Главная
Повышение содержания никеля в аустенитной стали

Повышение содержания никеля в аустенитной стали

Следовательно, при сочетании в сварном соединении металлов разнородных структурных классов за...

Формирование макроструктуры в литой зоне сварных швов

Формирование макроструктуры в литой зоне сварных швов

Сварные соединения, полученные сваркой плавлением, имеют три ярко выраженных зоны: литую зону в...

Деформационная способность металла сварного шва в процессе кристаллизации и последующего охлаждения

В процессе сварки кристаллизующийся металл шва находится под воздействием растягивающих напряжений, возникающих и развивающихся в сварном соединении вследствие несвободной усадки шва и охлаждаемых участков неравномерно нагретого основного металла. Под действием этих напряжений металл шва деформируется, а при недостаточной деформационной способности — разрушается. Хрупкое межкристаллическое разрушение (образование горячих трещин) происходит в том случае, если напряжения при охлаждении oi нарастают интенсивнее, чем межкристаллическая прочность омк металла шва. При менее интенсивном росте напряжений сварные швы не разрушаются.
При кристаллизации сплавы проходят стадию твердожидкого состояния. Этому состоянию соответствует нижняя часть температурного интервала кристаллизации, ограниченная сверху температурой, при которой возникает жесткий скелет из твердой фазы (кристаллический каркас), а снизу—солидусом. Интервал между температурой начала линейной усадки и солидусом принято называть эффективным интервалом кристаллизации.
Вследствие особого характера изменения механических свойств металла, находящегося в твердожидком состоянии, хрупкое межкристаллическое разрушение (образование кристаллизационных горячих трещин) наиболее вероятно именно в этом интервале температур. В зависимости от соотношения между объемами твердой и жидкой фаз пластичность металла резко изменяется. При объеме жидкой фазы, достаточном для свободного ее перемещения в промежутках между растущими кристаллитами, пластичность двухфазного металла высока, так как полностью определяется свойствами жидкости. С увеличением объема твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования жесткого каркаса кристаллитов (или заклинивания их в процессе деформации) полностью прекращается. Деформация металла в этом состоянии приводит к хрупкому разрушению по межкристаллическим прослойкам, в которых еще не закончен процесс кристаллизации. Пластичность металла падает до весьма малых значений (десятые доли процента) и сопротивление разрушению становится относительно ничтожным; оно определяется вязкостью межкристаллических прослоек и величиной их поверхностной энергии. Очевидно, чем шире эффективный интервал кристаллизации, тем больше величина линейной усадки к концу процесса затвердевания, тем больше склонность металла к горячим трещинам.

В процессе дальнейшего охлаждения вязкость и поверхностное натяжение прослоек повышаются, а их прочность возрастает до таких значений, которые оказываются выше критической величины скалывающих напряжений (сдвига) металла кристаллитов. При этом деформирование металла происходит за счет внутрикристаллических сдвигов, вследствие чего пластичность резко возрастает, а характер разрушения вместо межкристаллического становится внутрикристаллическим. Температуру, соответствующую этому переходному состоянию, принято называть эквикохезивной Така.
В гетерофазных сплавах, которые кристаллизуются так, что между зернами (кристаллитами) матрицы располагаются легкоплавкие фазы в виде межкристаллических прослоек, Тэкв обычно находится вблизи температуры неравновесного солидуса Тс сплава. Однако, если прослойки легкоплавких фаз настолько тонкие, что теплоту их кристаллизации не удается зафиксировать дифференциальным термическим анализом, то температура неравновесного солидуса оказывается завышенной и создается впечатление, что Тякв ниже Тс.
В однофазных сплавах условие Тэкв ~ Тс соблюдается в том случае, если их эффективный интервал кристаллизации А7″э относительно широк и объемная усадка при температуре солидус достигает большой величины. При кристаллизации этих сплавов получает развитие процесс ликвации, т. е. жидкие межкристаллические прослойки (или, точнее, последние порции жидкой фазы в межосных пространствах дендритов и по границам кристаллитов) обогащаются легкоплавкими примесями или легирующими элементами. Однако после их затвердевания сплав остается однофазным, т. е. без включений второй фазы по границам, но вследствие развитой виутрикристаллической ликвации границы кристаллитов оказываются сильно изогнутыми и фрагментированными (зубчатыми).
При кристаллизации чистых металлов или однофазных сплавов с узким интервалом кристаллизации, в основном — с ячеистой структурой и слабо развитой виутрикристаллической неоднородностью, Тикв, как правило, располагается заметно ниже солидуса 7Y, т. е. горячие трещины образуются по границам кристаллитов, когда сплав уже находится полностью в загвер ревшем состоянии. Этому способствуют относительно гладкие границы кристаллитов в шве. Такие границы формируются вследствие незначительной ликвации при кристаллизации чистых металлов и твердых растворов малой концентрации, а также вследствие подсолидусной миграции. По гладким границам кристаллитов при высоких температурах интенсивно развивается процесс межзеренного проскальзывания, приводящий к межкристаллическому разрушению в направлении, перпендикулярном к действующим напряжениям от усадки или внешних воздействий.
На основе анализа изменения прочности и пластичности металла при кристаллизации и последующем охлаждении, а также экспериментального определения их для ряда двойных сплавов систем А1 — Си и А1 — Si было введено понятие о температурном интервале хрупкости ТИХ (АТхр). Наименьшая пластичность металла 6m)n в этом интервале температур обычно имеет место на завершающей стадии процесса кристаллизации.
С точки зрения влияния свойств сплава на его межкристаллическую прочность представляет интерес сравнение бтш с величиной усадки е в конце процесса кристаллизации. Величина с может быть непосредственно измерена или рассчитана, если для данного сплава известны Тхр и коэффициент ат термического расширения (сокращения) при температурах вблизи солидуса:
Разность между минимальной пластичностью 6mm и линейной усадкой е сплава в температурном интервале хрупкости характеризует запас пластичности А = бтш — е или запас его деформационной способности. Однако при сварке деформация Д металла шва в процессе кристаллизации определяется не только его усадкой е, но и усадкой прилегающих к нему участков основного металла. В зависимости от формы, размеров и жесткости сварного соединения, а также режимов и технологии сварки, величина деформации Л металла шва к концу процесса кристаллизации может оказаться либо меньше либо равной либо больше величины 6ruin. В последних двух случаях образование горячих трещин будет неизбежным.
Отсюда следует, что запас деформационной способности сплава тем выше, чем меньше температурный интервал хрупкости и чем больше величина минимальной пластичности в этом интервале. Например, для сплавов эвтектического типа изменение показателя запаса пластичности А в зависимости от концентрации имеет вид кривой с минимумом. Минимум .4 примерно соответствует сплавам такого состава, при котором эффективный температурный интервал кристаллизации (и хрупкости) имеет максимальную протяженность, а следовательно, и наибольшую величину имеет линейная усадка е. Как правило, концентрация легирующего элемента в этих сплавах близка к пределу его растворимости в твердом растворе. Такой характер изменения связан также со степенью развития виутрикристаллической ликвации.
С увеличением концентрации растворенного элемента до предельной жидкие прослойки, обогащенные легкоплавкой эвтектической составляющей, кристаллизуются при более низких температурах, т. е. в условиях, когда напряжения и деформации успевают достигнуть большой величины. В сложных сплавах (например, в сплавах на железной и никелевой основах, содержащих такие примеси, как олово, свинец, фосфор, сера, бор, висмут, цинк, сурьма и др.) это может резко понизить запас деформационной способности металла шва. При дальнейшем увеличении концентрации легирующего элемента количество эвтектической составляющей в прослойках все более возрастает, а деформации, накапливаемые к завершающему периоду кристаллизации, снижаются вследствие понижения температуры начала эффективного интервала кристаллизации при практически постоянной температуре солидуса. При достаточно обильном образовании эвтектики возможность свободной циркуляции жидкой фазы между кристаллитами возрастает.
Оценку сопротивления сложных сплавов межкристаллическому разрушению по диаграммам состояния для бинарных и тройных систем можно производить только приближенно, так как они не учитывают влияния разнообразных примесей, всегда присутствующих в технических сплавах, на температуру солидуса и свойства межкристаллических прослоек. Кроме того, по условиям построения диаграммы состояния не отражают неравновесности кристаллизации металла в реальных условиях. Исходя из сложной зависимости степени виутрикристаллической ликвации от скорости охлаждения, можно показать влияние последней на положение точки предельной растворимости легирующего элемента на бинарной диаграмме состояния. С увеличением скорости охлаждения от 0 до Wi точка предельной растворимости смещается от равновесной в сторону меньших концентраций до техлнзации. При скорости w2, которой соответствует наибольшая степень ликвации, предельная растворимость наимепьшая. С дальнейшим увеличением скорости охлаждения <?’. и развитием процесса бездиффузионной кристаллизации она вновь смещается влево, к равновесному положению. Увеличение скорости охлаждения приводит к снижению температуры неравновесного солидуса также вследствие кинетического эффекта. Сложное влияние скорости охлаждения на внутрикристалли ческую ликвацию проявляется как при кристаллизации слитков и отливок, так и сварных швов В слитках и отливках стали и цветных сплавов в зоне столбчатых кристаллитов, охлаждаемой наиболее быстро, внутрикристаллическая ликвация проявляется значительно слабее, чем в зоне равноосных кристаллитов, которая охлаждается более медленно.
При сварке вследствие более интенсивного охлаждения внутрикристаллическая ликвация в подавляющем большинстве случаев менее развита, чем при кристаллизации слитков и отливок (даже в металлической изложнице).

Исследования с применением радиоактивных изотопов подтверждают это положение на примере виутрикристаллической ликвации таких ограниченно растворимых примесей, как сера и фосфор. Сегрегация этих примесей происходит не только по границам кристаллитов, но и во внутренних зонах — в междуосных пространствах дендритов. Участки сегрегаций имеют ширину 3—15 мкм и занимают 20—30% объема каждого столбчатого кристалла. Нижняя граница температурного интерваал хрупкости сплава алюминия с 1,5% Мп соответствует температуре 640е С, тогда как дифференциальный термический анализ показывает, что температура неравновесного солидуса равна 657°С . При добавлении в этот сплав 0,2% Fe ниж няя граница ТИХ повышается до 653° С (кривая 2 на рис. 35) и соответствует температуре солидуса (точка b на рис. 35). На диаграмме состояния А1 Mn Fe этой температуре соответствует температура плавления тройной эвтектики. Это подтверждено и микроскопическим анализом. По границам зерен в литом металле располагаются мелкие включения А16Мп и ГеА13. В сплаве же без железа были обнаружены длинные межкристалличес кп»прослойки А16Мп.
Существенный интерес представляют данные о влиянии углерода на деформационную способность углеродистой стали с 0,5— 0,6% Мп, 0,2—0,3% Si, 0.03 0,037% Р и 0,25—0,32% S. В четырех плавках этой стали содержалось соответственно 0,09% С (а); 0,15% С (б); 0,31% С (в) и 1,24% С (г). Испытания проводили путем растяжения с постоянной скоростью образцов из этих плавок в процессе их проплавления дугой. Растяжение начинали в различные мименты времени процесса кристаллизации. Измеряя температуру внизу и вверху сечения шва, а также фиксируя моменты начала деформации и разрушения, устанавливали границы ТИХ. Разрушение всегда начиналось снизу шва в соответствии с последовательностью затвердевания. С увеличением содержания углерода происходит повышение пластичности 6mm и сужение ТИХ, особенно при 1.24% С.

 

 

Книги