Глава
8 УГЛЕРОДИСТЫЕ И УГЛЕРОДИСТО-МАРГАНЦЕВЫЕ (НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ) СТАЛИ И ИХ
СВАРИВАЕМОСТЬ
Назад: 8.3 Особенности трещинообразования.
8.4
Горячие трещины
Эти трещины являются одним из видов
высокотемпературных межкристаллитных разрушений. Главной причиной их образования
в соответствии с современными представлениями [7,10,9] является снижение технологической прочности металла в
процессе кристаллизации, определяющейся величиной температурного интервала хрупкости
(ТИХ) металла шва, его пластичностью d в этом интервале и нарастающим темпом деформации e шва и прилегающих к нему участков околошовной зоны.
Взаимосвязь этих параметров и схема возникновения горячих трещин представлена
на рис. 8.1.
Рис. 8.1 – Изменение
деформационной способности сплавов в области высоких температур:
Тнг, Твг
– нижняя и верхняя границы температурного интервала хрупкости; Тсол, Тлик – температура солидуса и
ликвидуса; 
сум – суммарный темп деформации; 
min – минимальная пластичность; n – запас
пластичности, n = min – сум; 
в – предел прочности; 
– коэффициент вязкости
металла
Из схемы становится понятным, что
вероятность зарождения горячих трещин зависит от:
величины (ширины) интервала
кристаллизации сплава (шва) Тлик – Тсол и связанной с ним
величины температурного интервала хрупкости ТИХ (зависит от состава
свариваемого сплава, степени легирования, состава шва и примесей в нем, долей
участия основного и наплавленного металла в шве и т.п.);
величины минимальной пластичности min (зависит от состава шва, размеров
кристаллитов, направления их роста в ванне, формы шва и режимов сварки);
темпа нарастания упругопластических
деформаций в процессе охлаждения сварного соединения от высоких температур сум (зависит от скорости охлаждения металла, т.е.
режимов сварки, жесткости сварной конструкции, последовательности выполнения
сварных швов и т.п.).
Исходя из указанного, рассмотрим влияние
химических, технологических и конструктивных факторов на образование горячих
трещин.
Химический
состав шва оказывает первостепенное
влияние на стойкость против образования горячих трещин, так как он определяет
ширину ТИХ и величину минимальной пластичности min, Известно, что легирующие элементы, входящие в
состав металла шва, условно можно разделить на три группы:
уменьшающие стойкость против
кристаллизационных трещин (S, P, Pb) и попадающие в шов из основного и
электродного металлов и флюсов;
уменьшающие или увеличивающие стойкость
против образования кристаллизационных трещин в зависимости от их концентрации и
взаимного сочетания (C, Mn, Si и др.). Здесь следует указать на отрицательную
роль окислов элементов, попадающих в шов из-за недостаточной защиты сварочной
ванны;
не влияющих на образование
кристаллизационных трещин (Si в малых количествах).
Как правило, чем более легированный шов
или он более загрязнен примесями, тем шире ТИХ и выше склонность металла шва к
горячим трещинам, т.е. горячие трещины являются характерными в основном для
легированных сталей.
Форма
сварочной ванны, определяющаяся
режимами сварки, изменяет направление роста столбчатых кристаллитов, характер
их срастания в срединной части шва и степень локального скопления эвтектики,
что прямо отражается на изменении трещиностойкости шва.
Форма шва, как известно, характеризуется
коэффициентом формы 
ш = е/а. При ш = 0,8...1,2 (узкий или корневой шов) кристаллиты
срастаются под углом (рис. 8.2,а) близким к 180о, что ведет к
образованию трещин в середине шва. При ш = 1,3...4,0 кристаллиты встречаются под острым
углом и легкоплавкие составляющие распределяются более равномерно по сечению
шва, что снижает трещинообразование (рис. 8.2,б). При ш > 4,0 (широкий наплавочный шов) кристаллиты
растут «параллельно» друг другу и это существенно усиливает склонность к
горячим трещинам (рис. 8.2,в).
Рис. 8.2 – Различные схемы кристаллизации шва,
влияющие на появление горячих трещин: е – ширина шва; g – высота шва; h –
глубина проплавления
Снижение
темпа сум нарастающих деформаций, а, следовательно, и уровня растягивающих напряжений в
процессе кристаллизации сварочной ванны существенно повышает стойкость шва против
кристаллизационных трещин (3сум < 1сум) (рис. 8.1).
Оно достигается за счет технологических мер, реализуемых при сварке (предварительный
подогрев, рациональный порядок наложения швов, выбор рациональных способов и
режимов сварки) и рационального конструирования сварных узлов (рассредоточенность
расположения швов, типы сварных соединений и т.п.). Предварительный подогрев в
частности является одним из эффективных, хотя и дорогих средств устранения
горячих трещин. Уровень подогрева во многом определяется содержанием углерода и
легирующих в свариваемых деталях и находится в интервале 150...500 0С.
Размер
первичных кристаллитов влияет на
количество плоскостей скольжения и поворот кристаллитов в процессе
высокотемпературной деформации. Чем больше кристаллов в объеме шва (мельче
зерно), тем выше пластичность металла и меньше возможность образования трещин.
Кроме этого мелкозернистость шва снижает степень химической неоднородности,
т.е. уменьшает концентрацию вредных примесей по границам кристаллитов, что
благоприятно сказывается на повышении трещиностойкости.
Способы
и критерии оценки свариваемости
сталей и влияния технологии сварки на образование горячих трещин могут быть
прямыми и косвенными.
При прямых способах металл шва и зону
сплавления подвергают высокотемпературному машинному деформированию с
приложением внешних сил в процессе сварки. Испытания проводят согласно ГОСТ
26398-84, подвергая образцы стандартных размеров растяжению или изгибу с имитацией
сварочного цикла или без нее. Процедура испытания предусматривает их
деформирование с регулируемой скоростью перемещения захватов машины (скоростью
деформации) вплоть до появления горячих трещин. Сварку проводят на определенных
для заданного типа соединения и толщины металла режимах. Как правило, выбранную
эффективную тепловую мощность режима сохраняют неизменной, а изменяют скорость
сварки. Типовые формы образцов и схемы действия сил при испытаниях указаны на
рис. 8.3. По результатам испытаний определяют критическую скорость Вкр
(темп деформации), которую и принимают за сравнительный количественный показатель сопротивляемости образованию
горячих трещин (Vкр, мм/с) при заданном режиме сварки.
Рис. 8.3 – Схемы действия сил при машинных испытаниях
на
сопротивляемость горячим трещинам тавровых и стыковых
образцов
При изменении химического состава стали
или шва изменяется величина Вкр: чем сложнее состав, тем меньше
значение Вкр.
Более простыми прямыми способами оценки склонности к горячим трещинам является
использование технологических проб. При этом оценивается воздействие на металл
шва деформации от усадки и формоизменения свариваемых образцов различных
размеров. Различные типы и размеры образцов и технология их сварки (материалы,
режимы, последовательность) обуславливают различный уровень темпов
высокотемпературной деформации шва в процессе кристаллизации. Некоторые схемы
технологических проб приведены на рис. 8.4 и 8.5.
Рис. 8.4 – Технологические пробы МГТУ (а) и ИМЕТ (б)
на склонность основного металла к горячим трещинам:
1 – испытуемый образец; 2 – медный поддон; 3 –
источник нагрева
Рис. 8.5. Технологические пробы на склонность швов к
горячим трещинам:
в) проба МГТУ; г) проба ЛТП МВТУ; д) проба «жесткий
тавр»;
е) проба ИМЕТ; ж) лихайская проба; з) проба «вварыш»
Качественными критериями оценки
свариваемости является наличие горячих трещин или их отсутствие, а
количественно они определяются, например, числом трещин на единицу длины шва,
длиной трещины, отношением площади трещин к площади шва, шириной проб, наличием
на них искусственно созданных надрезов
При косвенных (расчетно-статистических,
расчетно-экспериментальных) способах склонность (или стойкость) металла шва к
горячим трещинам оценивается следующими показателями.
Углеродный
эквивалент материала или шва:
(8.1)
При значении Сэкв <
0,35...0,4 и фактическом содержании углерода Сф < 0,16 горячих трещин в шве,
как правило, не имеется.
Показатель
трещинообразования:
(8.2)
При HCS = 4 металл или шов не склонен к
горячим трещинам для сталей с в < 700 МПа и при HCS < 2 для сталей с в > 700 МПа.
Известны и другие расчетно-статистические
способы оценки склонности швов к горячим трещинам [7,12]. Заметим, что наибольшей
склонностью к горячим трещинам обладают высоколегированные стали, о чем будет
сказано в ч.1, гл.
13, 14, 15.