ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА РАЗЛИЧНЫХ ЗОН СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Влияние термопластического цикла сварки на структуру и свойства металла различных зон сварного соединения уже рассмат­ривалось в курсах «Теоретические основы сварки», «Технология сварки...» и «Теория сварочных деформаций и напряжений».

ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

Вспомним основные результаты применительно к сварке конст­рукционных сталей.

На рис. 1.19 показана кривая максимальных температур от линейного быстродвижущегося источника тепла. Там же приве­дена формула для расчета этой кривой. Поверхностная теплоотда­ча отсутствует. Погонная энергия qп = 3000 кал/см характерна для ручной дуговой сварки. Сумма толщин Х5 =2 • 1 см. Ниже графи­ка показана половина свариваемых пластин с размерами различ­ных зон сварного соединения.

Критические температуры (TL — ликвидуса, TS — солидуса, Ac1, Ас3 — начала и конца у^а превращения) взяты из классиче­ской статической диаграммы железо-углерод при 0,2-0,3% угле­рода. При быстром нагреве для фазовых переходов требуется пе­регрев. В результате критические температуры повышаются. При скоростях охлаждения, характерных для сварки, эти температу­ры сдвигаются вниз на 20-50°С. Но здесь эти сдвиги не учтены.

Из этого графика можно определить следующие зоны металла сварного соединения, обладающие различными свойствами.

1. Металл шва (Tmax > TL). Ширина — 2 • 0,42 см = 8,2 мм. Она характеризуется дендритной литой структурой, в которой возмож­на ликвация (растущие дендриты вытесняют легкоплавкие приме­си на междендритные границы и к центру шва). Средний химиче­ский состав формируется в результате смешивания наплавленного металла с основным металлом. Особенно опасная ситуация получа­ется, если сварить нержавеющую сталь 0Х18Н9 низкоуглеродисты­ми электродами. Тогда при доле участия основного металла 30% в первом проходе получается сталь с 18/3 = 6%Cr и 9/3 = 3%Ni. Это типичный состав легированной инструментальной стали с мартен - ситной структурой.

В моей практике был случай, когда из двух одинаковых пря­моугольных плит нержавеющей стали на прихватках был собран квадрат 100x500x500 мм3. Токарь зажал этот квадрат в патрон то­карного станка и начал вытачивать из него два полукруга. Но при­хватки лопнули, и половинка быстро вращающейся детали весом 1x5x2,5x8 = 100 кГ расколола голову токаря. На судебном разби­рательстве выяснилось, что токарь сам подозвал сварщика и по­просил его прихватить собранные пластины, не указывая, что это за сталь. Прихватка была сделана электродами Э42, которыми работал сварщик.

2. Зона частичного расплавления (TL > Tmax > TS). На рис. 1.19 ее ширина — 0,43 - 0,42 см = 0,1 мм. Здесь обычно расплавлены только границы аустенитных зерен, так как они обогащены лег­

коплавкими примесями. Если при остывании расплавленного шва данная зона растянута, в ней легко зарождаются кристаллизаци­онные трещины. При сварке разнородных швов в этой зоне и вбли­зи нее происходит направленная диффузия углерода, который ска­пливается у границы сплавления и на границах отдельных зерен, вызывая при эксплуатации изделия локальные разрушения.

3. Зона полной перекристаллизации (Т >Ac3). На рис. 1.19 ее ширина — 2 • 0,77 см = 15,4 мм. При нагреве металл полностью перешел в аустенит. При охлаждении происходит его перекри­сталлизация. Обычно это приводит к размельчению зерна, что в свою очередь обычно способствует снижению критической тем­пературы хрупкости и повышению прочности металла. Но при мягких режимах сварки в части зоны, которая нагревается до Tmax > 1000°C, возможен рост зерна и снижение критических тем­ператур хрупкости. Вчасти, которая нагревается до температур выше 900°С, возможно появление горячих трещин в результате межзеренного (интеркристаллитного) разрушения при ползучести. Если скорость охлаждения выше критической, то в этой зоне по­являются структуры закалки: сорбит, бейнит, тростит, мартен­сит. После полного остывания в этой зоне возможно образование холодных трещин.

4. Зона частичной перекристаллизации (Ас3 > Tmax > Ac1). На рис. 1.19 ее ширина — 0,91-0,77 см = 1,4 мм. Здесь при нагреве переходят в у-фазу только перлитные зерна, и только они подвер­гаются перекристаллизации. Эта зона может обладать понижен­ной пластичностью, если перлитные участки закаливаются на мар­тенсит. Тогда структура представляет собой мягкий феррит с очень твердыми, и, может быть, острыми, как ножи, включениями мар­тенсита.

5. Зона наклепа и старения (Tmax > 100°C). На рис. 1.19 ее ширина — 2 • 7,96 см = 158 мм. При сварке в жестком закрепле­нии низкоуглеродистой стали температурные напряжения дости­гают предела текучести. Происходят пластические деформации сжатия металла. Кроме того при температурах ниже 700°С проте­кают процессы термического и динамического старения, что вы­зывает повышение критической температуры хрупкости метал­ла. Особая опасность возникает, если в этой зоне еще до сварки имелись надрезы на свариваемых кромках, трещины на кромках, обрезанных газом, дефекты в ранее сваренных поперечных свар­ных швах и т. п. Тогда на них концентрируются сварочные дефор­мации. В результате охрупчивание металла происходит настоль­ко интенсивно, что в таких местах часто инициируются хрупкие
разрушения крупных конструкций при низком уровне напряже­ний. Такое место является «спусковым крючком» для аварии.

Кроме перечисленных зон при сварке закаленных или предва­рительно наклепанных (например, при холодной гибке) деталей следует учитывать:

6. Зона высокого отпуска (Tmax > 500-600°C). На рис. 1.19 ее ширина — 2 • 1,33 см = 26,6 мм. Здесь будет снято упрочнение де­талей, полученное при их предварительной закалке.

7. Зона рекристаллизации (Tmax > 300°C). На рис. 1.19 ее ши­рина — 2 • 2,27 см = 45,4 мм. Здесь при большой выдержке будет снято упрочнение металла, полученное от предварительного на­клепа (например, при экспандировании газопроводных труб). Если степень предварительного наклепа была близка к критической (обычно 3-5% деформации), в этой зоне возможен интенсивный рост зерна при рекристаллизации. Чем крупнее зерно, тем выше переходные температуры хрупкости. Это обязательно нужно учи­тывать при сварке холодноштампованных или холодногнутых за­готовок.