МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Состав зоны термического влияния

•

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

Металл шва образуется совместной кристаллизацией основного и электродного металлов и во многом опре­деляет свойства всего соединения. Закономерности фор­мирования состава и структуры металла шва, его строе-

ние, степень химической неоднородности подробно освещены в литературе [4, 5]. Они определяются в ос­новном термическими циклами соответствующих спо­собов сварки (рис. 5.2).

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

Участок перегрева (Тсол> Т > 1150...1250 °С) иници­ирует интенсивный рост аустснитного зерна. Этот уча­сток называют иногда участком полигонизации. В нем сохраняется достаточно высокий уровень микро - и мак - рохимической неоднородности, сопровождающийся физической неоднородностью (огрублением структуры).

Участок нормализации (полной перекристаллизации) с температурой 1100 "С > Т > Асз характеризуется незна­чительным перегревом выше АСз 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 АСз > Т > Аа. 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 (ACi > Т > 500.„550 °С) по структуре незначительно отличается о г 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 > Т > 250 °С) представляет со­бой струкгуру, 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 карбо - нитридов 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 зона термического слияния длительное время находятся в нагретом до высоких температур состоянии, что приводит к существенному и часто неблагоприятно­му изменению структуры и увеличению ее ширины.

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 явля­ется основным источником изменений структуры и свойств свариваемого металла и ЗТВ. Основными пара­метрами термического цикла сварки являются:

• сон — скорость нагрева вблизи температуры А^, ко­торая в зависимости от способа сварки может изме­няться в пределах от 1700 “С/с (АрДЭС) до 3,0 “С/с (ЭШС);

• максимальная температура нагрева рассматривае­мого участка Ттах;

• время t' +1” пребывания металла выше температу­ры Асз, определяющее степень гомогенизации и величину зерна аустенита (Ґ +1" = 1,5...540 с);

• а>0 — скорость охлаждения при температуре наи­меньшей устойчивости аустенита (-800 550 °С), которая при сварке плавлением может изменять­ся в пределах 60...0,25 “С/с

Как видно из рис. 5.2, 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 ТА - ТА при арго­нодуговой сварке (см. 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 (см. рис. 5.2, кривые 2, 3) более благо­приятны. В то же время достаточно низкая скорость ох­лаждения при ЭШС (см рис. 5.2, 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 бывают 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.