценка сопротивляемости (или склонности) металла горячим трещинам может быть осуществлена сопоставлением его деформационной способности в области высоких температур и тех фактических деформаций, которые происходят и накапливаются в этот период охлаждения металла. Такая схема показана на рис. VI.30.

наклон прямой 2 больше, чем прямой /. При этом прямая / во всем интервале температур расположена ниже кривой 3, т. е. фактическая деформация обеспечивается деформационной способностью металла. Прямая 2 пересекает кривую 3 и в заштрихованной области между ними деформации превышают деформационную способность металла вблизи температуры солидус. В этом температурном интервале могут появиться трещины. На рис. VI.30, б аналогично показана возможность образования подсолидусных трещин (прямая 5), причем в области твердо-жидкого состояния такой характер накопления деформаций не вызывал кристаллизационных трещин, хотя минимальная пластичность вблизи солидуса была меньше, чем при более низких, температурах. Однако в связи с; большим Д Т абсолютное значение, фактической тепловой деформации к более низким температурам оказалось при том же наклоне прямой: достаточно большим, превышающим деформационную способность ме-? талла в подсолидусных температурах. При нарастании деформаций по прямой 4 ни кристаллизационных, ни подсолидусных трещин образовываться не должно, так как она во всем интервале проходит ниже кривой 3, характеризующей деформационную способность металла при различных температурах., На искусственном регулировании при испытаниях скорости нарастания деформаций в интересующем интервале температур основан и ряд методов оценки сопротивляемости металлов образованию го рячих трещин, в том числе и при сварке ((см. гл. VIII). Для некоторых сплавов кроме спада пластичности в облаети температур, близких к температуре солидус, наблюдается уменьшет ние деформационной способности и при более низких температура (например, в связи с предполагаемым выделением РЬ из твердог раствора меди при понижении температуры). Такие интервалы хру кости по аналогии с ТИХ можно назвать СТИХ (среднетемператур, ный интервал хрупкости). В некоторых случаях и в СТИХ возможч но образование трещин.