В § 42 отмечалось, что при сварке сталей, сохраняющих высокую пластичность в процессе охлаждения от ТИХ до нормаль­ных температур, вероятность возникновения трещин мала. При этом предполагалось, что пластичность металла шва достаточно высока во всем интервале температур охлаждения,

вследствие чего деформации протекают без нарушения сплошности металла.

В тех случаях, когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовые или структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема и значительным ухуд­шением пластических свойств, трещины могут возникать и в облас­ти низких температур — ниже 200 °С. Подобные явления имеют место, например, при сварке закаливающихся сталей. Такие тре­щины называются холодними. Они могут быть поперечными (в шве, чаще в околошовной зоне), а также располагаться параллельно границе сплавления (отколы).

Появление холодных трещин связывают с фазовыми и структур­ными превращениями, продуктами которых являются структуры с низкими пластическими свойствами (например, мартенсит), а так­же с влиянием водорода.

По сравнению с другими структурными составляющими, мартен­сит характеризуется высокой твердостью (НВ 500—600), весьма малой пластичностью и повышенным удельным объемом (табл. 42). В связи с этим структурные превращения аустенит — мартенсит связаны с наиболее значительным увеличением объема.

Мартенситные превращения основной части аустенита обычно протекают при пониженных температурах (300—400 °С), когда ме­талл уже приобрел значительную прочность, а распад остаточного аустенита может продолжаться даже при температуре 200 °С и ниже. Поэтому образование в металле хрупкой прослойки с повышенным удельным объемом сопровождается структурными напряжениями, что и способствует возникновению трещин.

Фазовые и структурные превращения наблюдаются на участке околошовной зоны, который нагревается выше температур поли­морфного превращения. Характер конечной, образующейся здесь структуры металла зависит от химического состава основного металла и скорости нагрева и охлаждения. Так, углерод и большин­ство легирующих элементов увеличивают устойчивость аустенита и уменьшают скорость его превращения. Поэтому легированный аустенит может распадаться при более низкой температуре, чем нелегированный, и образовывать метастабильную структуру мар­тенсита.

Из типичной С-диаграммы изотермического превращения аусте­нита в углеродистой стали (рис. 185) видно, что чем больше перео­хлаждается аустенит ниже температуры Ап, тем более неравновес­ные структуры образуются в результате его распада.

Наибольшее влияние на характер структуры, образовавшейся в результате превращения аустенита, оказывают скорость охлажде­ния и длительность пребывания аустенита в интервале температур наименьшей его устойчивости (Ттп = 500 -*- 600 °С). Для каждой стали существует своя критическая скорость вдф охлаждения в этом

температурном интервале, превышение которой (щ0 > юКр) приво­дит к появлению в структуре металла мартенсита.

Если скорость охлаждения ниже критической (w0 < wKp), то распад аустенита произойдет в верхнем субкритическом интервале температур (Таі—Т, П|П) и продуктами превращения будут струк­туры типа перлита. Наличие легирующих добавок сдвигает С-диаг - рамму вправо (рис. 186), а потому снижает и величину критической скорости охлаждения (ш,'р < kvp). Следовательно, для получения перлитной структуры здесь потребуется более замедленное охлажде­ние металла, чем для обычной углеродистой стали.

Основными параметрами термического цикла околошовной зоны являются (рис. 187):

1) максимальная температура нагрева Ттт

2) скорость wA нагрева при 700—1000 °С;

3) скорость а»., охлаждения при 500—600 °С;

4)длительность Ї нагрева от температуры, соответствующей критической точке Асз, до Г, лях;

5)длительность /" охлаждения от Г, пах до температуры, отвечаю­щей точке Лг;,.

Конечная структура металла околошовной зоны после охлажде­ния до нормальной температуры зависит от того, какая структура образуется в ней в процессе нагрева к моменту начала охлаждения,

а также от структурных пре­вращений при. охлаждении.

При нагреве перлит и феррит околошовной зоны превраща­ются в аустенит, карбиды час­тично или полностью раство­ряются в нем, зерна аустенита растут и происходит выравнива­ние их состава (гомогенизация). Высокотемпературный и дли­тельный перегрев металла спо­собствует укрупнению и гомоге­низации зерен аустенита. Круп­нозернистая гомогенная струк­тура аустенита более устойчива, а при охлаждении это способствует его неполному распаду и обра­зованию мартенсита. Быстрый нагрев и малое время пребывания металла в области температур выше Асз приводят к образованию сравнительно неустойчивого аустенита с мелкими зернами, имею­щими неодинаковый состав.

В равных условиях охлаждения распад неустойчивого мелко­зернистого аустенита может быть более полным — до сорбита или даже перлита. Но в условиях повышенной скорости охлаждения пе­регретого металла с укрупненным зерном вполне вероятна закалка с образованием метастабильной структуры и резким снижением пластических свойств сварного соединения. В этом случае мо­гут появиться холодные трещи ны. Если же в результате нагре­ва образовался мелкозернистый неустойчивый аустенит, то при той же повышенной скорости охлаждения содержание мартен­сита в продуктах распада будет незначительным, сохранятся вы сокие пластические свойства сварного соединения и трещины могут не возникнуть.

Термический цикл при сварке должен быть таким, чтобы В ОКО­ЛОШОВНОЙ зоне, где металл нагревается выше критических точек полиморфных превращений, критическая скорость охлаждения не была превышена. Ориентировочно значение такой скорости можно взять из С-диаграммы изотермического распада аустенита для сва­риваемой стали / с корректировкой 2 на непрерывность охлаждения

при сварке (рис. 188) и рост зерна, вызванный нагревом. Опреде­ленная таким образом критическая скорость охлаждения носит приближенный, условный характер. Примерные расчетные значения допустимой скорости охлаждения ПУо. доп для околошовной зоны при сварке некоторых сталей приведены в табл. 43.

В известных пределах при заданном составе стали скорость охла­ждения, а следовательно и количество мартенситной фазы, можно
регулировать выбором режима подогрева, последовательности наложения швов, а также изменением формы и размеров конс­трукции.

Итак, с позиций закалочной гипотезы возникновение холодных трещин объясняется следующим образом:

1)переохлаждение аустенита в некоторых зонах сварного сое­динения приводит к тому, что перестройка решетки 7-железа в ре­шетку a-железа и образование мартенситных структур в этих зонах совершаются при низких температурах, когда металл уже обладает высокой прочностью и упругостью;

2)превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличе­нием объема металла, значительным повышением его прочности и резким снижением пластичности;

3)образующиеся объемы мартенсита стремятся расшириться, но, встречая сопротивление слоев окружающего металла, сами оказываются сжатыми;

4)между различными зонами сварного соединения возникает сложное поле собственных напряжений и деформаций, которые при низкой пластичности металла этих зон вызывают в нем тре­щины.

В образовании холодных трещин при сварке закаливающихся сталей значительна роль водорода. Растворенный в металле атомар­ный водород легко диффундирует в области с меньшей его концент­рацией — в наружную поверхность шва, затем, покидая шов,— в околошовную зону и в различные несплошности, имеющиеся в металле (поры, микропустоты и др.). Если в околошовной зоне закалочных структур нет, водород перемещается далее, в глубь металла, не проявляя охрупчивающего действия. Если же закалоч­ная структура в околошовной зоне образовалась, водород задер­живается здесь, так как в мартенсите диффузионная подвиж­ность его невелика (в несколько раз меньше, чем в феррито-перлит­ной стали). Скапливаясь в микропустотах и переходя в молекуляр­ную форму, воюрод постепенно развивает в них высокое давление, создающее в окружающих объемах металла большие микронапря­жения Полагают также, что охрупчивающее действие водорода связано с адсорбцией его как поверхностно-активного вещества поверхностью металла в микропустотах и в вершинах развивающих­ся трещин. Существует также мнение, что диффузионно-подвижный водород оказывает охрупчивающее действие, проникая в участки металла, которые находятся под действием максимальных трехосных напряжений. Если при сварке закаливающихся сталей применять аустенитные электроды, то охрупчивающее действие водорода можно значительно снизить. В этом случае водород задерживается в аусте­нитном шве, так как растворимость водорода в аустените повышен­ная, а диффузионная подвижность невелика.

Представления о природе возникновения холодных трещин значительно расширились, когда стала очевидной связь между их образованием и склонностью закаленной стали к замедленному раз­
рушению, наблюдаемому под действием статической нагрузки при комнатных температурах. В этом случае образование холодных трещин в околошовной зоне рассматривается как процесс постепен­ного зарождения трещин на границах зерен и дальнейшего их раз­вития как по границам, так и по телу зерен.

В околошовной зоне на поверхностях раздела зерен сопряжен­ности кристаллической решетки нет, а существует высокая кон­центрация искажений и дефектов кристаллического строения. До­бавляемая к этому неупорядоченность строения границ и их локальные искажения, возникающие вследствие мартенситного пре­вращения и скопления водорода в дефектах граничных участков, приводят к тому, что границы зерен обладают пониженным сопро­тивлением сдвигу в сравнении с телом зерна, а зерна приобретают склонность к упруго-пластическому сколь­жению по границам при деформировании с малыми скоростями.

Механизм замедленного разрушения по­ясняет схема Зинера (рис. 189). Вследствие упруго-пластического скольжения зерен по границам, ориентированным в направлении нормальных напряжений о, под действием последних происходит релаксация каса­тельных напряжений х и накопление нор­мальных напряжений на поперечных гра­ницах. Мартенситное превращение (как И понижение температур) исключает раз - Рис - 189. Схема Зинера. витие упруго-пластических деформаций в

прилегающих к границам участках металла. Вследствие этого вершины зерен, в которых сходятся скользящие границы и приле­гающие к ним поперечные, являются наиболее вероятными местами зарождения холодных трещин. Высокие микронапряжения, возни­кающие из-за изменения удельного объема при фазовых превраще­ниях и возрастающие с понижением температуры этих превращений, а также наличие водорода, усиливают чувствительность металла к трещинам.

Таким образом, процесс образования холодных трещин опре­деляется двумя факторами:

1) величиной и характером напряжений и деформаций, возникаю­щих вследствие неравномерного нагрева, фазовых и структурных превращений в металле;

2) свойствами (главным образом пластичностью) металла в тем­пературном интервале образования холодных трещин.

Насыщение металла сварного соединения водородом способствует образованию трещин, так как отрицательно влияет как на первый, так и на второй фактор.