СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛА В ОТДЕЛЬНЫХ ЗОНАХ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ

Структура материала в зонах термического влияния сварного шва и его механические характеристики в этих зонах

Выше, в п. 24, при изучении природы неоднородности мате­риала вблизи сварного шва установлено наличие в основном ме­талле с той и с другой стороны от шва двух структурно отличных друг от друга зон, а именно, зоны крупнозернистой структуры и зоны мелкозернистой структуры.

Очевидно, что механические характеристики основного металла околошовной зоны будут обусловлены его структурой и не могут быть изучены в отрыве от последней. Попытки изучения механи­ческих свойств металла околошовной зоны в отрыве от изучения его структуры привели к ошибочным выводам. В работе [149] приводятся диаграммы, полученные испытанием на растяжение плоских образцов, вырезанных на различных расстояниях от шва (рис. 8) где 1 — шов; 2 — металл на расстоянии 12,7 мм от шва; 3 — на расстоянии 25,4 мм от шва; 4 — пластина в целом; 5 —
основной металл. Эта работа не может дать ответа на вопрос — на каком расстоянии от оси шва основной металл после сварки приобрел наибольшее упрочнение и претерпел наибольшую по­терю пластичности и каковы численные значения этих характе­ристик. Испытание пластины как целого непоказательно для оценки упрочнения и потери пластичности металла околошовной зоны потому, что будет иметь место неравномерное распределение внутренних усилий по по­

перечному сечению плас­тины, и, следовательно, приведенная авторами диа-

грамма для пластины в целом не будет иметь смысла, когда ее ординаты подсчитаны для однородного материала. По данным тех же авторов, пластины шириной 125, 300, 1000 мм имели соответственно остаточные относительные удлинения при разрыве 17, 27 и 36% при 38% удлинения основного металла. Оши­бочность этого вывода очевидна. Зона термического влияния с фиксированной пониженной пластичностью не может увели­чивать свою способность деформироваться при осевом растя­жении вместе с увеличением ширины пластины за счет основ­ного металла вне зоны термического влияния.

В работе [401 применен микромеханический метод к определе­нию механических характеристик металла околошовной зоны пу­тем испытания образцов, вырезанных на различных расстояниях от шва без предварительного изучения структуры металла этой зоны. Результаты этой работы приведены на рис. 9. Следует отме­тить, что авторы в результате своей работы приходят к следующему заключению: «Постепенное увеличение прочности с удалением от шва сопровождается также увеличением пластичности. . . Таким образом, участок, прилегающий к шву, обладает пониженными
прочностью и пластичностью по сравнению с участком максималь­ной прочности». К такому выводу можно прийти в том случае, если механические характеристики металла околошовной зоны изу­чать в отрыве от его структуры. Действительно, разрыв в струк­туре на границе между наплавленным металлом и крупнозерни­стой зоной основного металла обусловливает разрыв в значениях механических характеристик металла на этой границе. Вместе с удалением от этой границы прочность и пластичность не могут изменяться в одном направлении. Повышение прочности будет сопровождаться понижением пластичности, и наоборот. Кроме того, вырезанные на различных расстояниях от шва образцы не могли иметь однородную структуру в поперечных сечениях, и этим должен объясняться значительный разброс в опытных значе­ниях св и я)? (рис. 9). Отсюда следует, что правильная количе­ственная оценка механических свойств металла околошовной зоны может быть получена лишь на основе предварительного изучения его структуры.

В работе [116] изложена методика исследования механических свойств металла зоны шва и приведены результаты исследования для сталей типа СХЛ и 20Г при ручной сварке. Эта методика бази­руется на предварительном изучении природы неоднородности металла зоны шва и использует тот факт, что каждая из зон терми­ческого влияния имеет достаточные размеры для вырезки образцов, в пределах рабочей части которых с известным основанием металл можно считать однородным. Ниже приводятся результаты иссле­дования механических свойств металла зоны шва автосварки, а также зоны плоского крестового шва для случая, когда основной металл — сталь типа СХЛ.

Механические свойства металла зоны стыкового шва автоматической сварки

В зонах крупнозернистой и мелкозернистой структуры стыко­вого шва автоматической сварки так же, как и в зонах исходной структуры и наплавленного металла, существуют конечные уча­стки с однородными в среднем структурами. Резкой является лишь граница между наплавленным металлом и крупнозернистой зоной, а границы между остальными зонами не резкие, несколько раз­мытые. Для исследования механических характеристик материала в различных зонах термического влияния из каждой зоны были вырезаны цилиндрические образцы на разрыв, имеющие рабочую длину / = 32 мм и диаметр рабочей части d = 1,5 мм. С этой целью на каждом из выбранных образцов микроанализа (п. 24), имеющих миллиметровые сетки на плоскости шлифа, были сделаны разметки мест вырезки образцов из каждой зоны термического влияния. Разметка этих мест делалась так, чтобы ось образца проходила посередине взятой зоны, перпендикулярно к плоскости шлифа.

В табл. 5 приведены номера образцов, где первые цифры указывают зону, из которой вырезан образец. Там же даны началь­ные геометрические параметры.

Опытная проверка показала, что при взятых размерах образ­цов масштабный фактор не оказывает влияния на результаты опы­тов. В силу незначительной ширины как крупнозернистой, так и мелкозернистой зон нельзя априори утверждать, что каждый из этих образцов содержит материал заранее намеченной зоны в чистом виде. Поэтому из каждой зоны было вырезано по пять образцов указанных выше размеров, и каждый из них был испытан на растяжение до разрыва. Во избежание загромождения здесь не приводятся условные диаграммы их растяжения и данные испы­тания на растяжение всех пяти образцов, а лишь данные для трех­четырех из них. Сводные данные механических характеристик, полученных испытанием на растяжение, приведены в табл. 5, где Ps и Р„ значения растягивающей силы на пределе текучести и при временном сопротивлении. Принадлежность каждого из 16 образ­цов к той или иной из зон термического влияния повторно прове­
рялась микроанализом путем приготовления микрошлифа по се­чению разрыва. Данные этой проверки указаны в первой графе табл. 5 в скобках. По данным этой же таблицы построены кривые изменения as, ф в %, а также ов, бв в % по зонам, приведенные соответственно на рис. 10, 11. Эти кривые показывают, что в зоне термического влияния имеет место резкое уменьшение пластич­ности основного металла и его сильное упрочнение. Условный предел текучести os (рис. 10) в этой зоне по отношению к условному пределу текучести исходного металла повышается на 32%. Харак­теристика пластичности ф (рис. 10) в этой зоне по отношению к ф

исходного металла понижается на 17—18%. Временное сопро­тивление (рис. 11) в этой зоне термического влияния по отношению к ое исходного металла повышается на 24—25%. Относительное остаточное удлинение б (рис. 11) в той же зоне по отношению к б исходного металла при взятом соотношении между I и d пони­жается на 14—15%. Твердость и микротвердость в зоне терми­ческого влияния изменяются примерно по тому же закону, по какому в этой зоне изменяются os, ое. Если следовать предложе­ниям Н. Н. Давиденкова, то использование измерений твердости и микротвердости металла в отдельных зонах термического влия­ния может дать возможность косвенного определения его основ­ных механических характеристик и даже диаграммы истинных напряжений в этих зонах. На рис. 12 приведена кривая изменения микротвердости по зонам, замеренной в точках указанной на этом рисунке линии плоскости шлифа образца С9 (табл. 4). Микротвер­дость в зоне термического влияния в этом случае по отношению к микротвердости исходного материала повышается на 22%. Твердость и микротвердость в точках линий, параллельных гра­ницам зон, в пределах каждой отдельной зоны по толщине листа вплоть до его поверхности остаются практически постоянными. Для иллюстрации на рис. 13 приведены графики изменения микротвердости по таким промежуточным линиям крупнозерни­стой зоны II (кривая 1) и мелкозернистой зоны III (кривая 2),

где значения а и b микротвердости получены замерами в тех же зонах на поверхности листа.

Отметим, что сравнение результатов исследования механи­ческих свойств основного металла зоны шва ручной [116] и авто­матической сварки (п. 25) стали типа CXJ1 при взятых режимах сварки показывает, что пределы изменения механических свойств основного металла зоны шва при нормальных условиях остывания практически не зависят от режима сварки. Пределы изменения этих характеристик для каждой марки стали могут быть найдены изложенным здесь способом.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.

1. При автоматической сварке в зоне термического'7влияния также, как и при ручной сварке, имеет место резкое понижение пластичности материала. Это понижение в исследуемом случае доходит до 18% величины о|Ги до 14—15% величины б исходного металла при взятом соотношении между I и d.

Если учесть, что степень наклепа при механической обработке у образцов из исходного металла будет несколько больше, чем у образцов из менее пластичных металлов крупнозернистой и мелкозернистой зон, то это понижение должно быть несколько больше.

2. Потеря' пластичности в зоне термического влияния сопро­вождается резким увеличением временного сопротивления, пре­дела текучести и условного напряжения при разрыве. Условный предел текучести 0S в зоне термического влияния повышается на 32% по сравнению с условным пределом текучести исходного материала. Временное сопротивление ав в зоне термического влияния повышается на 24—25% по сравнению с ов исходного металла.

3. Твердость и микротвердость в зоне термического влияния изменяются по тому же закону, по которому в этой зоне изме­няются as, ав. Микротвердость в зоне термического влияния по­
вышается на 22% по сравнению с микротвердостью исходного металла.

4. На границе между наплавленным металлом и крупнозер­нистой зоной все характеристики os, ов, HD, ф претерпевают раз­рывы. При удалении от этой границы в направлении исходной структуры основного металла характеристики os, ов, HD непре­рывно уменьшаются, приближаясь к своим значениям для исход­ной структуры основного металла сверху, а характеристика і]) увеличивается, приближаясь к своему нормальному значению снизу.

5. Так как зоны термического влияния выходят на поверх­ность листа и в точках линий, пареллельных границам зон, твер­дость по толщине листа практически остается постоянной, то для контроля упрочнения материала зоны шва можно использовать этот более простой и экономичный метод замера твердости.

Механические свойства металла зоны крестового шва

Кривые ав, as и ч): получены в результате испытания на раз­рыв образцов, вырезанных из отдельных зон, и не могут отражать истинные значения указанных величин при переходе от одной зоны к другой. Микротвердость измерялась в каждой клетке мил­лиметровой сетки вдоль выбранной линии, в силу чего кривая микротвердости лучше и полнее описывает изменение механи­ческих характеристик материала как в пределах одной и той же зоны, так и при переходе от одной зоны к другой. Поэтому во всем дальнейшем характер изменения механических характеристик основного металла вблизи крестового шва будем устанавливать на основе изучения закона изменения микротвердости как в зонах термического влияния пазового шва, так и в зонах термического влияния стыкового шва при приближении к точке пересечения осей этих двух швов.

Микротвердость зоны пазового шва. Микротвердость замеря­лась вдоль заданной линии в каждой клетке миллиметровой сетки, нанесенной на поверхность шлифа каждого из образцов П2 - П17 (рис. 4). Около выбранной точки в каждой клетке милли­метровой сетки снималось несколько замеров и по средним значе­ниям микротвердости строилась кривая изменения микротвердо­сти вдоль линии замеров. Сравнение этих кривых друг с другом убеждает в том, что при приближении к оси стыкового шеэ в пре­делах от образца П7 до образца П2 или в пределах от образца П17 до образца П12, каждый из которых содержит пазовый шов по­середине длины, закон изменения микротвердости по линии, нор­мальной к оси пазового шва, остается одним и тем же. Более того, вместе с приближением к оси стыкового шва микротвердость каждой отдельной зоны пазового шва остается без заметных изме­нений. Например, наибольшая микротвердость зоны II образца П7 одинакова с наибольшей микротвердостью зоны II образца П2.

Для иллюстрации на рис. 14, а приведены графики изменения максимальных значений микротвердости в зоне термического влияния пазового шва слева и справа от его оси в зависимости от расстояния от оси стыкового шва. Оказывается, что последую­щее наложение стыкового шва не вызывает заметных изменений механических характеристик зон термического влияния наложен­ного ранее пазового шва на расстоянии от 12 мм и более от оси стыкового шва.

260

Ось пазового шва

8 9 10 11 12 13 141,т 07 С5ЇЇ.

260

-X— XT-'*-*—*—* *

Справа

' Ось стыкового шва

Clf СИ CIS CI7

Слева

Рис. 14

Изучение механических характеристик материала зоны терми­ческого влияния пазового шва при последующем приближении к оси стыкового шва производилось путем последовательного снятия слоя с грани аа образца ПП. После снятия очередного слоя приготовлялся микрошлиф, снимались границы зон терми­ческого влияния и замерялась микротвердость указанным выше образом. При этом было установлено, что при дальнейшем при­ближении к оси стыкового шва до 7,5 мм микротвердость мате­риала в отдельных зонах термического влияния пазового шва, а также максимальные значения микротвердости остаются без заметных изменений.

Таким образом, при данных условиях последующее наложение стыкового шва не только не изменяет структуру материала в от­дельных зонах термического влияния пазового шва, не только не вызывает заметных изменений в относительном расположении гра­ниц отдельных зон этого шва друг относительно друга, но, что не менее важно, не вызывает заметных изменений механических
характеристик в отдельных зонах термического влияния пазового шва даже на расстоянии 7,5 мм от оси стыкового шва.

Микротвердость зоны стыкового шва. Сравнение кривых изме­нения микротвердости вдоль линий замеров для каждого из образ­цов С2—С17, содержащих стыковой шов посередине длины, пока­зало, что закон изменения микротвердости по линии, перпенди­кулярной к оси стыкового шва, остается одним и тем же для всех этих образцов. Причем, как и раньше, каждая из этих кривых микротвердости симметрична относительно плоскости, проходя­щей через ось стыкового шва перпендикулярно к плоскости листа и нормальной к линии замеров микротвердости. Поэтому можно считать, что эта плоскость будет плоскостью симметрии для всех других механических характеристик материала околошовной зоны, т. е. если на заданном расстоянии от этой плоскости по одну сторону от нее имеется элемент металла с вполне определенными механическими характеристиками, то по другую сторону от этой плоскости на таком же расстоянии будет существовать такой же элементе такими же механическими характеристиками. В отличие от предыдущего случая максимальные значения микротвердости зоны термического влияния стыкового шва с приближением к оси пазового шва как с одной, так и с другой стороны этой оси убы­вают. Например, максимальные значения микротвердости зоны термического влияния у образцов С7 и С17 справа и слева от оси стыкового шва 262 кГІмм2, а у образцов С2 и СП—243— 247 кГ/мм2. На рис. 14, б приведены кривые изменения макси­мальных значений микротвердости у образцов С2—С17 в зависи­мости от расстояния их до оси пазового шва, наглядно показываю­щие ход этого убывания. Максимальные значения микротвердости у образцов С7—С17 приблизительно на 8% превосходят соответ­ствующие максимальные значения микротвердости образцов С2 и СП. Такое убывание максимальных значений микротвердости зоны термического влияния стыкового шва с приближением к оси пазового шва можно объяснить лишь тем, что стыковой шов накладывается до момента полного остывания зон пазового шва, в силу чего величина стесненной температурной деформации при наложении стыкового шва уменьшалась с приближением к оси пазового шва.

Изучение механических характеристик материала зоны терми­ческого влияния стыкового шва при дальнейшем приближении к оси пазового шва производилось путем последовательного сня­тия слоев с грани аа образца СП. После снятия очередного слоя с этой грани на ее плоскость наносилась миллиметровая сетка, приготовлялся микрошлиф, снимались границы зон термического влияния и замерялась микротвердость. Сравнение кривых микро­твердости в сечениях образца СП при b = 9,65 и 2,73 мм пока­зывает, что при дальнейшем приближении к оси пазового шва до

7,7 мм микротвердость материала в отдельных зонах термиче­ского влияния стыкового шва, а также максимальные значения микротвердости остаются без заметных изменений. Этот факт может быть обусловлен лишь тем, что градиент начальной темпе­ратуры от ранее наложенного пазового шва, в пределах от 7,7 до 14,65 мм от оси последнего, был незначительным. Для иллюстра­ции на рис. 14, в приведены графики изменения максимальных значений микротвердости зоны термического влияния стыкового шва справа и слева от его оси в зависимости от расстояния нор­мального сечения стыкового шва от оси пазового шва, подтвержда­ющие тот факт, что в указанных пределах максимальные значения микротвердости практически остаются постоянными.

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

а) последующее наложение стыкового шва не вызывает замет­ных изменений структуры и механических характеристик мате риала в отдельных зонах термического влияния ранее наложен­ного пазового шва даже на расстоянии 7,7 мм от оси стыкового шва;

б) повышение начальной равномерной температуры листа при­водит к относительно меньшей потере пластичности и меньшему упрочнению материала зоны сварного шва.

Некоторые общие замечания и выводы.

Выше были приведены результаты исследования механических свойств металла зоны шва для случая, когда основным металлом является сталь типа СХ. Л. Кик показывают исследования, степень упрочнения и потери пластичности основного металла зоны шва зависит от его исходных физико-механических свойств и поведения при высоких температурах. Например., сталь ЗОХГСА (рис. 9) по­вышает свой предел текучести в этой зоне примерно на 100%, а ее характеристика пластичности ф в той же зоне не превосходит одной трети нормального значения. Другим примером может слу­жить (Ст. З), у которой максимальная микротвердость зоны терми­ческого влияния выше ее микротвердости в исходном состоянии всего на 9% (рис. 14, г). У стали 4С [96] максимальная микро­твердость зоны термического влияния выше ее микротвердости в исходном состоянии на 30%. Отсюда ясно, что в тех случаях, когда основной металл резко повышает свой предел текучести в результате мощного местного нагрева и последующего остыва­ния, эта зона после остывания может оказаться в упруго-дефор­мированном состоянии, в то время как смежные зоны могут быть сдеформированы упруго-пластически. Вместе с тем существует также класс металлов, которые в результате сварки и остывания получают разупрочнение в зоне термического влияния. Например, у стали 1Х18Н9Т [96] в результате сварки в состоянии поставки микротвердость зоны термического влияния оказалась ниже ее микротвердости в исходном состоянии на 20%. Таким образом, распределение зон упругих и упруго-пластических деформаций будет определяться характером и степенью изменения механи­ческих свойств основного металла зоны шва. Этим, в частности,
обусловлена необходимость учета изменения механических свойств основного металла зоны шва при исследовании сварочных дефор­маций и напряжений.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1) механические свойства металла зоны линейного и крестового шва вдоль линии, параллельной оси линейного шва или одной из осей крестового шва, по длине шва остаются постоянными;

2) распределение зон упругих и упруго-пластических деформа­ций определяется характером и степенью изменения механических свойств основного металла зоны шва.

Первый из этих выводов будет использован в гл. 7, а второй — при решении конкретных задач по исследованию сварочных дефор­маций и напряжений в последующих главах.