Способы оценки сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин
Лабораторные работы по ТСП
ПРИРОДА ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН
Горячими трещинами называют хрупкие межкристаллические разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости ТИХ в результате термодеформационного сварочного цикла.
На чувствительность к образованию горячих трещин существенное влияние оказывает химический состав стали. Зависимость склонности сварного шва к образованию горячих трещин от его химического состава с известным приближением выражается уравнением
 ,
| (1) |
где химические символы означают содержание легирующих элементов шва в массовых долях, %.
Если критерий HCS<4, горячие трещины в сварном соединении не образуются. Для высококачественных сталей большой толщины необходима величина HCS< 1,6…2,0.
Склонность металла шва к возникновению горячих трещин может быть определена прямым экспериментом, который учитывает влияние величины температурного интервала хрупкости, величины пластической деформации, которую испытывает металл, а также влияние темпа деформации.
В процессе кристаллизации прочность жидкотвердого агрегата близка нулю. Начиная с некоторой температуры, названной температурой верхней границы интервала хрупкости Твг, металл переходит из стадии жидкотвердого в стадию твердожидкого состояния, когда перетекание жидкости между зернами ограниченно (рис.1).
|
|
|
Рис.1. Зависимость деформационной способности металла от температуры
При деформации происходит заклинивание зерен и дальнейший процесс возможен только в случае пластической деформации самих зерен, либо смещение их друг относительно друга. При этом происходит смятие точек контакта. Прочность закристаллизовавшегося металла намного выше чем жидких прослоек и разрушение происходит по границам зерен. С дальнейшим понижением температуры уменьшается объем жидкости, а число контактов между зернами увеличивается. Одновременно повышается прочность самих границ, при этом разрушение происходит по самим зернам. Температура резкого возрастания пластических свойств находится ниже температуры равновесного солидуса, которая носит название нижней границы хрупкости Тнг (рис.1). Интервал температур, заключенный между Тнв и Тнг называется температурным интервалом хрупкости ТИХ.
Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выраженным крупнокристаллическим строением с повышенной концентрацией легкоплавких фаз. Трещины возникают в том случае если интенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях.
|
|
|
Способность сварного соединения воспринимать без разрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности.
Виды горячих трещин
По температуре возникновения горячие трещины подразделяют на кристаллизационные, возникающие в области температур солидуса и подсолидусные, температура образования которых ниже температуры окончания процесса затвердевания.
По расположению трещины подразделяют на : трещины в шве, в зоне сплавления, в околошовной зоне, а также в зависимости от ориентировки их относительно направления сварки – продольные и поперечные.
Следует выделить трещины повторного нагрева, образующиеся в ранее положенных валиках от термодеформационного воздействия последующих слоев [3].
Способы оценки сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин
Методы оценки сопротивляемости горячим трещинам можно подразделить на следующие основные группы:
- методы принудительного деформирования сварных соединений в температурном интервале хрупкости,
- технологические пробы различной жесткости (величина деформации сварного соединения задается конструкцией образцов)
|
|
|
- косвенные методы, основанные на результатах механических испытаний образцов при нагреве и охлаждении по заданной программе.
Испытание на горячие трещины по первой группе выполняют на специальных машинах, обеспечивающих различные скорости деформаций свариваемых образцов. Машины снабжены разнообразными захватами, позволяющими испытывать как различные типы сварных соединений – стыковые, тавровые, нахлесточные, так и сварные соединения в различных направлениях – вдоль и поперек направления сварки. Показателем сопротивляемости образованию горячих трещин служит максимальная скорость деформации при которой трещина не возникает.
Недостатком этого метода испытания является необходимость применения достаточно дорогих машин, а также сложность проведения испытания. Для оценки влияния режимов на технологическую прочность необходимо определять термический цикл сварки для каждого из испытуемых режимов и сделать соответствующий пересчет машинной деформации из временной зависимости в температурную.
Сопротивляемость сварных соединений образованию горячих трещин оценивают с помощью технологических проб или конструкций. При этом предполагается, что проба должна обеспечивать кристаллизационные и деформационные условия в сварном соединении также или более жесткие, чем при сварке реальной сварной конструкции.
|
|
|
Технологические пробы можно подразделить на пробы, позволяющие получать количественную и качественную оценку технологической прочности.
На рис.2 представлены наиболее распространенные технологические пробы качественной оценки.
Рис.2. Технологические пробы для испытания стойкости против образования горячих трещин: а- составной и б- переменной жёсткости
К числу проб позволяющих получать количественную оценку можно отнести пробу Боленрата, заключающуюся в сварке встык пластин, закрепленных в жестком приспособлении (рис.3). Чем больше расстояние между зажимами, тем менее жесткая будет проба и тем меньше вероятность появления трещин.
Рис.3. Проба Баленрата (а) и МВТУ для тонколистового материала (б)
При испытании образцов на пробе Баленрата чем больше расстояние между зажимами l, тем меньшая будет жёсткость и меньше вероятность появления трещин. Проба МВТУ для тонколистового материала представляет собой образец, составленный из пластин различной ширины, собранных на прихватках. При малой ширине пластин нагрев более равномерен и изгибающая составляющая деформации относительно невелика. С увеличением ширины b, степень неравномерности нагрева, а следовательно, и изгиб пластин увеличиваются, а за тем с увеличением общей жёсткости опять уменьшаются. Показателем сопротивляемости образованию трещин является диапазон значений b, при котором образуются трещины. Чем он меньше, тем выше спротивляемость их образованию.
1.3. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин [4]
Все известные способы повышения технологической прочности сводятся к следующим методам:
- изменение химического состава основного металла и металла шва
- назначение оптимального режима сварки
- применение рационального типа конструкции и порядка наложения сварных швов.
Эффективным средством повышения технологической прочности является снижение содержания в сварных швах углерода, серы и фосфора, а также легирование металла элементами связывающими серу и фосфор в тугоплавкие соединения. Большое влияние на технологическую прочность оказывает характер структуры при кристаллизации. Благоприятной считается равновесная структура. Для ее получения металл шва модифицируют редкоземельными поверхностноактивными элементами. Хороший эффект дает ультразвуковое или электромагнитное воздействие на металл сварочной ванны[5].
Высокопрочные высоколегированные стали больше подвержены образованию горячих трещин. Это связано с увеличенной усадкой, образованием эвтектических составляющих по границам зерен и пр. Добавка молибдена, марганца и вольфрама за счет измельчения структуры повышают технологическую прочность указанных сталей.
В отдельных случаях технологическую прочность можно повысить изменением фазового состава металла сварного соединения.
Однофазные аустенитные швы склонны к образованию горячих трещин. Если же в металле шва содержится небольшое количество второй фазы (феррита или карбидов), то такой металл шва обладает достаточно высокой стойкостью против образования горячих трещин. Это объясняется различным характером кристаллизации и конечной структурой однофазных и двухфазных швов, обладающих различной деформационной способностью металла в ТИХ.
При затвердевании однофазного аустенитного металла росту дендритов ничего не препятствует и они растут в направлении теплоотвода. Поэтому однофазные аустенитные швы имеют четко выраженную транскристаллизацию, большое сечение зерен с толстыми межкристаллическими прослойками по которым, как правило образуются горячие трещины.
При кристаллизации двухфазного металла одновременно с аустенитными центрами кристаллизации из жидкости выпадают центры кристаллизации и растут кристаллы феррита, не претерпевающие превращения при охлаждении. Участки феррита располагаются как в междуосных пространствах, так и на границах кристаллов аустенита, что препятствует их направленному росту. При этом структура получается более мелкозернистая и дезориентированная, а межкристаллические прослойки – более тонкие, чем в однофазных аустенитных швах.
Выделение второй ферритной фазы затрудняет также развитие сплошных полигонизационных границ в затвердевшем металле, вследствие чего уменьшается температурный интервал хрупкости стали и повышается стойкость против образования полигонизационных трещин. Поэтому двухфазная аустенитно-ферритная структура обладает повышенной стойкостью против образования горячих трещин обоих видов.
Производственный опыт показывает, что стойкость сварных швов против образования горячих трещин обеспечивается при содержании в них ферритной фазы не менее 2…3%. Получение однофазной или двухфазной аустенитно-ферритной структуры металла шва зависит от его химического состава и скорости охлаждения при кристаллизации, а также от режимов последующей термообработки.
Все элементы, входящие в состав высоколегированных сталей разделяются на две основные группы: аустенитообразующие (C, N, Ni, Mn, Cu, CO и др.) и ферритообразующие (Cr, Si, Mo, V, Nb, Ti, W, Al и др.).
При наличии в металле шва избытка углерода ферритообразующие элементы образуют карбиды, т.е. являются также карбидообразующими (кроме Si и Al, которые в сварных швах не образуют карбидов).
В зависимости от соотношения в металле шва аустенито- и ферритообразующих элементов может создаваться однофазная структура (аустенитная, ферритная, мартенситная) или двухфазная (аустенито-ферритная, аустенитно-мартенситная, мартенсито-ферритная и др.)[1].
Для приближенной оценки содержания феррита в сварных швах и наплавленном металле используются эмпирические формулы эквивалентных значений хрома (Ф) и никеля (А) и диафрагмы Шефлера (рис.4).
Рис.4. Структурная диаграмма Шеффлера
По расчитанным значениям эквивалентов хрома и никеля находят координаты точек на диаграмме Шефлера, расположение которых в соответствующей области диаграммы указывает структурное состояние наплавленного металла и металла сварного шва.
Диаграмма Шефлера является не равновесной, а реальной эмпирической, построенной для металла шва в исходном сотоянии после сварки. Диаграмма не учитывает возможных изменений количества феррита в металле за счет изменения скоростей охлаждения при различных режимах сварки или за счет последующей термической обработке металла шва[1].
Задание№1
По формуле (1) определить критерий HCS для стали 15ХСНД и дать оценку склонности этой стали к образованию горячих трещин.
Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 315; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!