1 .2.2. Воздействие на характер деформации.

1.2.2.1. Регулирование деформации за счет изменения температурного поля:

С точки зрения уменьшения деформаций более рационально использовать предварительный подогрев, который уменьшает неоднородность температурного поля и как следствие – уменьшает величину деформации. Однако при использовании данного приема необходимо иметь в виду, что изменение температурного поля сказывается на характере кристаллизации (увеличиваются ликвации) и на свойствах околошовной зоны.

Политерма максимальных температур делит температурное поле на две области:

Рассмотрим деформацию выделенного волокна MN в процессе сварки.

Волокно MN состоит из участков:

MN=MP+PA+AQ+QN

MP и QN – нагреваются, PA и AQ – охлаждаются

из этого следует:

Очевидно, что трещина в точке А не возникнет, если:

MN=0 или MN – приводит к сжатию металла в области точки А.

3. Необходимо выбрать точки закрепления M и N, так чтобы эти соотношения обеспечивались.

Способы оценки сопротивляемости металла образованию кристаллизационных трещин.

Способы оценки склонности к образованию кристаллизационных трещин делятся на:

а) прямые, в которых с помощью специальных машин (например по методу ЛТП – МВТУ) осуществляется деформация кристаллизующегося металла в ТИХ с заданной скоростью (V). В этом случае в процессе сварки в момент прохождения источником стыка второй пластине придается скорость V.

Проведя серию испытаний можно найти критическую скорость V – максимальную скорость, при которой не образуется трещина, ее обычно обозначают:

б) с помощью специальных проб, в которых в процессе сварки вследствие высокой жесткости конструкции пробы, обеспечивается определенная деформация металла в ТИХ (например: крестовая проба, проба «Рыбий скелет», составная проба МВТУ).

Практическое занятие 8

Образование холодных трещин при сварке

Холодные трещины свое название получили в связи с тем, что их появление наблюдается при относительно низкой температуре. Например, при сварке сталей, способных закаливаться, холодные трещины образуются при температурах распада остаточного аустенита (120 °С и ниже) или при нормальной температуре спустя некоторое время после сварки (десятки минут, часы, иногда и через более длительное время). Характерный признак холодных трещин — блестящий излом без следов пысокотемпературного окисления.

Для объяснения природы образования холодных трещин ранее использовали две гипотезы — закалочную и водородную. Согласно закалочной гипотезе образование холодных трещин объясняется мартенситным превращением, приводящим к возникновению высоких внутренних напряжений, вызванных изменением объема при фазовом превращении и одновременно снижением пластичности металла. Согласно водородной гипотезе возникновение трещин объясняется выделением растворенного в металле водорода в микронесплошности, имеющиеся в металле, и созданием в них высокого давления молекулярным водородом из-за очень малой степени диссоциации молекулярного водорода при низких температурах. Повышенное давление водорода создает вокруг микронесплошностей поле высоких напряжений, что приводит к развитию деформаций и разрушению металла. При этом предполагается, что растворенный в металле водород облегчает разрушение, так как при наличии водорода снижается работа образования новой поверхности.

Использование современных представлений о механизме разрушения металлов позволило дать более глубокое объяснение механизма образования холодных трещин. Образование холодных трещин связано с действием растягивающих напряжений и протекает в две стадии: зарождение очага разрушения критического размера и последующее его развитие до макротрещины. Используются две модели механизма образования очага разрушения критического размера: вакансионная и дислокационная.

В соответствии с вакансионным механизмом в результате воздействия термического цикла сварки в металле околошовной зоны на стадии охлаждения возникает избыток вакансий, которые под действием напряжений мигрируют к границам зерен, конденсируются на них, образуя каверны и зародышевые микро- несплошности. Если значение действующих напряжений превышает критическое, при котором зародыш трещины приобретает способность к росту, то в этом случае происходит образование макротрещины и разрушение. Если действующие напряжения ниже критических, то в этом случае развитие релаксационных процессов приводит к снижению напряжений и уменьшению вероятности образования макротрещины. В связи с этим повышение температуры также способствует снижению вероятности образования холодных трещин из-за более интенсивного развития релаксационных процессов.

Дислокационный механизм базируется на том известном факте, что хрупкому разрушению всегда предшествует определенная локальная пластическая деформация. В процессе локальной пластической деформации в местах блокировки полос скольжения препятствиями (например, границей зерна) образуются скопления дислокаций. Скопления дислокаций вызывают образование растягивающих напряжений. При определенных условиях растягивающие напряжения, возникающие вокруг скопления дислокаций, могут превзойти прочность атомных связей. В этом случае в результате разрыва автомных связей сформируется субмикротрещина, которая в зависимости от внешних условий способна или исчезнуть (в результате снятия или перераспределения напряжений, а также упорядочения структуры), или перерасти в микротрещину. При достижении критических размеров трещина может развиться в макротрещину.

Во всех случаях критические размеры микротрещины, способной развиться в макротрещину, зависят от действующих растягивающих напряжений и свободной поверхностной энергии образующейся трещины. Повышение растягивающих напряжений, а также снижение величины свободной поверхностной энергии образующейся трещины уменьшают размеры критического зародыша. Поскольку водород снижает величину свободной поверхностной энергии образующейся трещины, его повышенное содержание в металле увеличивает вероятность образования холодных трещин.

Основными факторами, обусловливающими образование XT, являются:

1) структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типа (S_Д, размером действительного аустенитного зерна (d₃);

2) концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины)

3) уровень растягивающих сварочных напряжений I рода .

Из рассмотрения механизма образования холодных трещин (замедленного разрушения) следует, что неоднородная структура, формирующаяся в околошовной зоне, будет способствовать формированию неоднородного поля растягивающих напряжений и деформаций. В связи с этим будут создаваться условия для локального направленного перемещения вакансий и дислокаций и формирования каверн и скопления дислокаций. Следовательно, основные приемы предотвращения образования холодных трещин следующие: 1) снижение внутренних напряжений (например, за счет использования высокого отпуска после сварки), 2) получение более однородной структуры металла в околошовной зоне, 3) снижение концентрации водорода.

Пример. Склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке

Образование холодных трещин носит замедленный характер, поэтому в тех случаях, когда время до термообработки сварных соединений меньше инкубационного периода образования холодных трещин, образование холодных трещин предотвращают путем проведения отпуска после сварки.

Для предотвращения образования холодных трещин при сварке сталей, как правило, используют подогрев до температуры 250-300 С°(предварительный или сопутствующий). При этом целесообразность использования подогрева возрастает с увеличением содержания углерода в стали, а также толщины свариваемого металла.

Ограничения в режимах сварки с целью предотвращения образования холодных трещин возрастают с повышением содержания углерода в стали. Это вызвано несколькими причинами: понижением температуры мартенситного превращения, критической скорости закалки и пластических свойств мартенсита с увеличением содержания углерода. Влияние температуры начала мартенситного превращения на образование холодных трещин связывают с развитием самоотпуска мартенсита. Если мартенситное превращение протекает при сравнительно высоких температурах (250—300 °С), то из-за развития процесса самоотпуска мартенсита опасность образования холодных трещин снижается. Поскольку пластические свойства мартенсита с увеличением содержания углерода падают, а внутренние напряжения, формирующиеся в результате мартенситного превращения, возрастают, то с целью снижения ограничений в технологии сварки следует использовать среднелегированные стали с минимальным содержанием углерода, обеспечивающим заданную прочность.

Склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке можно оценить, рассчитав эквивалент углерода С:

Сэ = С + Мn/6 + Cr/3+Mo/4+V/5 + Ni/4+Cu/15+ Р/2

Сэкв	≤0,25	0,25-0,35	0,35-0,45	≥0,45
Свариваемость	хорошая	Удовлетворительная	Ограниченная	Плохая

Испытания сварных соединений на склонность к образованию холодных трещин.

При оценке склонности металла к образованию холодных трещин на образцах особое внимание необходимо уделять созданию на стадии охлаждения такого напряженного состояния, которое возникает в металле околошовной зоны в реальных сварных конструкциях.

Для количественной оценки сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин применяют методы ЛТП МВТУ и ИМЕТ-4.

Метод ЛТП МВТУ основан на механическом испытании образцов под действием постоянной нагрузки, имитирующей собственные напряжения в сварных конструкциях. Нагрузка N, приложенная к вертикальной стенке образца, создает растягивающие напряжения в корне шва и околошовной зоне. Нагрузку прикладывают при температурах начала аустенитного превращения, образец выдерживают под нагрузкой в течение 20 ч и более после сварки. Результаты испытания обрабатывают в виде графика в координатах: разрушающее напряжение — время до разрушения. За показатель сопротивляемости образованию трещин принимают минимальное напряжение, при котором происходит разрушение.

Метод ИМЕТ-4 рассчитан на определение склонности к образованию холодных трещин металла после обработки по различным термическим и термодеформационным циклам. Плоские образцы из испытуемого металла нагревают по определенной программе проходящим током, нагружают в требуемом интервале температур в процессе охлаждения и затем выдерживают при постоянной нагрузке до разрушения. В качестве показателя сопротивляемости образованию холодных трещин служит минимальная нагрузка, при которой происходит разрушение.

Кроме методов, обеспечивающих количественную оценку сопротивляемости образованию холодных трещин, для этих же целей используют испытания, основанные на сварке различных проб. Наиболее известны пробы, имитирующие реальное сварное соединение, и проба Кировского завода.

Первая проба заключается в сварке контрольного шва образцов, , на трех режимах с минимальной, средней и максимальной величиной погонной энергии, характерной для данного способа. Иногда образцы предварительно охлаждают и сваривают при оптимальных температурах. Образцы осматривают непосредственно после сварки и спустя 5—20 суток.

Проба Кировского завода предусматривает наплавку валика на образец специальной формы. Образец изготовляют из пластины толщиной 12 мм, имеющей в центре цилиндрическую выточку, на плоскость которой наплавляют валик 1 при различных условиях охлаждения образца.

По результатам испытаний стали делят на четыре группы:

• хорошо сваривающиеся — не образующие трещин при охлаждении обратной стороны образца водой в процессе сварки;

• удовлетворительно сваривающиеся — не образующие трещин при охлаждении образца на воздухе;

• ограниченно сваривающиеся — требующие подогрева образца перед сваркой до температуры 100— 150°С с последующим охлаждением на воздухе;

• плохо сваривающиеся — требующие более высокого подогрева.