В зависимости от температур, при которых образуются трещины, различают два типа трещин — горячие и холодные. К горячим относят трещины, воз­никающие при температурах, близких к линии солидуса, а к холодным — трещины, возникающие при более низ­ких температурах, как правило, менее 120 °С. Горячие трещины проходят по границам кристаллитов и поэтому вызывают межкристаллическое разрушение металла; хо­лодные трещины характеризуются внутрикристалличе - ским разрушением и пересекают как зерна, так и (иногда) границы зерен.

Наличие трещин в сварных соединениях недопустимо, поэтому рассмотрим основные причины их возникнове­ния и меры по предупреждению трещин.

Образование горячих трещин в сварных швах связано со скоростью процесса кристаллизации, видом кристалли-

158

ческой структуры (крупнозернистая, мелкозернистая), степенью развития внутрикристаллической ликвации ме­талла шва и скоростью нарастания напряжений в свар­ном соединении по мере снижения температур. Установ­лено, что в процессе нагрева источником теплоты в свар­ных соединениях возникают значительные пластические деформации сжатия, а при охлаждении появляются упру­гие напряжения растяжения, что приводит к попереч­ному и продольному укорочению металла в соединении. Если в процессе сварки создаются условия, при которых в металле шва во время его кристаллизации при высоких температурах возникнут деформации укорочения, пре­вышающие его деформационную способность, то в ме­талле шва возникнут горячие трещины. Естественно, чем более крупнозернистой будет структура металла шва, тем интенсивнее будут протекать явления зональной и междендритной ликвации и тем больше будет склонность металла шва к горячим трещинам. Химический состав металла шва оказывает решающее влияние на стойкость шва против образования горячих трещин.

Образование горячих трещин тем вероятнее, чем больше в металле элементов, способствующих образованию легко­плавких эвтектик и химических соединений, распола­гающихся при кристаллизации по границам зерен и за­твердевающих в последнюю очередь при относительно низких температурах. Сера, углерод и другие элементы, образующие прослойки легкоплавких эвтектик, увели­чивают склонность металла шва к образованию горячих трещин. Марганец повышает стойкость металла шва про­тив образования горячих трещин, так как марганец свя­зывает серу в тугоплавкое соединение. Это хорошо под­тверждается данными о влиянии марганца на склонность к трещинам, вызываемым серой и углеродом (рис. 63). Из графика следует, что при содержании углерода 0,16 % даже при малых концентрациях серы й достаточно высоком содержании марганца в шве возникают горячие трещины, что характеризует низкую технологическую прочность такого металла.

Способность металла и ЗТВ претерпевать без разру­шения упругопластические деформации при высоких тем­пературах процесса сварки называется технологической прочностью металла при сварке.

Технологическую прочность сталей уменьшают эле­менты — карбндсобразователи. По степени уменьшения

технологическом прочности они расположены в ряд: хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан. Это объяс­няется тем, что при кристаллизации тройного сплава, например железо — углерод — хром, железо — угле­род— молибден н др., твердую фазу образует аустенит, а жидкая фаза, обогащаясь углеродом, затвердевает в виде эвтектики типа ледебурита при относительно низких тем­пературах. Вероятно, эта карбидная эвтектика и создает

жидкие прослойки между кристаллитами, способствуя образованию горячих трещин. Образованию горячих тре­щин способствуют также элементы, обладающие ограни­ченной растворимостью в железе, и более легкоплавкие чем железо, например медь.

Из рассмотренного следует, что знание склонности того или иного металла шва к горячим трещинам является крайне важным. В настоящее время для этого разработаны различные методики.

Методика Института электросварки им. Е. О. Патона заключается в том, что на тавровом образце длиной 250— 350 мм, собранном на прихватках и закрепленном в при­способлении, производится сварка углового шва «в ло­дочку» при точном фиксировании режима и времени сварки. По истечении определенного промежутка вре­

меня с момента прекращения сварки по кромке стенки тавра, в конце шва, наносится удар падающим грузом (работа удара 100 Н/м). Этот опыт при тех же условиях повторяют несколько раз и устанавливают время, в тече­ние которого металл шва сохраняет способность образо­вывать трещины. Этот промежуток времени, выраженный в секундах, и является показателем склонности металла шва к образованию горячих трещин.

Методика МВТУ им. Баумана состоит в том, что спе­циальный образец (рис. 64, а) в процессе сварки растя-

гивается с постоянной скоростью. Круглые отверстия в средней части образца служат для создания при растя­жении образца двухосного напряженного состояния в ме­талле шва за счет искривления силового потока и изгиба боковых частей образца (рис. 64, б). Испытания проводят на нескольких образцах при различной скорости дефор­мации так, чтобы установить граничное значение скорости деформации, при которой в металле шва при данных усло­виях возникают трещины.

Скорость деформации (мм/мип), при которой в металле шва появляются трещины, и служит показателем техно­логической прочности.

Для уменьшения вероятности образования горячих трещин следует устранить или ослабить влияние факто­ров, вызывающих их, таких, как растягивающие напря­жения и жидкие межкристаллитные прослойки.

Уменьшение растягивающих напряжений может быть достигнуто обеспечением более свободного укорочения ме-

6 Думов С. И.

талла шва и отдалением момента возникновения растя­гивающих напряжений — применением предварительного и сопутствующего подогрева. В этом случае уменьшается вероятность образования горячих трещин даже при более выраженной дендритной ликвации, обусловленной за­медленным остыванием шва. Но все же возможности уст­ранения трещин за счет ослабления растягивающих напря­жений крайне ограничены. Поэтому чаще всего приме­няют технологические и металлургические меры по умень­шению склонности швов к образованию горячих трещин:

1) применение режимов сварки, обеспечивающих полу­чение более благоприятной формы шва;

2) уменьшение доли участия основного металла в ме­талле шва;

3) использование основного и сварочного материалов с минимальным содержанием серы, фосфора, углерода и с достаточным содержанием марганца;

4) введение в шов модификаторов (титан, алюминий и др.), измельчающих первичную структуру металла шва;

5) различные мероприятия, способные приводить к из­мельчению структуры первичной кристаллизации.

Холодные трещины в сварных соединениях на сталях обычно образуются в том случае, если при охлаждении аустенит околошовной зоны и металла шва переохла­ждается, и превращение у-железа в a-железо протекает достаточно быстро, завершаясь при температуре ниже 200 °С. Металл, претерпевший такой термический цикл, будет иметь тетрагональную мартенситную структуру, очень твердую и хрупкую, объем которой будет больше исходной а-структуры.

Холодные трещины являются типичными дефектами сварных соединений из средне - и высоколегированных ста­лей перлитного и мартенситного классов. В связи с тем, что при сварке таких сталей металл шва обычно подби­рают с меньшим содержанием элементов, способствующих переохлаждению аустенита, то холодные трещины наибо­лее часто поражают околошовную зону, реже металл шва.

Образованию холодных трещин в закаливающихся сталях способствует не только переохлажденный аусте­нит, но и водород, поступающий в околошовную зону из металла шва. Характер действия водорода на образова­ние холодных трещин рассмотрен ранее.

Холодные трещины, как правило, зарождаются по ис­течении некоторого времени после окончания сварки, а за­тем на протяжении нескольких часов и даже суток рас­пространяются как вдоль, так и поперек околошовной зоны, а иногда и шва. Такой характер разрушения — ре­зультат совместного действия в сварном соединении тепло­вых, сварочных и структурных напряжений, крупнозер­нистого игольчатого строения мартенсита и заметного сни­жения пластических свойств металла в связи с растворе­нием в нем водорода.

Предупредить образование холодных трещин в сварных соединениях можно применением предварительного и со­путствующего подогрева при сварке; использованием сварочных материалов с минимальным содержанием водо­родопроизводящих компонентов; выбором оптимального режима сварки и правильной последовательности нало­жения швов; проведением термической обработки соеди­нения сразу же после сварки и рядом других мер (см. гл. IX).