 |
Методика и пример выполнения задания
|
|
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет: «Машиностроительные технологии и оборудование»
Кафедра: «Машины и автоматизация сварочных процессов»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К выполнению расчетной работы №2 на тему: «Графо – аналитический метод расчета структуры металла шва сварных соединений высоколегированных сталей» по дисциплине «Материалы и их поведение при сварке«для подготовки бакалавров по направлению 150301 – Машиностроение, профиль «Оборудование и технология сварочного производства»
Ростов – на – Дону – 2016 г.
. Составители: проф., Д.Т.Н. Полетаев Ю.В., Полетаев В.Ю.
Методические указания к выполнению расчетной работе №2 на тему: «Графо – аналитический метод расчета структуры металла шва сварных соединений высоколегированных сталей» по дисциплине:» Материалы и их поведение при сварке»/ Донской государственный технический университет, Ростов – на – Дону,2016.
Печатается по решению методической комиссии факультета «Машиностроительные технологии и оборудование»
Научный редактор: проф., Д.Т.Н. А.А. Чуларис
© Полетаев Ю.В., Полетаев В.Ю.
© ДГТУ, 2016
РАСЧЕТНАЯ РАБОТА №2 «ГРАФО – АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА ШВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ «
Общие положения
В промышленности достаточно широко используют высоколегированные стали (которые содержат легирующих элементов в сумме более 10% или одного элемента более 5%). К ним относят жаростойкие, жаропрочные и коррозионностойкие стали. Жаростойкие (окалиностойкие) стали обладают стойкостью против химического разрушения поверхности (окисления) в газовых средах при температурах выше 550 
и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. К жаропрочным относят стали обладающие повышенными механическими свойствами при высоких температурах [1.6.1 – 1.6.5].
|
|
|
Аустенитные жаропрочные стали применяют для изготовления оборудования и трубопроводов, работающих под давлением при температуре выше 550 . Эти стали обладают рядом общих свойств –высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения. Однако по сравнению с перлитными и мартенситными сталями они менее технологичны: обработка давлением и резанием этих сталей и сплавов затруднена; сварной шов обладает повышенной склонностью к образованию горячих трещин и хрупкостью; полученное вследствие нагрева крупнозернистое строение не может быть исправлено термической обработкой, так как в этих сталях отсутствует фазовая перекристаллизация. В интервале 550-600 эти стали охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.
К коррозионностойким (нержавеющим) сталям и сплавам относятся материалы, противостоящие поверхностному разрушению (коррозии) под воздействием внешней среды. Введение в сталь более 12% хрома делает ее коррозионностойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах (в воде, в рядах кислот, солей и щелочей).
Высоколегированные стали в зависимости от структурного состава могут применяться при изготовлении коррозионностойких, жаропрочных, жаростойких и других сварных конструкций. Основной проблемой, возникающей при сварке, является высокая склонность металла сварного шва и зоны термического влияния к образованию горячих трещин. Известно, что эффективным средством борьбы с горячими трещинами является наличие в структуре ферритной фазы. Минимальное содержание феррита в структуре, исключающее появление горячих трещин, в зависимости от композиции основных и сварочных материалов, меняется от 1 до 4%. Для сварных конструкций, длительно работающих при температуре выше 500°С, верхний предел содержания феррита ограничивают величиной 5-6%, из-за опасности образования хрупкой 
- фазы [1.6.7].
|
|
|
Структура (фазовый состав) стали определяется соотношением содержащихся в ней аустенитно-образующих элементов и ферритизаторов.
Хром является основным феррито - образующим, а никель –аустенитно -образующим элементом. Углерод, азот, марганец, медь действуют подобно никелю, а молибден, вольфрам, кремний, алюминий, титан и ниобий - подобно хрому.
Основную структуру металла шва и зоны термического влияния выражает диаграмма Шеффлера, которая представляет собой зависимость структуры от эквивалентов хрома Сгэкв и никеля Niэкв (рис.1.1). Эквиваленты хрома и никеля можно определить по формулам:
Сrэкв =%Сr + %Мо+1,5% Si+0,5%Nb +0,5% W+5%Тi; (1)
Niэкв = %Ni+30 %С+26 %N +0,5 %Мn+0,6 %Сu; (2)
Необходимое количество феррита в структуре металла сварного шва,с учетом коэффициента перемешивания основного и наплавленного при сварке
Рисунок 1.1. Диаграмма Шеффлера: 1-100% Ф;2-80; 3-40; 4-20; 5-10; 6-5; 7-0%Ф
металла, можно получить за счет подбора сварочных материалов. Требуемый химический состав металла шва обеспечивается выбором соответствующей марки сварочной проволоки или покрытого электрода [1.6.4 – 1.6.8].
Содержание, объем и последовательность выполнения задания
Исходными данными для задания служат:индивидуальный вариант задания;лекционный материал и результаты литературного обзора;лабораторные работы. При выполнении работы студенту необходимо решать задачи в следующей последовательности: 1. Изучить состав, структуру и назначение заданной марки стали. Описать ее технологические свойства. 2. Изучить графоаналитический метод определения структуры металла сварного шва высоколегированных сталей с помощью структурной диаграммы Шеффлера. 3. С использованием справочной литературы выбрать рекомендованные сварочные материалы (покрытые электроды; сварочную проволоку в сочетании с флюсом; сварочную проволоку в сочетании с защитным газом), обеспечивающие оптимальную структуру сварного шва. 4. Рассчитать по формулам 1 и 2 значения Сrэкв и Ni экв для выбранных сварочных материалов определить структуру металла шва по диаграмме Шеффлера; в соответствии с рекомендованным значением величины содержания феррита выбрать требуемые сварочные материалы.
|
|
|
Работа выполняется в виде расчетно-пояснительной записки объемом 2-5 листов, формата А4, содержащей: краткую характеристику анализируемой стали и рекомендуемых сварочных материалов, формулы и результаты расчетов, структурную диаграмму с нанесенными расчетными точками (диаграмму вычертить на миллиметровой бумаге), таблицы, выводы и предложения, список литературы.
Методика и пример выполнения задания
В соответствии с вариантом задания, совпадающим с номером студента по списку группы, предлагается одна марка высоколегированной стали. Анализируются литературные данные [1.6.1,1.6.2,1.6.4,1.6.5,1.6.7] химический и структурно-фазовый состав стали, ее назначение, область применения, условия эксплуатации, свариваемость; рекомендуемые марки сварочных материалов и их химический состав; требования к структуре и свойствам металла сварного шва.
Для заданного химического состава основного металла - стали и выбранного химического состава сварочных материалов рассчитываются значения Сrэкв и Niэкв, которые являются координатами соответствующих точек на диаграмме Шеффлера. Положение точек на диаграмме определяет структуру основного и сварочных материалов, Далее по ниже приведенной методике определяется структура металла сварного шва, то есть структура, которая получается при совместной кристаллизации основного металла и сварочных материалов.
Если химический состав основного металла соответствует точке О, а состав присадочного материала - точке П, то точка S расплавленного металла сварного шва при степени перемешивания Х(%) располагается на прямой ОП в соответствии с формулой (рис. 1.2).
|
|
|
(SП/SО) 
100=Х
Средняя степень перемешивания при дуговой сварке покрытым электродом составляет Х=20..30%, а при автоматической сварке -Х=35...55%.
Рисунок 1.2. Определение структурно-фазового состава металла сварного шва, выполненного ручной дуговой сваркой покрытым электродом.
Если структура металла шва не будет соответствовать рекомендуемой (например, у жаропрочного сварного соединения металл сварного шва будет содержать больше 5...6% ферритной фазы), то выбирается другая марка сварочных материалов и расчет повторяется.
В качестве примера рассмотрим выбор сварочных материалов для сварки жаропрочной стали 03Х16Н9М2. Сталь 03Х16Н9М2 является высоколегированной жаропрочной и окалиностойкой сталью, предназначенной для изготовления сварных конструкций и паропроводов оборудования атомных электрических станций с реактором на быстрых нейтронах.
В соответствии с требованиями ПН АЭГ-7-009-80 «Основные положения по сварке и наплавке» для сварки стали 03Х16Н9М2 рекомендуют покрытый электрод марки ЦТ -46 (для ручной дуговой сварки) и сварочную проволоку св-02Х16Н9М2 в сочетании с флюсом ФЦ -17 или в среде защитного газа аргона. По химическому составу стали и наплавленного при сварке металла производят расчет Сгэкв и Niэкв. Эти точки наносят на диаграмму Шеффлера (рис.1.3). Точки соответствуют структуре стали и наплавленного металла
Рисунок1.3. Диаграмма Шеффлера: 1-100% Ф; 2-80; 3-40; 4-20;5-10; 6-5; 7-0%Ф. Произведя построения по схеме (см. рис.1.2) получим структуру металла сварного шва (табл.1.1). Таблица 1.1. Результаты расчета структуры 
Полученные результаты свидетельствуют, что используемые сварочные материалы пригодны для сварки стали 03Х16Н9М2, т.к. обеспечат трещиноустойчивый металл сварного шва при оптимальном содержании ферритной фазы.
Варианты индивидуальных заданий
Перечень индивидуальных заданий на тему «Определение структуры металла шва сварных соединений высоколегированных сталей» приведен в табл.1.2. Номер варианта задания совпадает с номером студента по списку группы.
Таблица 1.2. Варианты индивидуальных заданий
Продолжение таблицы 1.2 
Примечания: У всех сталей содержание серы S менее0,03 %, фосфора Р <, 0.035%.; 2. Группа стали: I- коррозионно-стойкая; II- жаростойкая; III- жаропрочная; 3. Знаком "+" указывается назначение стали. В случае, если сталь имеет несколько назначений, знак "++" означает преимущественное.
1.5.Контрольные вопросы
1. Влияние легирующих элементов на свойства стали?
2.Классификация легированных сталей?
1. Маркировка легированных сталей?
2. Что такое жаростойкие стали?
|
|
|
5.Что такое жаропрочные стали?
6.Что такое коррозионностойкие (нержавеющие) стали?
7.Технологические свойства аустенитных жаропрочных сталей?
8.Структурно-фазовое состояние аустенитных сталей и их стойкость против образования горячих трещин?
9.Сущность графоаналитического метода расчета структуры (диаграмма Шеффлера)?
10.Основы выбора сварочных материалов для сварки аустенитных сталей?
11.Свариваемость высоколегированных сталей?
Список литературы
1.6.1. Гуляев А. Л. Металловедение. Учебник для вузов / А.Л. Гуляев.- М.: Металлургия, 1986. -542 с.
1.6.2. Никифоров В.Н. Технология металлов и конструкционные материалы. Учебник для вузов /В.Н. Никифоров.- М.: Высшая школа, 1968. -360 с.
1.6.3.Лебедев Б.Д. Диаграмма для определения структуры околошовной зоны углеродистых и низколегированных сталей. - Сварочное производство.- 1974.- №7.- с.55-56.
1.6.4Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке: Атлас /Шоршоров МХ, Белов В.В.- М.: Наука, 1972.- 219 с.
1.6.5. Электродуговая сварка сталей: Справочник /Каховский Н.И., Фартушный В.Г., Ющенко К А.- Киев.: Наукова думка, 1975.- 480 с.
1.6.6. Металлография железа: Справочник / Пер. с нем; Лямбер Н., Греди Т., Харбакен Л. и др.- М.: Металлургия, 1985. -248 с.
1.6.7. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. /Редкол.: Николаев ГА. и др.- М.: Машиностроение, 1978. Т. 2 /Под ред. А.И. Акулова 1978.-462с.
1.6.8. Ворновицкий И.Н. Электроды для сварки оборудования тепловых электростанций. -М.: Энергомашиздат, 1983. - 96 с.
|
|
|
