СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Горячие трещины (ГТ)
6.3.1. Природа и причины образования ГТ
Горячие трещины при сварке — хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации (рис. 6.1).
Потенциальную склонность к ГТ имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.
6.3.1.1. Природа ГТ. Природа ГТ адекватна природе высокотемпературной хрупкости неравновесно кристаллизующихся сплавов. Различают три типа высокотемпературной хрупкости (табл. 6.1).
Все три типа хрупкости проявляются в определенных температурных интервалах хрупкости: ТИХЬ ТИХц, ТИХш, соотношение между которыми представлено на рис. 6.2.
Модель структуры сварного шва в этих интервалах температур приведена на рис. 6.3, а фрактография стенок трещин — на рис. 6.4. Факторы, обусловливающие малую пластичность металла с такой структурой, приведены в табл. 6.1.
Указанные факторы взаимодействуют на фоне постепенного снижения объема жидкой фазы по мере охлаждения и выделения из нее эвтектик второго и третьего порядка, что постепенно приводит к снижению пластичности у нижней границы ТИХі. Этого явления нет в сплавах, содержащих в конце кристаллизации 5—10 % эвтектики определенного состава, кристаллизующейся в последнюю очередь при постоянной темпе-
|
ратуре, т. е. практически мгновенно. Такие сплавы сохраняют значительную пластичность в ТИХь Обнаружение и идентификация ТИХп, ТИХщ в полной мере обеспечиваются при испытаниях механических свойств с ма- |
|
|
|
Рис. 6.1. Сводная топография ГТ при дуговой {а) и лучевой (б) сварке: /-—продольные в шве и в зоне сплавления, 2 — поперечные в шве и зоне сплавления; 3 — полеречные по толщине в свариваемом металле и металле предшествующего слоя при многопроходной сварке |
|
лой скоростью деформации, что способствует развитию диффузии легирующих и примесных элементов, образующих интер - металлидные, карбидные и карбонитридные фазы. 6.3.1.2. Причины образования горячих трещин. Наличие температурно-временного интервала хрупкости обусловливает потенциальную склонность сплавов к ГТ, является необходимым условием и первой причиной их образования. Вторая причина ГТ — высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затрудненной усадки металла шва и формоизменения свариваемых заготовок, а также при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработке, усиленные тепловой, структурной и механической концентрацией деформации. Принято рассматривать две составляющие деформации при сварке [5]: ет — температурная деформация (рис. 6.5). Она по величине равна деформации металла при его нагреве и охлаждении в свободном состоянии (измеряется на дилятометрах), но |
|
|
|
|
|
Рис. 6.2. Изменение механических свойств сплавов в процессе кристаллизации шва и последующего охлаждения: Тл и Тс~ температуры ликвидус и солидус, <т и б, в — прочность, пластичность и дефор |
|
- верх |
|
мация металла ища; |
|
и’ |
|
н |
|
в |
|
в |
|
няя и нижняя границы ТИХі — ТИХщ; бц— запас пластичности в ТИХц*. tga=BKp—критический темп деформации в ТИХ], определяющий деформационную способность в этом интервале температур |
|
ТИПЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ХРУПКОСТИ
|
Рис 6 3 Модель структуры сварного шва и схемы зарождения ГТ кристаллизационного (а) и подсолидусного (6, в) типа а — поворот кристаллитов под действием усадочных напряжений до заклинивания, что ограничивает залечивание расплавом раскрывающихся трещин, 6 — ростовые днслока ции у границ, в — зарождение трещины прн межзереином проскальзывании в месте выхода ростовых дислокаций и в местах залегания карбидов и ннтерметаллидов
|
|
|
|
Рис 6 4 Микроструктура металла шва в районе ГТ и фрактограммы их стеиок Х2000 а — ГТ кристаллизационного типа, б — ГГ подсолидусного типа
|
|
Рис 6 5 Схема развития деформаций и исчерпания пластичности в ТИХ / — при синхронном, 2 — несинхронном развитии термического и деформационного цикла сварки, а — изменение температуры в ТИХ и деформации формоизменения ен1 н ен2» б — нарастание деформаций еі н в ТИХ (е12 — єт ± ен), в — соотношение между де формациями Бь Бг и деформационной способностью металла в ТИХ в фазе охлаж дення, К — касательная к
противоположна по знаку (способствует растяжению шва); еи — наблюдаемая деформация от формоизменения свариваемых заготовок. Она фиксируется различными методами измерения непосредственно на свариваемых заготовках вдоль, поперек оси шва, по его высоте, т. е. является измеряемой. Эта составляющая деформации может способствовать сжатию (—Єні) или растяжению шва ( + Єи2), а также переходу от его растяжения к сжатию по мере снижения температуры (енг). Величина и знак деформации при сварке определяются алгебраической суммой этих двух составляющих.
Она достигает наибольшей интенсивности, когда составляющая ен велика и имеет знак +. В этом случае
8 = 8Т + 8Н.
Такая ситуация создается в тех участках шва, где максимум деформаций Єн отстает по времени от максимума температуры, т. е. при несинхронном развитии. Она развивается при малой геометрической жесткости заготовок (по ширине, толщине) и усиливается при сварке сплавов с повышенной жаропрочностью и ограниченной теплопроводностью.
В условиях синхронного развития функций T(t) и є (і) деформация в ТИХі минимальна, поскольку є = єт—єи.
Другой характерной особенностью развития высокотемпературных деформаций является монотонность нарастания в ТИХ, что позволяет за количественный показатель интенсивности принять темп деформации В:
В = де/дТ « Де/ТИХ,
где Ае — накопленная в ТИХ относительная деформация.
Например, деформация Ае составила 2,4%. Температурный интервал хрупкости 120°. Темп деформации равен 2 4 %
В = — = 2 10-2 %/°С.
1,2 102
Условие неразрушаемости металла в ТИХ состоит в том, что темп деформации в любой точке шва не должен превышать критический, т. е. не приводить к исчерпанию пластичности металла в ТИХ.
Геометрическая интерпретация критического темпа деформации— тангенс угла аКр между осью температур и касательной к линии изменения пластичности в ТИХі—ТИХц, проведенной из ТОЧКИ Вт (рис. 6.5,8)
*8акр = вкр [%/°С].
Этот угол определяется также приближенно соотношением П/Т ИХ, где П — средняя пластичность в ТИХ. Следовательно, Вкр является обобщенным показателем деформационной способности сплавов в ТИХ.
Если B>BKP, то пластичность исчерпывается. Это является необходимым и достаточным условием для возникновения горячих трещин. Геометрическая интерпретация — пересечение линий є и П в ТИХ (рис. 6.2).
Если В<ВКр, пересечения не происходит (трещины не образуются), т. е. имеется запас по стойкости против образования ГТ, а выражение BKV/B—1 = Кгт является коэффициентом запаса.
В изотермических условиях послесварочной термообработки исчерпание пластичности швов имеет место в результате ее понижения во времени и развития деформации металла при релаксации сварочных напряжений [6].
