Тепловые основы сварки (стр. 2 из 2)

Рис. 1.3 Участки околошовной зоны:1- твердо-жидкого состояния; 2 - перегрева; 3 - перекристаллизации; 4- участок неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации; 6 — старения.

Участок металла околошовной зоны, примыкающий к металлу шва, обедняется этими элементами. Например, при соблюдении указанных условий наблюдается заметная диффузия углерода из основного металла в сварочную ванну. При этом максимальная концентрация углерода в жидкой ванне в месте контакта твердой и жидкой фаз достигает 0,145%, а участок основного металла обедняется до концентраций 0,019%. При сварке чугунным электродом малоуглеродистой стали диффузия происходит в обратном направлении. Узкий участок основного металла околошовной зоны обогащается углеродом и его ширина достигает 0,01 см. Прилегающие объемы сварочной ванны, наоборот, обедняются углеродом. Рассмотренные явления могут приводить к изменению состава и структуры металла в зоне сплавления.

При замедленном охлаждении или изотермической выдержке рассмотренное распределение углерода может претерпевать изменения в направлении выравнивания первоначального распределения в соответствии с растворимостью его в контактирующих основном и наплавленном металлах или образование карбидов в участках первоначального скопления углерода и дальнейшее усиление неоднородности вследствие реактивной диффузии.

Свойства зоны сплавления в ряде случаев оказывают резкое влияние на свойства сварного соединения. Ширина зоны сплавления зависит от характера источника нагрева, состава свариваемого и электродного металла и ряда других факторов.

Второй участок околошовной зоны называется участком перегрева или участком крупного зерна (см. рис. 1.3). В него входит металл, который нагревался от температуры 1200° С до температуры плавления основного металла. Ширина его изменяется от 1 до 3 мм. При нагреве металл претерпевает α→γ превращение. По мере перегрева выше температуры Ас3 аустенитное зерно растет и даже при незначительной продолжительности пребывания при высоких температурах успевает вырасти до значительных размеров.

При охлаждении происходит γ→α превращение. Превращение вследствие некоторого переохлаждения происходит при более низких температурах, чем при нагреве, и при более крупном исходном зерне аустенита после полного охлаждения образуется крупнозернистая структура.

Характер структуры, образующейся в участке перегрева, зависит от характера термического цикла сварки и состава металла. Так, в некоторых случаях в этом участке образуется видманштеттова структура, характеризующаяся резко выраженной направленностью ферритных выделений под углом около 120° друг к другу. Появление видманштеттовой структуры менее характерно для дуговой и более характерно для электрошлаковой сварки углеродистых и низколегированных сталей.

В легированных сталях участки металла, нагревающиеся при сварке выше температуры Ac3, в результате быстрого охлаждения могут приобретать структуры закалки. При этом для одних и тех же условий конечная структура этих участков может быть получена либо мартенситной, либо мартенсито-бейнитной. Однако структура зоны по ширине — от участка сплавления до участка, имевшего при сварке максимальную температуру, только несколько превышающую Ас3,— будет неодинаковой. В результате распада крупных аустенитных зерен в участках, прилегающих к границе сплавления и нагревавшихся при сварке выше 1200° С, образуется более крупнопластинчатый мартенсит, чем на участках металла, нагревавшихся только несколько выше Acs. Структура зоны сплавления является почти такой же, как и участка перегрева.

Обычно металл второго участка обладает меньшей пластичностью и стойкостью против перехода в хрупкое состояние, чем основной металл вдали от зоны термического влияния. Поэтому задача выбора оптимальной технологии сварки сводится к обеспечению наименьшего снижения свойств на этом участке.

Третий участок околошовной зоны — участок перекристаллизации или участок нормализации. Он включает металл, нагретый от температуры несколько выше α→γ превращения до температуры 1100—1150° С. Ширина участка нормализации 1,2—4,0 мм.

В малоуглеродистых и низколегированных сталях в участке нормализации образуется мелкозернистая структура, характеризующаяся в целом достаточно высоким комплексом механических свойств (прочностью, пластичностью, вязкостью).

В среднелегированных сталях в металле третьего участка образуется мелкопластинчатый мартенсит или смесь мартенсита и продуктов промежуточного превращения, т. е. те же структуры, что и в участке перегрева, но более дисперсные. Размер зерна в участке нормализации так же, как и в участке перегрева, зависит от термического цикла сварки и химического состава стали.

Четвертый участок околошовной зоны включает в себя металл, нагретый от температур Ас1 до AC3. Металл участка подвергается только частичной перекристаллизации и поэтому называется участком неполной перекристаллизации. Металл этого участка на малоуглеродистых и низколегированных сталях характеризуется почти неизменяющимся ферритным зерном и некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков. В участке неполной перекристаллизации среднелегированных сталей после охлаждения формируется структура частичной закалки.

Структура четвертого участка зоны термического влияния зависит от структуры исходного состояния перед сваркой. Если в исходном состоянии металл был закален или отпущен, то его нагрев между Ac1 и Ас3 и последующее охлаждение приводит к конечным структурам частичной закалки.

Феррито-перлитная структура малоуглеродистых и низколегированных сталей после нагрева и охлаждения по термическим циклам после перекристаллизации остается той же, хотя размер зерна перлита может изменяться. Например, при исходном крупном зерне перлита в результате воздействия на металл термического цикла более мелкое зерно перлита (по ширине участка) будет характерно для участка, который нагревался до более низких температур (несколько выше Ac1). Ферритное зерно в участке неполной перекристаллизации останется без изменений. Изменения структуры металла в этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения, чем изменения в первых трех участках.

Следующий участок — пятый — называется участком рекристаллизации. Этот участок включает металл, который нагревается от 500° С до температур несколько ниже Ас1. Участки зоны, нагревавшиеся ниже Ас1 по структуре и свойствам могут быть различными, в зависимости от исходного состояния металла перед сваркой. Если металл перед сваркой подвергался холодной пластической деформации, то при нагреве до температур ниже Ac1 происходит рекристаллизация, приводящая к значительному росту зерна.

Вследствие относительного непродолжительного нагрева нижний предел температур рекристаллизационной зоны обычно несколько выше нижнего предела рекристаллизации рассматриваемого металла. Если нижний предел рекристаллизации чистых металлов обычно определяется соотношением t ≈0,4 tпл, где tпл—температура плавления, то для чистого железа эта температура примерно равна 450° С. Однако в сварных соединениях рекристаллизационная структура обычно наблюдается в участках, которые нагревались до температур выше 500— 525° С.

Для рекристаллизованного участка металла околошовной зоны характерно некоторое разупрочнение и снижение твердости по сравнению с исходным состоянием.

Если исходный металл перед сваркой находился в закаленном состоянии, то при нагреве до температур ниже Act он претерпевает отпуск при различных температурах (в интервале 500° С — несколько ниже Ас1). Так, участок, прилегающий к участку частичной закалки, получит кратковременный высокий отпуск и в нем образуются сорбитообразные структуры. По мере удаления от него температура отпуска снижается и уменьшается общая продолжительность выдержки при повышенных температурах. Твердость металла повышается. На этом участке околошовной зоны при сварке углеродистых и ряда других сталей происходит снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла. Полагают, что это явление вызывается процессом старения, который протекает при охлаждении.

Шестой участок включает металл, который нагревался в интервале температур 100—300° С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке малоуглеродистых сталей с повышенным количеством газов в участке, который нагревался до температур 100—300° С, наблюдается снижение ударной вязкости.

В легированных закаленных перед сваркой сталях в этом участке происходит образование структуры мартенсита отпуска. Этот мартенсит структурно при металлографических исследованиях не отличается от исходного и при несколько меньшей или примерно той же твердости обладает лучшей пластичностью и вязкостью.

Термическое воздействие сварочного процесса иногда практически безразлично (например, в малоуглеродистой стали), но вызванные им изменения структуры часта ухудшают механические свойства околошовной зоны (например, в некоторых марках углеродистой и низколегированной стали) или снижают ценные в эксплоатации специальные свойства (например, сопротивление коррозии хромоникелевой аустенитной стали).

Термический цикл является основой для оценки влияния параметров режима сварки на изменения структуры в основном металле. Теория процессов распространения тепла позволяет установить влияние режима сварки, последовательности укладки слоев или швов, формы и размеров изделия и условий подогрева на термический цикл, от которого зависят структура и свойства основного металла в зоне термического влияния (а в некоторой степени и наплавленного металла).