ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ХОЛОДНЫХ ТРЕЩИН
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.
Таблица 42 Удельный объем структурных составляющих стали
|
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
Рис. 185. Диаграмма изотермического превращения аустенита в углеродистой стали. |
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
Таблица 43 Расчетные значения допустимой скорости охлаждения wa догь °С;сек при 500 °С для сталей
Примечание. Звездочками отмечены случаи, в которых после сварки необходима термообработка узла. |
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.
Комментарии закрыты.