Глава 5 СТРОЕНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Назад: 5.1 Основные виды превращений в сварных соединениях.

5.2 Состав зоны термического влияния

Схематически распределение температур (а), строение зоны термического влияния (б) и левая часть диаграммы состояния Fe-C (в) показаны на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Распределение максимальных температур (а), схема состава сварного соединения (б) и участок диаграммы Fe-C (в)

Ширина участка ЗТВ для большинства сталей ограничивается значением температур выше 250 ⁰С.

Металл шва образуется совместной кристаллизацией основного и электродного металлов и во многом определяет свойства всего соединения. Закономерности формирования состава и структуры металла шва, его строение, степень химической неоднородности и т.д. подробно освещены в литературе. [4,5]

Участок неполного (частичного) расплавления (Т Т_пл) основного металла прилегает к шву. По существу этот участок определяет линию сплавления. Он характерен высоким уровнем ликвации, особенно по C и Si и сегрегации примесей (S, P) и легирующих элементов.

На участке перегрева (Т_сол > T > 1150...1250 ⁰С) инициируется интенсивный рост аустенитного зерна. Этот участок называют иногда участком полигонизации. В нем сохраняется достаточно высокий уровень микро- и макрохимической неоднородности, сопровождающийся физической неоднородностью (огрублением структуры).

Участок нормализации (полной перекристаллизации) с температурой 1100 ⁰С > T > AC₃ характеризуется незначительным перегревом выше Ас₃ и поэтому при охлаждении в нем формируется мелкозернистая структура с высокими механическими свойствами. Однако, при охлаждении с высокой скоростью именно в этом участке происходят неблагоприятные фазово-структурные превращения (например, образование мартенсита).

Участок неполной перекристаллизации нагревается в интервале Ас₃ > T > Ас₁. В низкоуглеродистых и низколегированных сталях он характеризуется присутствием почти не изменяющихся при нагреве ферритных и перлитных зерен, а после медленного охлаждения - мелкими зернами структуры распада аустенита (из-за перекристаллизации). Повышение содержания легирующих в сталях и скорости охлаждения способствует процессам образования твердых структур в этом участке.

Участок рекристаллизации (Ас₁ T > 500...550 ⁰С) по структуре незначительно отличается от основного металла, если он был до сварки отожжен. В прокате, подвергшемся пластической деформации, в этом участке происходит сращивание раздробленных зерен, т.е. собственно рекристаллизация. Механические свойства этого участка снижаются вследствие разупрочнения из-за снятия наклепа во время нагрева, что особенно нежелательно при сварке высокопрочных сталей. Часто этот участок называют участком отпуска.

Участок старения (400 > T 250 ⁰С) представляет собой структуру, не претерпевающую видимых изменений. Однако он может обладать пониженной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Это происходит вследствие протекающих при нормальных температурах процессов диффузионного выхода углерода из пересыщенных твердых растворов, выделений карбонитридов и т.п.

При многослойной сварке ввиду многократного воздействия термического цикла на основной металл строение и структура ЗТВ несколько изменяются. При сварке длинными участками каждый последующий шов оказывает как бы отпуск предыдущему, несколько улучшая его пластичность. При сварке короткими участками предыдущий шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом до высоких температур состоянии, что приводит к существенному и часто неблагоприятному изменению структуры и расширению зоны термовлияния.

Указанные в тех или иных участках ЗТВ превращения реализуются в условиях непрерывного изменения их температуры, и уровня деформаций, что существенно изменяет как вид образующейся структуры, так и ее размеры.

Таким образом, термический цикл сварки (рис. 5.2) является основным источником изменений свойств свариваемого металла в ЗТВ. Основными параметрами термического цикла сварки являются:

– скорость нагрева вблизи температуры Ас₃, которая в зависимости от способа сварки может изменяться в пределах от 1700 ⁰С/с (АрДЭС) до 3,0 ⁰С/с (ЭШС);

максимальная температура нагрева рассматриваемого участка Т_max;

время пребывания металла выше температуры Ас₃; определяющее степень гомогенизации и величину зерна аустенита ( = 1,5...540 с);

– скорость охлаждения при температуре наименьшей устойчивости аустенита (~800...550 ⁰С), которая при сварке плавлением может изменяться в пределах 60...0,25 ⁰С/с.

Рис. 5.2 – Термические циклы при однопроходной сварке сталей:

1 – АрДЭС; 2, 3 – АДФ толщин 10 и 25 мм; 4 – ЭШС толщины 220 мм.

Как видно, при разных способах сварки все параметры термических циклов отмеченных выше участков существенно различаются. Это означает, что в указанных случаях условия образования и формирования структур ЗТВ также различные. Например, высокие скорости охлаждения в интервале температур конца и начала полиморфного превращения при аргонодуговой сварке (рис. 5.2, кривая 1) позволяют с одной стороны сохранить мелкое зерно распадающегося аустенита, а с другой - способствовать закалке за счет торможения процессов диффузионного распада аустенита. В этом отношении термические циклы сварки под флюсом (рис. 5.2, кривые 2,3) более благоприятны. В то же время достаточно низкая скорость охлаждения при ЭШС (кривая 4) создает условия для формирования участка разупрочнения.

Следует отметить, что в зависимости от степени легирования и структурного класса свариваемых сталей при одинаковых термических циклах (тепловых режимах) сварки в ЗТВ можно получать набор как «твердых», так и «мягких» структур.. Установлено, например, что в сталях перлитного и мартенситного классов наиболее часто ответственными за разрушение соединения бывает участок полной и неполной перекристаллизации (закалки) и участки неполного расплавления и роста зерна. В сталях аустенитного класса такими участками являются участки неполного расплавления, рекристаллизации и старения.

Далее: Глава 6 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА И СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ