Глава 8 УГЛЕРОДИСТЫЕ И УГЛЕРОДИСТО-МАРГАНЦЕВЫЕ (НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ) СТАЛИ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ

Назад: 8.1 Общая характеристика сталей.

8.2 Свариваемость углеродистых и углеродисто-марганцевых сталей.

Основным требованием к сварным соединениям из углеродистых сталей является обеспечение их равнопрочности с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном соединении (трещины, непровары, подрезы, поры). Размеры и форма швов должны соответствовать требованиям стандартов, а соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние.

С этой точки зрения все низкоуглеродистые стали обладают хорошей (достаточной) свариваемостью. Существующие способы сварки плавлением обеспечивают выполнение установленных требований как за счет обеспечения химического состава шва, так и за счет получения необходимой его структуры без дополнительных мероприятий, усложняющих технологию. В качестве электродных материалов используют электроды типов Э42...Э50 и проволоку марок Св-08, Св-08А, Св-10Г2 и т.д., а тепловые режимы сварки варьируют в широких пределах.

Кристаллизационные трещины в швах возможны лишь при использовании кипящих сталей или при неблагоприятной форме провара (угловые швы, корневые швы, швы со сквозным проплавлением и малой шириной, когда _ш 0,8...1,2). Однако при содержании углерода на верхнем пределе для данной группы сталей (С = 0,25 %) образование горячих трещин вполне вероятно.

Химический состав шва из указанных сталей зависит также и от долей участия основного и электродного металлов и от степени взаимодействия металла шва с газовой фазой. Некоторое снижение прочности шва (из-за выгорания углерода) компенсируется легирующими элементами из проволоки (электрода) и повышенной скоростью охлаждения при пониженных погонных энергиях сварки. В последнем случае несколько снижается пластичность.

Структура металла шва и околошовной зоны кроме химического состава зависит от тепловых режимов сварки, характера предыдущей термообработки основного металла и последующей – сварного соединения.

Режим сварки определяет основные параметры термического цикла, показанные на рис. 6.1 в гл.6, ч.1 (_н, Т_max, , _охл), от численных значений которых в конечном счете зависят свойства сварного соединения.

Существует мнение, что у большинства конструкционных углеродистых и углеродисто-марганцовистых сталей структурные превращения, определяющие свойства соединений, протекают в течение времени пребывания металла в интервале температур 800...500 ⁰С. Поэтому основной характеристикой цикла, формирующей структуру, является время пребывания металла t_8–5 в этом интервале температур (или соответствующая скорость охлаждения _охл Значения времени t_8-5 можно определить расчетом либо путем моделирования термического цикла сварки. Знание величины t_8-5 позволяет определять характер структуры, а, следовательно, свойства шва или соединения. [14]

Металл шва и зоны термического влияния в рассматриваемых сталях при всех способах дуговой сварки имеет, как правило, ферритно-перлитную структуру, так как значения погонной энергии сварки и зависящее от нее значения t_8-5 достаточно велики, чтобы обеспечить практически полный распад аустенита на ферритно-карбидную смесь. При этом структура может различаться степенью дисперсности, характером строения, количественным соотношением фаз. Холодные трещины в низкоуглеродистых сталях.

Металл многослойных швов имеет, как правило, более благоприятную структуру (мелкую) за счет термоциклирования предыдущих швов. При сварке низколегированных (углеродисто-марганцевых) сталей исходные свойства металла шва и зоны термического влияния изменяются более значительно по сравнению с низкоуглеродистыми сталями. Это происходит из-за появления закалочных структур на участках перегрева и нормализации, особенно при повышенных количествах легирующих Mn, Cr, Ni в сталях, так как эти элементы существенно снижают критические скорости охлаждения. Степень разупрочнения в зоне рекристаллизации также более значительная по сравнению с углеродистыми сталями: чем выше была исходная прочность, тем резче проявляется эффект разупрочнения появляются лишь в толстостенных сварных соединениях.

Все это не позволяет получить равнопрочные соединения и требует дополнительных мер для обеспечения требуемого уровня свойств. Например, повышение погонной энергии (снижение скорости сварки) сопровождается расширением разупрочненной зоны и появлением закалочных структур и холодных трещин у линии сплавления из-за роста зерна. Кроме того, на участках нагрева до Т = 250...300 ⁰С проявляется эффект деформационного старения, охрупчивающий соединение.

Выравнивание и улучшение свойств сварных соединений из низколегированных сталей эффективно достигается послесварочной термообработкой – нормализацией. Для избегания появления холодных трещин в сварных соединениях часто используют подогрев, температура которого зависит от химического состава стали, толщины соединения, жесткости конструкции и т.д. Температуру подогрева можно определять расчетом, исходя из значения углеродного эквивалента С_экв для основного металла или металла шва [4,5,7]. Чтобы практически оценить свариваемость (склонность металла к трещинам) необходимо использовать технологические пробы или пробы специального назначения.

Для сварных элементов конструкций, эксплуатирующихся преимущественно в условиях динамического нагружения под воздействием низких или повышенных температур, часто используются низколегированные стали, содержание углерода в которых увеличено по сравнению с рассмотренными выше (С = 0,25...0,5 %), а содержание легирующих элементов достигает 3...4 %. Такие стали при соответствующей термообработке характеризуются высокой прочностью (_в = 600...1500 МПа) и обладают комплексом специальных свойств. Отличительной особенностью их свариваемости является увеличенная склонность к закалке, в связи с этим они весьма чувствительны к термическому циклу сварки во всем диапазоне режимов, обеспечивающих удовлетворительное формирование шва. Структура околошовной зоны этих сталей обладает низкими пластическими свойствами и склонна к охрупчиванию. Основным параметром термического цикла, контролирующим эти процессы является скорость охлаждения _охл, которая, как правило, превышает значения критической скорости _кр. Для снижения ее величины необходим предварительный и сопутствующий подогрев, что усложняет технологию и делает эти стали удовлетворительно или ограниченно свариваемыми. Это выражается в том, что при определении пригодности материала для сварной конструкции заданного назначения требуется производить выбор режимов сварки на основе сравнительных испытаний технологических проб на холодные трещины.

Далее: 8.3 Особенности трещинообразования.