Строение зоны термического влияния (ЗТВ)

Московский технологический университет

Кафедра _ ФТ-2 «Информационные технологии в машино- и приборостроении»

          (шифр и наименование кафедры)

УТВЕРЖДАЮ

Зав. каф.

_________

(подпись, фамилия и инициалы)

«___»_________2017_г.

 

 

по направлению 15.04.01 Машиностроение

 

                                                                                                                           (шифры направления)

 

 

 

канд. технич. наук доц. Минаева Н.И.

 (ученая степень, ученое звание, фамилия и инициалы автора)

Конспект лекций

по дисциплине  «Термическая обработка сварных соединений» _____________________________________________

    (шифр и наименование учебной дисциплины)

 

 

Лекция 1

Введение.Общие сведения о теории и закономерностях кристаллизации,структурных превращениях и свойствах в сталях и сплавах при сварке, после кристаллизации, после термической обработки.

Знания и навыки, полученные при изучении дисциплины необходимы при разработке технологии в создании изделия, где требуется сварка.

В машиностроении широко применяют сварнолитые и сварно-кованые конструкции. Сварнолитые конструкции, состоящие из нескольких отливок, свариваемых между собой или с заготовками из проката и поковок, особенно целесообразно применять в тех случаях, когда невозможно отлить детали целиком, в частности, из-за недостаточной мощности металлургических печей или грузоподъемности кранов литейного цеха.

Применение сварнокованых конструкций упрощает технологический процесс горячей обработки. Сварную конструкцию получают путем сварки отдельных частей из одной или разных сталей.

В обоих случаях следует обращать особое внимание на термическую обработку сварных конструкций, четко назначать режим термической обработки. Для этого необходимо знать, какие структурные участки образуются в зоне сварки, и чем характеризуется каждый участок.

Закономерности кристаллизации сварного шва. Строение жидкостиотличается от строения твердого кристаллического вещества. При расплав-лении металла цельность решетки нарушается, по мере увеличения степени перегрева могут сохраняться лишь небольшие по размеру группировки зако-номерно расположенных атомов. Их размер и устойчивость уменьшаются по мере роста температуры расплава.

Первичная кристаллизация – это процесс формирования кристалличе-ской фазы из жидкости. Движущей силой процесса кристаллизации является стремление системы перейти в состояние с меньшим значением свободной энергии Гиббса. Необходимым условием для процесса кристаллизации явля-ется понижение температуры жидкого металла, хотя бы в некоторых микро-объемах, до температуры, ниже температуры равновесной (теоретической температуры кристаллизации), т.е. должна быть обеспечена определенная степень переохлаждения. Степень переохлаждения растет с увеличением скорости охлаждения.

Теория кристаллизации выделяет два процесса: образование центров кристаллизации (зародышей) и их последующий рост.

В результате протекания этих процессов происходит превращение жидкой фазы в твердое кристаллическое вещество. Этот процесс сопровождается уменьшением свободной энергии системы. Зародыш, способный к росту при данной температуре, называется критическим. Его размер тем меньше, а количество зародышей тем больше, чем больше степень переохлаждения. Таким образом, при увеличении скорости охлаждения и степени переохлаждения размер зерна металла уменьшается.

Литые металлы имеют характерное дендритное строение. При направ-ленном отводе тепла дендриты столбчатой формы растут в направлении, противоположном направлению отвода тепла. Иногда в первичной структу-ре металла шва наблюдаются макрокристаллиты, состоящие из ячеек и денд-ритов с осями близкого направления, имеющими общие границы. В свароч-ной ванне наблюдается градиент температур, при дуговой сварке температу-ра максимальна в очаге горения дуги, а в хвостовой части ванны она при-ближается к температуре кристаллизации. Поскольку дуга перемещается с определенной скоростью, а отвод тепла осуществляется холодным металлом, то перемещение фронта кристаллизации – границы раздела между жидким и твердым металлом - также происходит с определенной скоростью. При про-текании кристаллизации число естественно образовавшихся зародышей не-велико. Однако существуют готовые центры кристаллизации, представляю-щих собой частично оплавленные зерна основного металла на границе рас-плавления, а также искусственные очаги кристаллизации – частицы неметаллических включений, а также соединений, не растворившихся при плав-лении или выделившиеся из расплава. Интенсивное перемешивание свароч-ной ванны под действием газодинамических и электромагнитных сил приво-дит к распределению тугоплавких частиц по всему объему ванны.

В результате кристаллизации сварочной ванны в металле шва возникает химическая неоднородность состава. Ее формирование зависит, с одной стороны, от термодинамических свойств металлической системы, в частности, от ее диаграммы состояния, а с другой стороны, от процессов выравнивающей диффузии, которая зависит от диффузионной способности легирующих элементов и термического цикла сварки. Различают следующие виды химической неоднородности: дендритная (внутрикристаллитная) ликвация; межкристаллитная неоднородность; слоистая неоднородность; зональная ликвация.

Как правило, элементы, образующие сплав, в жидком состоянии пол-ностью взаимно растворимы. При переходе из жидкого однородного состоя-ния в твердое,  в сплаве могут происходить различные превращения, вызван-ные взаимодействием компонентов. Компоненты могут образовывать твер-дые растворы, ограниченные и не ограниченные, смеси, химические соеди-нения, в том числе и такие, на основе которых могут в свою очередь образо-вываться растворы. В сплавах могут образовываться смеси – эвтектики и эв-тектоиды, в состав которых могут входить различные фазы. Многие сплавы имеют превращения и в твердом состоянии, связанные с полиморфными превращениями основы сплава, с выделением вторичных фаз и пр. Каждая из составляющих сплава влияет на его свойства, на его поведении при соединении сваркой, а после образования сварного соединения – на его свойства.

Как взаимодействуют компоненты друг с другом отражается на диа-граммах состояния. Диаграммы реальных многокомпонентных сплавов сложны, мы ограничимся двойными диаграммами. Лучше всего должны сва-риваться элементы, дающие непрерывный ряд твердых растворов, хуже – дающие ограниченные твердые растворы, еще хуже – дающие химические соединения и не взаимодействующие.

 

Фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении, полу-чение того или иного структурного состояния металла, соответственно, его свойства связаны с протеканием диффузионных процессов. Даже бездиффу-зионное образование мартенсита зависит от однородности твердого раствора перед закалкой, а это, в свою очередь, определяется диффузией растворен-ных элементов. Большое значение процессы диффузии имеют при сварке:

- при сварке давлением диффузия – основной процесс, определяющий рекристаллизацию и улучшение свойств сварного соединения после уста-новления связи между свариваемыми активированными поверхностями;

- при сварке плавлением диффузия влияет на степень химической и ме-ханической неоднородности металла шва и сварного соединения;

- при сварке разнородных сталей и разнородных металлов обычные за-кономерности диффузионного процесса осложняются специфическими ус-ловиями.

Для состояния и свойств сварного соединения, прежде всего сталей, имеет значение диффузионное перемещение углерода, примесей и легирующих элементов. Диффузия этих элементов определяет степень химической и механической неоднородности сварных соединений. Протекание процессов рекристаллизации, изменение свойств при термообработке и пр. Эти процес-сы протекают поразному, характеризуются различными параметрами и происходят с различной скоростью.

 

Энергетические параметры диффузии атомов внедрения и атомов заме-щения различаются. Примеси внедрения имеют гораздо меньшие значения энергии активации процесса (причем, чем меньше атомный диаметр, тем меньше ее величина), чем примеси замещения. Среди примесей замещения наибольшей подвижностью обладает атом серы, а наименьшей – атомы вольфрама и хрома. Диффузия углерода и легирующих элементов в альфа-железе и гамма-железе идет с различной скоростью: в альфа-железе энергия активации углерода меньше, а скорость диффузии больше.

Для сварных соединений важно, что по границам зерна,  диффузионные процессы идут активнее, чем по телу зерна, что связано с большей плотно-стью несовершенств кристаллического строения по границам зерен. В ре-зультате этого границы обогащаются различного рода примесями, что суще-ственно меняет свойства металла этих зон, их поведения при деформации и разрушении. Состояние границ зерен имеет большее значение для сварных соединений, чем для свариваемого металла, в связи с наличием крупных ли-тых кристаллов в металле шва и выросшего зерна в околошовной зоне.

Таким образом, скорость диффузии какого-либо элемента зависит как от температуры, так и от характера и степени ее легирования.

Распределение диффундирующего элемента в сварном соединении зависит от вида диаграммы и от температуры протекания процесса.

 

Для сварных соединений характерен еще один вид диффузии. Например, диффузии углерода на границе сварки легированной и нелегированной стали или разнолегированных сталей. Если сварное соединение состоит из сталей с различным содержанием легирующих элементов, то направление перемещения углерода определяется не только разницей концентрации углерода, но и разницей в легировании, и может происходить из стали с меньшим содержанием углерода в сталь с большим содержанием углерода. Это объясняется разницей термодинамической активности углерода в этих сталях.Повышают термодинамическую активность углерода элементы, атомы которых слабее взаимодействуют с атомами углерода, чем атомы железа, например, кремний. Понижают термодинамическую активность углерода карбидообра-зователи (марганец, хром, молибден, вольфрам, ванадий и пр).

Также диффузионные процессы имеют большое значение для рекристаллизации металла, подвергшегося деформации в процессе сварки. С другой стороны, считают, что и пластическая деформация, изменяя плотность несовершенств кристаллического строения, влияет на диффузионную подвижность растворенных атомов.

Строение зоны термического влияния (ЗТВ)

 

Для целенаправленного влияния на структуру необходимо знать закономерности ее образования.

Среди основных элементов, оказывающих определяющее влияние на процессы структурообразования в сталях при сварке и термообработке, вы-деляется углерод, поэтому сталь рассматривается прежде всего как сплав железа с углеродом. О превращениях в сталях при нагреве и охлаждении можно судить по диаграмме состояния железо-цементит.

При сварке плавлением наплавленный металл контактирует со свариваемым металлом. В основном металле возникает зона термического влияния, примыкающая к линии сплавления. Под зоной термического влияния понимают область сварного соединения, в котором под действием тепла, выделяемого источником нагрева, происходит изменение структуры и свойств свариваемого металла. В зоне термического влияния наблюдается образова-ние ряда закономерных структур. Это зависит от температур, до которых прогревался тот или иной участок металла при контакте с наплавленным металлом при сварке плавлением.

Можно выделить следующие участки:

Участок, прилежащий к линии сплавления, на котором происходило неполное расплавление. При сварке этот участок нагревается до температу-ры ниже линии ликвидуса, но выше линии солидуса, т.е. температуры, не-сколько превосходящей температуру начала плавления, и находится в твер-дожидком состоянии, что способствует протеканию диффузии некоторых элементов между твердой и жидкой фазой переходной зоны. Переходная зо-на отличается по своему химическому составу, как от основного, так и на-плавленного металла. Химический и структурный состав этого в значитель-ной степени определяется процессами диффузии легирующих элементов между металлом шва и основным металлом. Для него является характерным образование высокотемпературной неоднородности, особенно значимой в случае разницы в композициях основного и присадочного металлов. Свойст-ва этого участка оказывают решающее влияние на работоспособность свар-ной конструкции. Здесь происходит образование металлической связи между металлом шва и свариваемой деталью. Если между зернами имеется пленка окислов или осажденных газов, то в этом месте не произойдет прочной ме-таллической связи и этим можно объяснить образование трещин в зоне сплавления, что объясняется внутренними напряжениями.

Следствием этого может явиться снижение технологических и служеб-ных свойств сварных соединений.

 

Участок перегрева (околошовный) ограничивается со стороны шва температурой участка неполного расплавления, а со стороны основного ме-талла – температурой интенсивного роста зерна аустенита. По причине вы-соких темеператур образующееся при нагреве зерно аустенита будет круп-ным, особенно при сварке с термическими циклами, характеризующимися

пониженной интенсивностью нагрева. В низкоуглеродистых и низколегиро-ванных сталях в процессе последующего охлаждения образуется крупнозер-нистая видманштеттова структура. Кристаллы доэвтектоидного феррита ориентированно прорастают относительно кристаллической решетки аусте-нита через крупное зерно перлита и имеют форму пластин.Участок перегре-ва характеризуется пониженной пластичностью и особенно низкой вязко-стью (вязкость при этом падает на 25% и более).

Чем меньше протяженность этогоучастка, тем выше качество сварного соединения. Перегретый металл является слабым местом в сварном соедине-нии.

Участок нормализации (полной перекристаллизации) охватывает тем-пературный интервал 1100÷900 С, что несколько выше точки Ас3. На этом участке происходит полная перекристаллизация или нормализация с образо-ванием мелкозернистой структуры. Длительность пребывания стали при этих температурах невелика, зерно аустенита не успевает вырасти, при этом не успевает произойти и гомогенизации аустенита – содержание углерода и особенно легирующих элементов не успевает выровняться по сечению зерна. Последующая перекристаллизация приводит к получению равноосной структуры феррита и небольшого количества перлита. Металл этой зоны об-ладает достаточно высоким комплексом свойств.

Участок неполной перекристаллизации охватывает металл, подвер-гавшийся нагреву в интервале температур точек от Ас1 до Ас3. При достиже-нии точки Ас1 перлит переходит в аустенит. При температуре выше Ас1 часть феррита растворяется в аустените, а часть феррита остается нераство-ренной и сохраняет свой первоначальный размер. В отдельных сталях воз-можно присутствие карбидов. Аустенит характеризуется наибольшей хими-ческой негомогенностью по углероду и элементам замещения. Это важно в практическом плане, поскольку при последующем охлаждении с умеренны-ми скоростями более углеродистая часть аустенита превращается по мартен-ситному механизму, а менее углеродистая – по диффузионному.

В углеродистых сталях при последующем охлаждении из образовавшихся зерен аустенита будет выделяться феррит, а заканчивается вторичная кристаллизация эвтектоидным превращением оставшегося аустенита в перлит.

Структура перекристаллизованного материала будет состоять из феррита (не изменившегося при нагреве) и колоний мелких зерен феррита и перлита, которые образуются при перекристаллизации и располагаются вокруг зерен феррита.

По прочности металл этого участка занимает промежуточное положение между металлом участка полной перекристаллизации и основным металлом.

Участок, нагретый ниже температуры первого фазового превращения, т.е. ниже Ас1, является участком, на котором в зависимости от исходного со-стояния металла и протекающих процессов будет формироваться различная структура, и будут получаться соответствующие свойства.

При сварке сталей после упрочняющей термической обработки (закалки, закалки и отпуска) это участок отпуска, где наиболее активно происходят процессы дифференциации феррита и цементита, и коагулируют карбиды. При этом происходит разупрочнение металла.

В сталях, подвергавшихся до сварки пластической деформации, наблюдается участок рекристаллизации. На этом участке в интервале температур выше температуры рекристаллизации данной стали наблюдается рост новых равноосных зерен взамен деформированных зерен. При этом снимается наклеп, происходит разупрочнение металла. Если до сварки металл не подвергался пластической деформации (например, в случае отожженных сплавов), рекристаллизации не происходит.

При рассматриваемых температурах в ряде сталей могут развиваться процессы отпускной хрупкости и дисперсионного упрочнения

Участок перехода от зоны термического влияния к основному металлу нагревается в области температур 200-450^оС. В некоторых сталях существу-ет участок синеломкости, когда на поверхности металла появляются синие цвета побежалости. При сварке низкоуглеродистых сталей, содержащих ки-слорода более 0,005%, азота более 0,005% и водорода более 0,0005%, уча-сток синеломкости характеризуется резким снижением вязкости. Снижение вязкости вызывается, вероятно, старением металла, когда из пересыщенного феррита выпадают тонкодисперсные оксиды, нитриды и карбиды железа. Они скапливаются вокруг дефектных участков кристаллической решетки, повышая прочность и снижая пластичность металла.

При сварке отожженного металла на последних двух участках сущест-венных изменений структуры не происходит.

Таким образом, зона термического влияния представляет собой неоднородную область сварного соединения, структура и свойства которой определяются фазовыми превращениями в стали, протекающими в процессе нагрева и охлаждения при сварке.

В отличие от сварного шва, свойства металла которого можно частично регулировать за счет изменения его химического состава, структурой и свойствами зоны термического влияния можно управлять только путем воздейст-вия на процессы фазовых и структурных превращений.