Легированными называют такие стали, в состав которых входят легирующие элементы, отсутствующие в углеродистой стали, или те же кремний и марганец, но в повышенном по сравнению с углеродистой сталью количестве.

Легирующие элементы в такой стали взаимодействуют с желе­зом и углеродом и тем самым изменяют механические и физико-хи­мические свойства металла. Как правило, легированные стали ха­рактеризуются высокими механическими свойствами, рядом спе­циальных свойств (жаростойкость, коррозионная стойкость и др.) и повышенной стойкостью против хрупкого разрушения. Отмечен­ные особенности этих сталей широко используют при изготовлении из них соответствующих конструкций.

Легированные стали часто разделяют на три группы: низко-, средне - и высоколегированные. В зависимости же от микрострук­туры, получаемой при охлаждении на спокойном воздухе стандарт­ных образцов, нагретых выше Асз, эти стали разбивают на четыре структурных класса: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) феррит­ный; '!) аустенитный. Низколегированные стали относятся к пер­литному классу, среднелегированные — к перлитному или мартен­ситному, высоколегированные стали — к мартенситному и после­дующим двум классам. Для свариваемости каждой из названных групп сталей характерны свои особенности.

Свариваемость низколегированных сталей. К низколегированным относят такие стали, которые легированы одним или несколькими элементами при содержании каждого из них <2% и суммарном содержании легирующих элементов <5%. Эги стали делят на три группы: низкоуглеродистые конструкционные; жаропрочные; сред - неуглеродисгые конструкционные.

Низкоуглеродистые низколегированные конструкционные стали можно в свою очередь разделить на стали повышенной прочности и высокопрочные.

В сталях повышенной прочности (НЛ1, НЛ2, 10Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 12ХГН, 09Г2ДТ и др.) содержание угле­рода не превышает 0,23%. Эти стали используют в машинострое­нии и строительстве. Поставляют их преимущественно в горячека­таном виде.

Легирующие элементы — Мп, Si, Ni, Сг, Си, Ті — растворяются в феррите, упрочняют его и измельчают перлит. Благодаря этому прочностные характеристики таких сталей повышаются и предел прочности доходит до 55 ыГ1ммг.

По своей свариваемости стали этой группы мало отличаются от делегированных низкоуглеродистых. Однако они более склонны к росту зерна в околошовной зоне, а при высоких скоростях ох­лаждения в ней могут появиться неравновесные структуры зака­лочного характера.

Низкоуглеродистые высокопрочные стали (14Х2ГМР, 14ХМНДФР, 16Г2АФ, 12ХГ2СМФ и др.) относят к термически упрочняемым сталям, для которых наряду с высокой прочностью (о„ > 80 кГІмм2) характерны достаточная пластичность, вязкость, повышенное сопротивление хрупким разрушениям, коррозионная стойкость и др. Применение таких сталей в машиностроении и стро­ительстве позволяет значительно снизить вес конструкций и повы­сить их несущую способность. Упрочнения этих сталей достигают сочетанием минимального легирования с термической обработкой— обычно закалкой и отпуском. Таким образом создается весьма из­мельченная структура с мелкодисперсными упрочняющими части­цами карбидов или нитридов.

Однако свариваемость высокопрочных сталей хуже сваривае­мости низкоуглеродистых низколегированных, так как:

1) в околошовной зоне сварных соединений возможно образо­вание холодных трещин;

2) в зоне термического влияния вероятно появление участка разупрочнения, снижающего прочность сварного соединения.

Вследствие наличия легирующих элементов, повышающих устой­чивость аустенита, эти стали чувствительны к скорости охлажде­ния. Но опасность возникновения холодных трещин в околошов­ной зоне здесь меньшая, чем в углеродистых конструкционных ста­лях, так как мартенситное (или бейнитное) превращение из-за низ­кого содержания углерода протекает при относительно высоких температурах (> 350 СС) и сопровождается сравнительно низкими напряжениями второго ода (микронапряжениями). К тому же мало­углеродистый игольчатый мартенсит, или бейнит-структура, более пластичен. Все же. поскольку эти структуры обладают пониженной проницаемостью для водорода, диффундирующий из шва водород скапливается на границах зерен, имеющих неупорядоченное строе­ние с большей концентрацией дефектов и искажений, и создает до­полнительные микронапряжения, способствующие появлению хо­лодных трещин. Уменьшение скорости охлаждения в околошов­ной зоне, как и средства по снижению количества растворенного в металле сварочной ванны водорода, позволяют получить стойкий в отношении холодных трещин металл.

Разупрочнение в зоне термического влияния, сопровождаемое провалом твердости (рис. 190), может достигать 30% и более. Fro появление связано с действием сварочного нагрева и касается тех участков зоны, максимальная температура нагрева которых лежит в пределах 500 °С — Ася (участки рекристаллизации и неполной перекристаллизации). Чаще всего разупрочнение связано с двумя процессами: 1) распадом пересыщенного твердого раствора и
обеднением его упрочняющими легирующими элементами; 2) обра­зованием карбидных фаз и коагуляцией их. Степень разупрочнения зависит от химического состава стали и ее термической обработки и увеличивается с повышением погонной энергии сварки: на рис. 190 кривая 1 представлена для стали 14ХМНДФР (q„ — 8000 кал/см); кривая 2 — для 15ХСНД (<?;, == 7500 кал/см), а кривая 3 — для стали 15ХНД((7г|= 12 000 кал/см).

Значительно уменьшить и даже устранить разупрочнение можно, увеличив скорость охлаждения при сварке. Однако в этом случае следует учитывать возможность появления закалочных струк­тур в околошовной зоне. Поэто­му регулировать термический цикл при сварке термоупроч­няемых сталей следует весьма продуманно.

Жаропрочные низ­колегированные стали (15М, 15ХМА, 20ХМА, 20ХМФЛ и др.) обладают повышенной тех­нической прочностью при высо­ких температурах и длительных постоянных нагрузках. Их жаро­прочность оценивается величи­ной предела ползучести[19] и пре­дела длительной прочности[20]. Применяют эти стали для изго­товления конструкций, работа­ющих в условиях высоких тем­ператур (350— 450 °С) и значи­тельных напряжений, а также в средах, способствующих хими­ческому и механическому разрушению металла (паровые котлы, нефтеаппаратура и пр.)

Обычно в такие стали для повышения их жаропрочности вводят специальные легирующие элементы (Mo, V, W). которые повышают температуру разупрочнения металла при нагреве и стойкость ме­талла к разупрочнению. Для одновременного повышения жаростой­кости стали в ее состав вводят Сг, создающий защитную пленку оксидов на поверхности металла (жаростойкость — устойчивость против окисления при высоких температурах). Применяют жаро­прочные стали, как правило, после термообработки (нормализа­ция с отпуском, закалка с отпуском и др.).

/

Стали этой группы обладают удовлетворительной свариваемо­стью. Однако при этом нужно обязательно получать металл шва, близкий по составу к основному, чтобы предупреждать развитие диффузионных процессов в условиях высоких температур Тем самым достигается и необходимая равнопрочность металла шва с основным металлом.

Жаропрочные низколегированные стали характеризуются повы­шенной чувствительностью к закалке. Поэтому в околошовной зоне могут образовываться метастабильные хрупкие структуры мартен­сита и холодные трещины. Чтобы создать в свариваемом металле условия, при которых околошовная зона охлаждалась бы со ско­ростью, не превышающей допустимую, применяют предваритель­ный подогрев изделия. Температуру подогрева и режим сварки опре­деляют соответствующим расчетом. Обычно температура подогрева хромо-молибденовых жаропрочных сталей лежит в пределах 200 — 300 °С. После сварки все изделия из жаропрочных низколегиро­ванных сталей подвергают термической обработке (чаще — нор­мализации с отпуском, иногда — высокому отпуску для выравнива­ния структуры и снятия сварочных напряжений).

Среднеуглеродистые низколегированные конструкционные стали (25ХГСА, ЗОХГСА, 35ХМ и др.), наиболее широко применяемые в машиностроении, используют преимуще­ственно в термически обработанном виде. Такие стали обладают вы­сокими механическими свойствами, в особенности прочностными характеристиками (о„ = 80 - f - 110 кГ/мм2).

Свариваемость среднеуглеродистых низколегированных сталей значительно хуже, чем сталей ранее рассмотренных групп, что свя­зано с повышенной склонностью металла шва и околошовной зоны к образованию трещин. Свариваемость этих сталей имеет много об­щих черт со свариваемостью среднелегированных сталей перлит­ного класса.

Свариваемость средиелегированных сталей. Эти стали легиро­ваны одним или несколькими элементами, причем содержание каж­дого из них составляет 2—5%, а суммарное содержание — 5—10%.

Для изготовления сварных конструкций применяют среднелеги­рованные конструкционные стали (ЗОХГСНА, 45Х и др.), содержа­ние углерода в которых не превышает 0,5% по верхнему пределу, а также жаропрочные стали (12Х5МА, 25ХЗНМ и др ), в состав ко­торых входит до 0,25% С и обязательно до 5% Сг. Среднелегирован­ные стали принадлежат преимущественно к перлитному классу, однако та их часть, в которой содержание легирующих элементов выше 5—6%, может быть отнесена к мартенситному.

Как правило, для среднелегированных сталей применяют комп­лексное легирование, облегчающее возможность достижения высо­ких механических свойств. В этом случае легирующие элементы упрочняют феррит и повышают прокаливаемость стали, что позво­ляет в результате соответствующей термической обработки полу­чить нужные свойства. Такие стали часто подвергают улучшению —

закалке с последующим высоким отпуском пли закалке в сочетании с низким отпуском. Тогда предел прочности стали значительно по­вышается (например, до 200 кГ/мм2 для стали 28ХЗСНМВФА). Од­новременно остаются достаточно высокими пластические свойства и наблюдается повышенная стойкость металла против перехода в хрупкое состояние.

Высокие механические свойства среднелегированных сталей дают возможность использовать их для изготовления конструкций, работающих при ударных или знакопеременных нагрузках, при низких или повышенных температурах и давлениях, в агрессивных средах и т. п.

К сварным соединениям из среднелегированных сталей предъяв­ляют требования необходимой прочности в услсвиях эксплуатации и специальные требования (например, коррозионной стойкости). Выполнить их довольно трудно, поскольку с повышением легиро­вания понижается свариваемость.

Следует отметить три основные причины, ухудшающие свари­ваемость средиелегированных сталей:

1) возможность возникновения холодных трещин в околошов - ной зоне (реже — в металле шва) из-за повышенного содержания углерода, легирующих элементов и под воздействием водорода;

2) пониженная стойкость металла шва к образованию кристал­лизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и легирующих элементов н воздействием серы;

3) трудность получения металла шва, околопювной зоны и свар­ного соединения в целом с механическими свойствами, одинако­выми с основным металлом или близкими к его свойствам.

Холодные продольные трещины — наиболее распространенный дефект околошовной зоны при сварке средиелегированных сталей перлитного и мартенситного класса. Причины появления этих тре­щин здесь те же, что и у низколегированных термоуирочненных сталей, однако чувствительность значительно большая и, к тому же, резко возрастающая с повышением прочности сварных сое­динений.

Повышенное содержание в этих сталях углерода и легирующих элементов увеличивает устойчивость аустенита и смещает мартен­ситное превращение в область пониженных температур. Образую­щийся крупноигольчатый мартенсит (рис. 191) обладает высокой твердостью и низкими пластичностью и вязкостью, его появление сопровождается высокими напряжениями второго рода. В этих ус­ловиях диффундирующий из шва в закаленную околошовную зону водород, задерживаясь здесь, может наиболее сильно проявить охрупчивающее действие.

Интересно, что если наплавленный металл имеет устойчивую аустенитную структуру, трещины в околошовной зоне не возникают несмотря на то, что в зоне сплавления резко возрастает концентра­ция водорода. Объясняется это тем, что аустенит, хорошо растворяя водород, но обладая плохой для него проницаемостью, служит свое-

образным запорным слоем для перемещения водорода и его десорб­ции в окружающее пространство. Вероятно, высокая деформацион­ная способность аустенитного шва ослабляет напряженное состоя­ние металла и тем самым снижает отрицательное действие водорода.

Опасность возникновения холодных трещин при сварке сред­нелегированных сталей можно существенно снизить замедлением скорости охлаждения в мартенситном интервале температур и созда­нием условий для развития самоотпуска мартенсита, в результате чего получится более пластичный металл. В эгам случае нет условий и для задержки водорода в околошовной зоне. И, однако, нужно

Рис. 191. Мартенсит и холодные трещины в околошовной зоне рри сварке среднелегированной стали ([С] = 0,35%).

принимать меры по предупреждению попадания водорода в зону сварки — использовать низководородные сварочные материалы, зачищать свариваемые кромки от ржавчины, масел и др., с тем чтобы содержание водорода в шве было не более 2 см3 на 100 а ме­талла. Этого достигают высокотемпературным режимом прокалки сварочных материалов (550—750 °С).

Серьезной проблемой свариваемости среднелегированных сталей является пониженная сопротивляемость швов образованию горячих трещин. Это связано с необходимостью сохранения в шве повышен­ных концентраций углерода и других легирующих элементов для получения требуемых свойств металла шва. Известно, например, что С, Si и Р способствуют образованию межкристаллитных легко­плавких сернистых прослоек, снижают сопротивляемость горячим трещинам Мп (> 4,5%) и Ni (> 2,5%). В то же время, добав­ки Сг, Mo, W, V и Ті влияют весьма благотворно. Поэтому при сварке среднелегированных сталей следует тщательно выбирать

композицию шва, осуществляя вместе с тем его рафинирование и модификацию Одновременно используют и технологические меры, применяя режимы, обеспечивающие высокий коэффициент формы провара, а также снижая темп нарастания деформаций (например, предварительным подогревом).

Получение равнопрочных сварных соединений из высокопрочных среднелегированных сталей — не менее важная проблема их свари­ваемости. Трудность ее решения обусловлена высокими механи­ческими свойствами этих сталей, получаемых с применением новей­шей металлургической технологии (например, электрошлакового переплава), обжатия слитков на прессах перед прокаткой и слож­ной термической обработки (отжиг, нормализация, закалка с от­пуском), улучшающих структуру, физическую и химическую одно­родность металла. Сварные соединения аналогичным операциям не подвергают, поэтому литая столбчатая структура шва вместе с крупным зерном в околошовной зоне и участком разупрочнения оказываются неравноценными по свойствам основному металлу. Пути получения равнопрочных сварных соединений различны в за­висимости от того, применяется ли после сварки термообработка.

Сварные соединения, не подвергающиеся термической обработке после сварки. Воз­можны два варианта получения таких сварных соединений :

1. Получение металла шва с пределом прочности о„ — 70 - f - -*-75 кГ/мм2 при сохранении пластичности и вязкости, близких к этим свойствам основного металла. Этому отвечает образование в шве перлитных структур тонкого строения с минимальным выде­лением избыточного феррита.

2. Получение металла шва с аустенитной структурой и с преде­лом прочности до 55 кГ/мм2.

Соответственно регулируя термический цикл сварки, в обоих случаях можно получить и околошовную зону с нужными свойст­вами. Высокие механические свойства металлов шва и околошовной зоны для первого варианта достигаются путем измельчения первич­ной и вторичной структур металла. Измельчение первичной струк­туры возможно за счет следующих процессов:

1) модифицирования металла элементами-модификаторами (Ті, А1 и др.);

2) увеличения скорости кристаллизации металла ванны путем создания меньшего объема ванны или применения многослойной сварки.

Однако следует иметь в виду, что при сварке сталей с о„ > > 75 кГ/мм2 пока еще не удается получить сварное соединение, равнопрочное с основным металлом. В этом случае пластичность и ударная вязкость металла шва будет ниже, чем у основного ме­талла. Трудно избежать и разупрочнения в зоне термического влияния.

При изготовлении особо ответственных конструкций, для ко­торых последующая термическая обработка недопустима, выпол­

няют сварные соединения по второму варианту, т. е. обеспечивают получение металла шва с аустенитной структурой, а для равнопроч- ности с основным металлом увеличивают сечение шва. В лом слу­чае металл шва, отличаясь по химическому составу от основного металла, обладает очень высокой пластичностью и вязкостью (не­смотря на наличие грубой литой структуры) и сохраняет высокую деформационную способность как при низкой температуре, так и при ударном приложении нагрузки. Наряду с большой деформацион­ной способностью таких швов, наблюдается повышенная стойкость околошовной зоны к образованию холодных трещин, в особенности типа отколов.

Сварные соединения, подвергающиеся тер­мической обработке после сварки. Если металл шва близок по химическому составу к основному, то все соединения целесообразно подвергнуть полной термической обработке — за­калке с высоким отпуском. Этим достигается равноценность свар­ного соединения основному металлу по всему комплексу физико­химических свойств. Однако получить наплавленный металл того же химическою состава, что и основной, очень трудно из-за низкой стойкости швов к образованию кристаллизационных трещин. По­этому часто идут по пути некоторого снижения содержания в шве С и Si и замены их другими легирующими элементами, повышающими стойкость шва к образованию трещин.

Следует отметить, что химический состав наплавленного металла оказывает влияние на ход превращений аустенита не только в шве, но и в околошовной зоне, так как изменяется распределение на­пряжений на границе «шов — основной металл» (табл. 44).

Когда наплавленный металл по своему химическому составу не­сколько отличен от основного, используют режим термической об­работки, установленный для свариваемой стали, но с корректиров­кой параметров применительно к сварным соединениям. Если, на­пример, наплавленный металл содержит меньше углерода н леги­рующих элементов, чем основной, назначают нагрев под закалку до более высоких температур, благоприятно влияющих на измене­ние структуры околошовной зоны.

Иногда термическая обработка ограничивается лишь высоким отпуском — для получения более равновесных структур и полного снятия сварочных напряжений. Перекристаллизацию в наплавлен­ном металле и в околошовной зоне высокий отпуск не обеспечивает. Поэтому сего помощью нельзя устранить грубую столбчатую струк­туру или крупнозернистость околошовной зоны. Достигнутое в ре­зультате высокого отпуска разупрочнение металла, сопровождаю­щееся повышением его пластичности и ударной вязкости (табл. 45), позволяет применить несколько повышенное легирование наплавлен­ного металла, благоприятно сказывающееся на его механических свойствах.

Во всех случаях термическую обработку сварных соединений, выполненных из среднелегированных сталей, следует производить

Влияние состава наплавленного металла на образование трещин Марка элект­родной и при- Состав наплавленного металла, % ---------------------- Т ■ Условия образования садочной проволок с Si Мл Сг Ni Мо трещин Св-08ГА 0.10 0,36 0,89 0,57 0,72 0,15 Трещины зарож- Св-ЮГСМТ 0,11 1,14 1,62 0,65 0,77 0,15 даются через 25 мин после сварки, постепен­но развиваются. Через 24—72 ч образуется сквоз­ная магистральная трещина То же СВ-10Х5М 0,13 0,70 0,82 4,50 0,75 0,18 Трещины зарож- СВ-10Х5М и делегирование никелем и хро­мом 0,18 0,60 0,76 3,10 2,60 0,20 даются примерно через 60 мин, раз­виваются медлен­но. Через 48 ч после сварки дли­на их достигает 20—100 мм. Глу­бина 1,5—4 мм. Дальше они не развиваются Трещин нет Й-ОДХ20Н9Г7Т 0,13 1,40 5,60 15,5 7,90 То же t Таблица 45

Механические свойства металла шва и околошовной зоны в различных условиях (сталь 25ХНЗМ, электрошлаковая сварка) ан при 20 °С, к Г • м/см*, для Вид термообработки от, кГ/мм* °В* кГ/мм2 «. % 4, % металла шва участка крупного зерна в ОКОЛОШОВ­НОЙ зоне Без термообработки 94,0 113,0 14,0 "'■I ■ 40,0 4,0 6.0 Высокий отпуск 60,0 71,0 20,0 66,0 14,0 7,0 Закалка и высокий отпуск 64,0 74,0 24,0 68,0 15,0 15,0

Примечание. По техническим условиям для стали 25ХНЗМ предел ов = 55 кГ/мм2 ан = 5 кГ ■ м/см2 при 20 °С (после закалки и отпуска).

своевременно, т. е. в период от окончания сварки до возможного появления холодных трещин. В зависимости от состава стали, типа соединения и других факторов этот период может длиться от десят­ков часов до нескольких минут.