МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Диаграммы состояния металлических сплавов

Процессы кристаллизации металлических сплавов и связанные с ними закономерности образования структу­ры описывают, как известно [1], с помощью диаграмм состояния или диаграмм фазового равновесия. Диаграм - чо состояния — это графическое изображение фазового или структурного состава всех сплавов данной системы, находящихся в равновесном (неизменном) состоянии при данной температуре и концентрации компонентов.

Обычно их строят для двойных, реже тройных и много­компонентных систем сплавов.

С помощью диаграмм состояния определяют темпе­ратуры плавления и кристаллизации сплавов, полимор­фных превращений в сплавах, природу фаз и их коли­чественное соотношение в системе, что позволяет судить о механических и технологических свойствах сплавов. Диаграммы состояния строят для условий рав­новесия или достаточно близких к ним, т. е. при весьма малых скоростях нагрева и охлаждения сплавов. В боль­шинстве случаев сплавы находятся в метастабильном состоянии, т. е. в таком, когда они обладают ограничен­ной устойчивостью в данных температурных условиях и под влиянием внешних воздействий (например, нагре­ва) переходят в более устойчивые состояния с миниму­мом свободной энергии системы (например, переход металла в жидкое состояние при нагреве).

Диаграммы состояния сплавов различаются в зависи­мости от степени взаимной растворимости компонен­тов, способности образовывать твердые растворы, хими­ческие соединения или претерпевать полиморфные превращения. Представляет особый интерес диаграмма состояния сплава, один из компонентов которого обла­дает полиморфными превращениями, вызывающими скачкообразное изменение растворимости другого ком­понента в твердом состоянии. Примером такого спла­ва, имеющего большое практическое значение, являет­ся сплав железа с углеродом (рис. 3.8).

Основным компонентом сплава железо-углерод (же­лезо-цементит) является железо. В твердом состоянии оно имеет три полиморфные модификации — а, 6 и у. Модификация Fea (ОЦК) устойчива при температурах ниже 910 °С, а Fe6 — выше 1392 °С. Модификация Fey (ГЦК) существует при температурах 910... 1392 "С. Кри­тическую температуру a у превращения при нагреве

32

обозначают Aq, а при охлаждении Аг3. Критическую тем­пературу у <-» б превращения при Т = 1392 °С обознача­ют Ас4 Температуру магнитного превращения обознача­ют как Ас2.

Другим компонентом системы является углерод. В за­висимости от содержания углерода и значения темпера­туры в сплаве железо-углерод наблюдаются как одно­фазные структурные образования — жидкий раствор углерода в железе, твердые растворы углерода в железе — феррит и аустснит, химическое соединение железа с уг­леродом — цементит, так и двухфазные структурные составляющие — перлит и ледебурит. Их состав, харак­теристики и свойства изучались в курсе «Материаловеде­ние» и подробно изложены в литературе [3], а сокращен­ные названия фаз обозначены на диаграмме (см. рис. 3.8).

Диаграмму Fe-C можно разделить на две части вер­тикальной линией, проходящей через точку Е. Сплавы, расположенные слева от точки Е, характеризуются тем, что при затвердевании от точки плавления образуют структуру твердого раствора углерода в у-железе, т. е. аустенита. Эти сплавы называются сталями. Справа от точки Е кристаллизация сплава заканчивается образо­ванием эвтектики, называемой ледебуритом. Это об­ласть чугунов.

Фазовые превращения в стали при охлаждении удоб­нее рассматривать по вертикальной линии І—2-S—0,81, проходящей через точку S (углерода 0,81%). В интерва­ле температур от точки 1 до точки 2 сплав будет двух­фазным: жидкость + аустенит. При дальнейшем охлажде­нии от точки 2 до точки S отмечается область устойчивого существования аустенита, а в точке S происходит рас­пад аустенита с образованием вторичного цементита по схеме:

Feg(C) -> Fea(C) + Fe3C. 33

Продуктом распада является феррито-цементитная смесь, содержащая 0,81% углерода и названная перлитом, само превращение называется эвтектоидным, а сталь — перлитной. Температура эвтектоидного превращения обозначается как Ас, Процесс кристаллизации и пре­вращения в сталях, содержащих больше или меньше 0,81% углерода, идет аналогично (по линиям SE и SG). В связи с этим стали делят на доэвтектоидные (С < < 0,81%), эвтектоидные (С = 0,81%) и заэвгектоидные (С > 0,81 %), а чугуны соответственно делятся на доэв- тектические (С < 4,3%), эвтектические (С = 4,3%) и за - эвтектические (С > 4,3%).

Как видно из рис. 3.8, структура большинства доэв - тектоидных сталей после медленного охлаждения состо­ит из двух фаз — феррита и перлита. С увеличением количества углерода уменьшается количество феррита и возрастает количество перлита, т. е. фактически растет количество цементита. Твердые и хрупкие частицы цс - ментита повышают сопротивление движению дислока­ций, т. е. повышают сопротивление деформации и кро­ме этого уменьшают пластичность и вязкость. В частно­сти, отмечается [3}, что каждые 0,1% С расширяют интервал перехода от вязкого к хрупкому разрушению. Углерод также оказывает существенное влияние на тех­нологические свойства стали: свариваемость, обрабаты­ваемость давлением, резанием, о чем будет подробнее указано ниже.

Учитывая, что любая сталь является многокомпонен­тным сплавом, содержащим кроме углерода и ряд дру­гих элементов (Mn, Si, S, Р), кратко обозначим влияние этих элементов на свойства сплава.

Кремний и марганец (Мп < 0,5...0,8%, Si < 0,35...0,4), переходящие в сталь при выплавке в процессе раскис­ления, упрочняют феррит, несколько снижая пластич­ность, а марганец понижает температуру красноломко­сти стали.

Сера образует эвтектику (Fe + FeS) с Т11Л = 988 °С, кото­рая, раса-гавляясь при прокатке, ковке (Т = 1000... 1201) °С) и сварке нарушает связь между зернами и способствует образованию надрывов и трещин (красноломкость). Одновременно сера снижает пластичность, усталостную прочность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Ее содержание в сталях ограничивается в пределах 0,03...0,06%.

Фосфор повышает жидкотекучесть, но охрупчивает сталь, уменьшая пластичность и вязкость. Его содержа­ние ограничивается в пределах 0,025—0,08%.

Азот, кислород и водород присутствуют в стали как в газообразном виде (в раковинах, порах, микротрещи - ujx и т. п.), так и в виде твердых растворов внедрения и хрупких НСМС7 ілличсскпх включений (оксидов FeO, V , iuПрилов Fc2N и г. д.). 11-м галличсскис включе-

ния, располагаясь по границам зерен, снижают ударную вязкость и предел выносливости сталей. Водород, на­капливаясь в микропустотах, вызывает появление пор и часто способствует образованию пор и холодных «замед­ленных» трещин.

В условиях неравновесного (ускоренного) охлажде­ния, характерного для процессов сварки, ковки, прокат­ки, как правило, образуются пересыщенные твердые растворы углерода, кислорода и азота в железе. Посте­пенное выделение 02 и N2 из пересыщенных растворов при нормальной или повышенной рабочей температу­ре приводит к изменению свойств сталей. Этот процесс называется термическим старением. Как правило, оно повышает прочность стали и снижает ударную вязкость, повышая порог хладноломкости. Старение возможно и после холодной пластической деформации (если она проводится ниже температуры рекристаллизации). Та­кой процесс называется деформационным старением.

Таким образом, диаграмма состояния сплавов желе­зо-углерод позволяет качественно оценить изменения структуры и свойств стали при технологических воздей­ствиях, связанных с нагревом, охлаждением или дефор­мацией.