Сварка разнородных сталей

Химический состав металла в зоне структурной неоднородности

Наиболее распространенной неоднородностью в зоне сплавления разнородных сталей является неоднородность, создаваемая после­дующим изменением состава и структуры сплавляемых металлов. Эта неоднородность об­наруживается довольно часто в соединениях с так называемой неста­бильной зоной сплавле­ния после их эксплуата­ции при высокой темпе­ратуре или после терми­ческой обработки. Ее принято считать харак­терной.

Типичный вид струк­турной неоднородности, характерной для под­вергнутой нагреву не­стабильной зоны сплав­ления разнородных ста­лей, приведен на рис.

31. Как видно из рисунка, в зоне сплавления отчетливо выделяются два слоя. Один из них распола­гается в основном металле (углеродистой стали) и имеет микро­структуру, сильно отличающуюся от структуры остальной части этого металла. Другой находится в наплавленном аустенитном ме­талле и его микроструктура также значительно отличается от струк­туры остальной части металла. Наличие этих слоев и приводит к
снижению работоспособности сварных соединений разнородных сталей. Чтобы предотвратить происходящее здесь изменение струк­туры сплавляемых металлов, необходимо, прежде всего, знать природу указанных слоев и механизм их образования.

Судить о природе металла прослоек, составляющих структур­ную неоднородность зоны сплавления разнородных сталей, можно

по его химическому составу и строению. Как уже указывалось, с появлением микрорентгеноспектрального анализа металлов пред­ставилось возможным определить химический состав даже в та­ких локальных объемах, как зона сплавления в сварном соедине­нии. При этом стало возможным определить в ней не только содер­жание элементов, но и их распределение.

На рис. 32 приведены кривые распределения хрома (кривая 2) и никеля (кривая 1), записанные на микроанализаторе в зоне сплав­ления аустенитного металла с углеродистой сталью при наличии в этой зоне характерной структурной неоднородности, возникшей
после выдержки сварного соединения в течение 300 ч при 600° С. Как следует из этого рисунка, в зоне сплавления разнородных ста­лей после длительной выдержки при высокой температуре обна­руживается переходный слой, в котором концентрация элемента изменяется от содержания его в одном из сплавляемых металлов до содержания во втором. Однако ширина этого слоя в данном слу­чае значительно меньше, чем в состоянии после сварки (0,06—0,09 мм против 0,10—0,20 мм).

Отмеченное обстоятельство свидетельствует о том, что форми­рование химического состава металла зоны сплавления разнород­ных сталей имеет четыре стадии. При нагреве сварного соединения таких сталей в силу значительного различия содержания в них элементов в зоне сплавления развиваются диффузионные процес­сы, способствующие выравниванию химического состава металла переходного слоя, образующегося при кристаллизации свароч­ной ванны. С течением времени ширина переходного слоя умень­шается.

Значительно труднее получить данные о содержании и распре­делении в зоне структурной неоднородности углерода. С помощью имеющейся в настоящее время аппаратуры микрорентгеноспект - ральным анализом нельзя определить содержание углерода в ме­талле зоны сплавления разнородных сталей. Поэтому до настоя­щего времени сведения о содержании углерода и его распределении в зоне сплавления разнородных сталей ограничены.

Автором совместно с Т. А. Струйной [17] распределение угле­рода в зоне сплавления разнородных сталей при наличии в ней характерной структурной неоднородности исследовалось с по­мощью послойного спектрального анализа по методике, описанной в § 2 гл. II. Исследование производили на тех же наплавках, ко­торые использовались для изучения распределения углерода в зоне сплавления разнородных сталей в состоянии после сварки, но в данном случае их нагревали до 600° С и выдерживали при этой тем­пературе в течение 300 ч. Во всех наплавках в зоне сплавления полу­чена структурная неоднородность, характерная для нестабиль­ных сварных соединений разнородных сталей (рис. 33). Результаты этих исследований приведены на рис. 34. На графиках отчетли­во видно, что во всех исследованных соединениях в зоне сплавления существенно изменяется содержание углерода. Имеет место пере­мещение углерода из неаустенитного металла в аустенитный, в ре­зультате чего в неаустеиитной стали образуется прослойка с по­ниженным содержанием углерода, а в прослойке аустенитного металла концентрация этого элемента повышается.

Установлено, что нагрев исследованных наплавок до одной и той же температуры вызывает различную степень изменения кон­центрации углерода в зоне сплавления. Это представляет опреде­ленный интерес, если учесть, что в исследованных наплавках сплав­ляемые металлы практически имели один и тот же химический со­став, который определяет перемещение элементов, в том числе И

углерода, в зоне сплавления. Исследуемые наплавки выполнялись таким образом, чтобы все изменения режима и условий сварки не вызывали изменений химического состава наплавляемого ме­талла.

Анализируя приведенные на рис. 34 кривые, можно отметить, что изменение содержания углерода в зоне сплавления разнород­ных сталей при последующем нагреве зависит от погонной энер­гии сварки. Несмотря на неизменный состав сплавляемых металлов

а б

Рис. 33. Микроструктура зоны сплав­ления аустенитной стали IX19H11M3 с углеродистой СтЗ в наплавках, вы­полненных дуговой сваркой с различ­ной погонной энергией, кал/см: а — 1720; б — 6216; в — 11216, хЮО.

и идентичные условия последующего нагрева, в каждой исследо­ванной наплавке получено свое, отличающееся от других напла­вок распределение углерода. Сравнение рис. 34, а и б показывает, что с повышением погонной энергии уменьшается ширина слоя неаустенитного металла, в котором снижается содержание углеро­да При этом степень обезуглероживания металла указанного слоя уменьшается. Повышение погонной энергии уменьшает также ши­рину науглероженного слоя в аустенитном металле. Концентрация углерода в этом слое повышается. Аналогичное влияние на распре­деление углерода оказывает и предварительный подогрев (рис. 34, б и г).

Отмеченное изменение ширины обезуглероженного и науглеро­женного слоев, а также содержания углерода в них свидетельст­вует о том, что повышение погонной энергии сварки и предваритель­ный подогрев создают условия, которые при последующем нагреве

сварного соединения затрудняют приток углерода из неаустенит - пого металла к аустенитному и распространение его в последнем. Иными словами, повышение погонной энергии создает условия,

замедляющие диффузию углерода как в неаустенитном основном металле, так и в аустенитном металле шва.

Поскольку при неизменном составе свариваемых металлов из­менение погонной энергии сварки приводит к изменению величины зерна в зоне сплавления, можно предположить, что установленная зависимость между режимом сварки и степенью изменения содер­
жания углерода в зоне сплавления разнородных сталей при на­греве сварного соединения обусловлена различной величиной зер­на, получаемой здесь в процессе сварки. Известно, что в диффузион­ном процессе, протекающем в поликристаллическом твердом теле.

д

важная роль принадлежит границам зерен. С уменьшением вели чины зерна коэффициент диффузии сильно возрастает [30]. Чтобы проверить высказанное предположение, из исследуемых наплавок в состоянии после сварки изготовляли|микрошлифы, на которых по специальной методике выявляли первичную структуру метал ла околошовной зоны. На рис. 35 приведена макроструктура ме

галла околошовной зоны тех наплавок, распределение углерода и зоне сплавления которых приведено на рис. 34. Как видно из рисунка, металл в зоне сплавления исследованных наплавок дей - ггиптельно имеет различную величину зерна: балл 4 (по ГОСТ Г»(!39—65) в первой наплавке, 2 — во второй, 0 — в третьей и — 1 — н четвертой. Сопоставление полученных значений величины зерна (рис. 35) с результатами проведенного выше сравнения распреде­ления углерода (рис. 34, а и б) показывает, что большая ширина слоев с измененным содержанием углерода имеет место в зоне сплавления металлов, обладающих меньшим зерном. Кроме того, с уменьшением величины зерна снижается минимальная концентра­ция углерода в обезуглероженном слое и максимальная — в на - углероженном.

Следует отметить, однако, что сопоставление остальных кри­вых с рис. 35 не обнаруживает отмеченной закономерности между и їмснениями распределения углерода и погонной энергии сварки. •)ю обстоятельство позволяет заключить, что изменение содержания углерода в зоне сплавления разнородных сталей при ее нагреве пс всегда представляет собой процесс обычной диффузии. По-ви­димому, в некоторых случаях здесь проявляются факторы, услож­няющие процесс перемещения углерода. Одним из них может быть напряженное состояние зоны сплавлення, вызываемое различием коэффициентов линейного (термического) расширения сплавляе­мых металлов.

Таким образом, изложенное показывает, что в зоне сплавления разнородных сталей при наличии в ней структурной неоднороднос­ти имеет место перемещение углерода из менее легированного ме - тнллл в более легированный. В результате со стороны менее легиро­ванного металла в некоторой прослойке, примыкающей к более легированному металлу, обнаруживается снижение концентрации ною элемента. В более легированном металле непосредственно V границы сплавления образуется прослойка с повышенным содер­жанием углерода.