Процессы превращений в сталях при сварке на стадии нагрева

При нагреве под действием тепла, введенного при сварке в сталях, пре-терпевающих полиморфное превращение, происходят процессы образованияаустенита, рост зерна аустенита, растворение карбидной фазы, гомогени-

зация аустенита. Эти процессы связаны с протеканием полиморфного пре-вращения железа и диффузии углерода.

Зарождение зерен аустенита при нагреве перлита может происходить как на поверхности раздела фаз феррит-цементит, так и на участках повышенного количества дефектов строения, что зависит от условий нагрева. Легирую-щие элементы снижают интенсивность образования аустенита и существен-но повышают энергию активации углерода в аустените. Данные о механизме и кинетике образования аустенита относятся малым скоростям нагрева и температурам до 950^оС, тогда как при сварке и скорости нагрева, и темпера-туры существенно выше. Определенные трудности возникают при анализе фазовых превращений в интервале температур, где наряду с твердыми при-сутствуют жидкие фазы.

Поскольку феррито-цементитная смесь, из которой образуется аустенит, обладает большой межфазной поверхностью, то число зародышей аустенита оказывается велико, и в процессе превращения наблюдается измельчение зерна. Образующийся аустенит неоднороден по составу. Для гомогенизации аустенита требуется перегрев. Если нет сдерживающего влияния избыточных фаз (феррита в доэвтектоидных сталях, цементита в заэвтектоидных сталей, и т.д.), при росте температуры наблюдается рост зерна аустенита. Наличие феррита и цементита растягивает процесс гомогенизации, для этого требуется более высокая температура и более длительное время выдержки.

Кинетику процесса формирования аустенита при сварочном нагреве можно проследить по диаграмме его образования, на которой различные эта-пы превращения (начало, завершение образования аустенита, растворение карбидов. гомогенизация аустенита) представлены в зависимости о режима непрерывного нагрева при сварке. Строят эти диаграммы на основе данных дилатометрического анализа. Температуры начала и конца образования ау-стенита наносят на соответствующие ветви нагрева термических циклов на поле диаграммы анизотермического образования аустенита в координатах температура – время (в логарифмической шкале).

На образование аустенита существенное влияние оказывает химический состав исходной стали. Увеличение в стали содержания углерода ведет к ускорению превращения, т.к. это приводит к увеличению количества карбид-ной фазы и к увеличению межфазной поверхности. Присутствие в составе стали карбидообразователей, а в структуре стали специальных карбидов, ве-дет к уменьшению скорости превращения, повышению температур критиче-ских точек, т.е.образование аустенита замедляется. Присутствие в составе стали некарбидобразующих элементов, повышающих дисперсность исходной перлитной структуры, увеличивает скорость образования аустенита, по-нижает критические температуры превращения, т.е. образование аустенита облегчается.

Увеличение скорости нагрева при сварке способствует увеличению ин-тервала температур аустенизации стали, при этом повышаются и сами критические температуры.

Увеличение степени дисперсности исходного перлита облегчает протекание превращения.

Размер действительного зерна влияет на окончательные свойств стали: чем крупнее зерно, тем ниже предел текучести и хрупкая прочность. Стали с крупным зерном более склонны к короблению и образованию трещин от внутренних напряжений, при их охлаждении может возникать видманштет-това структура с низким уровне ударной вязкости, прокаливаемость таких сталей больше.

Параметры термического цикла сварки оказывают решающее влияние на рост зерна аустенита. Чем выше максимальная температура нагрева,тембольше действительное зерно аустенита при прочих равных условиях. Именно этот параметр оказывает наибольшее влияние. Увеличение скорости нагрева (при этом происходит увеличение температуры интенсивного роста зерна аустенита) и сокращение длительности пребывания металла в зоне перегрева способствует уменьшению роста зерна на стадии нагрева. С ростом скорости нагрева растет и инкубационный период роста зерна аустенита.

Фазами, тормозящими рост зерна аустенита в стали, оказываются дис-персные нитриды, стойкие карбиды, оксиды и сульфиды. Они располагаются по границам зерен, препятствуют межкристаллитной диффузии и ограничи-вают рост зерна. Отсюда следует, что легирование стали сильными карбидо-образователями – ниобием, титаном, цирконием, ванадием, в меньшей сте-пени вольфрамом, молибденом, хромом - помогает сдерживать рост зерна аустенита. Склонность к росту зерна аустенита минимальна у наследственно мелкозернистых сталей, дополнительно раскисленных алюминием, и макси-мальна у сталей, раскисленных только ферромарганцем и ферросилицием.

Влияет на процесс роста и исходное состояние стали. Литые стали менее склонны к росту зерна, чем горячекатаные. Стали с более неравновесной исходной структурой более склонны к росту зерна.

В углеродистых сталях гомогенизация углерода протекает достаточно быстро, в легированных – медленнее. Уменьшение скорости нагрева ведет к сужению температурного интервала и более полному протеканию периода гомогенизации. Аналогично влияет и повышение дисперсности исходной структуры.

Лекция 2