Дефекты при сварке для ликвидации которых нужна термообработка

Горячие трещины –это хрупкие межкристаллические разрушения ме-талла шва и ЗТВ, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественно развития вязкопластической межзеренной деформа-ции. Причина – наличие в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кри-сталлического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внешних и внутренних напряжений.

Кристаллизационные трещины образуются при температурах,превы-шающих температуру солидуса. Полигонизационные трещины образуются после завершения первичной кристаллизации вследствие возникновения в структуре вторичных полигонизационных границ. Эти дефекты обноружи-ваются как в металле шва, так и в металле околошовного участка ЗТВ, вбли-зи линии сплавления.

Сплавы, обладающие большей пластичностью, при тех же значениях температурного интервала хрупкости и темпах деформации, трещины не да-

ет. Чем больше пластичность металла и температурный интервал хрупко-сти, тем при прочих равных условиях меньше вероятность образования го-рячих трещин.

Значение пластичности и характер ее изменения в температурном интер-вале хрупкости зависит от множества факторов:

1. От химического состава.

Крайне неблагоприятно наличие серы, образующей легкоплавкие сер-нистые эвтектики.

Повышенное содержание углерода также способствует склонности ме-талл шва к образованию горячих трещин, поскольку углерод уменьшает рас-творимость серы в жидкой стали и способствует выделению ее в виде суль-фидных включений в составе эвтектики по границам зерен. Увеличение со-держания углерода, который является при высоких температурах активным раскислителем, приводит к снижению растворенного кислорода в жидком металле, а при его низком содержании сульфиды выделяются в виде просло-ек по границам столбчатых кристаллов и снижают сопротивляемость шва образованию кристаллизационных трещин.

Одна из причин вредного влияния фосфора заключается в его способ-ности увеличивать дендритную неоднородность распределения серы, в ре-зультате чего понижаются прочность и пластичность металла.

Сопротивляемость металла шва образованию указанных трещин может быть значительно повышена за счет его легирования элементами, связы-вающими серу в тугоплавкие сульфиды, например, сульфид марганца, и мо-дифицировании, при котором происходит измельчение его первичной струк-туры. При модифицировании вместо столбчатых кристаллов получается дез-

ориентированная структура. В качестве элементов - модификаторов высту-пают алюминий, титан, ванадий, цирконий и пр. При этом не только улуч-шается строение шва, но и его свойства, повышается пластичность и вязкость.

Одна из причин вредного влияния фосфора заключается в его способ-ности увеличивать дендритную неоднородность распределения серы, в ре-зультате чего понижаются прочность и пластичность металла.

Сопротивляемость металла шва образованию указанных трещин может быть значительно повышена за счет его легирования элементами, связы-вающими серу в тугоплавкие сульфиды, например, сульфид марганца, и мо-дифицировании, при котором происходит измельчение его первичной струк-туры. При модифицировании вместо столбчатых кристаллов получается дез-

ориентированная структура. В качестве элементов - модификаторов высту-пают алюминий, титан, ванадий, цирконий и пр. При этом не только улуч-шается строение шва, но и его свойства, повышается пластичность и вяз-кость.

2. От схемы кристаллизации сварного шва.

Увеличение сопротивляемости металла шва образованию горячих тре-щин может быть обеспечено путемизменения направления роста первичных кристаллов, т.е. угла их встречи, величина которого определяется формой сварочной ванны,уменьшением темпов величины нарастания растягивающих деформа-ций за счет рационального конструирования и технологических приемов сварки.

Чем меньше темп деформации в температурном интервале хрупкости, тем меньше вероятность образования горячих трещин. Этот темп зависит от усадки сплава и деформаций, развивающихся в околошовной зоне. Следует учитывать, что деформация в сварном шве, обусловленная кристаллизацией

и структурными изменениями при охлаждении, распределяется по сечению весьма неравномерно – участки шва с более высокими температурами и вследствие этого менее прочные деформируются больше, чем участки, при-легающие к зоне сплавления и охлаждающиеся более интенсивно.

 

Для повышения сопротивляемости образованию горячих трещин при-

меняют предварительный и сопутствующий подогрев с целью уменьшения сварочных напряжений. В ряде случаев предлагают сопутствующее охлаж-дение для сокращения длительности пребывания металла шва и ЗТВ в тем-пературном интервале хрупкости.

Для приближенной оценки сопротивления металла образованию горя-чих трещин используют расчетно-статистический метод по параметрическим уравнениям.

Холодные трещины –локальные хрупкие межкристаллические разру-шения материала сварного соединения, возникающие под действием собст-венных сварочных напряжений. К ним относят трещины, имеющие блестя-щий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления.

При возникновении холодных трещин определяющим является:

- наличие закалочных структур;

- повышенный уровень растягивающих сварочных напряжений первого рода;

- повышенная концентрация водорода в зоне очага зарождения трещины.

Протяженность очага трещины составляет несколько диаметров аусте-нитных зерен. Разрушение не сопровождается пластической деформацией и наблюдается как практически хрупкое, что позволяет отнести его к межкри-сталлическому хрупкому разрушению. Дальнейшее развитие очага в микро-

имакротрещину может носить смешенный или внутризеренный характер.

Механизмы образования холодных трещин включает два основных процесса:

- низкотемпературную ползучесть, которая реализуется путем разви-тия микропластической деформации в приграничных зонах зерен. Последняя обусловлена наличием в структуре свежезакаленной стали (например, со структурой мартенсит) незакрепленных, способных к скольжению краевых дислокаций при действии сравнительно невысоких напряжений;

- диффузионное перераспределение водорода. Его влияние проявля-ется в снижении поверхностной энергии границ зерен, что способствует рос-ту полостей и субмикротрещин.

Склонность к образованию холодных трещин может выявляться с при-менением сварочных технологических проб, методов специализированных испытаний сварных образцов и расчетных методик. Применение расчетных методов оценки склонности к образованию холодных трещин основано на их взаимосвязи с закаливаемостью стали при сварке, которая возрастает с повышением степени легированности материала и насыщением металла шва

И ЗТВ водородом.

Для предотвращения образования холодных трещин эффективно при-менение подогрева при сварке. При этом снижается скорость охлаждения металла шва и ЗТВ, предотвращается возможность образования мартенсита и создаются благоприятные условия для диффузионного удаления водорода.

Слоистые трещины. Эти трещины возникают в процессе остыванияниже 200^оС. Ламилярные трещины – другое их название - располагаются па-раллельно поверхности свариваемых листов и имеют ступенчатый (каскад-ный) характер. Излом в месте образования таких трещин хрупкий, без следов окисления. Большую часть излома составляют участки, совпадающие со слоистостью металла, образующейся в результате его прокатки. Сопротив-ление образованию слоистых трещин связывают с объемной долей сульфид-ных строчечных включений. Механизм разрушения при возникновении ла-милярных трещин объясняют механическим отделением неметаллических включений от металлической матрицы вследствие слабого их сцепления. Отрыву неметаллических включений способствует разница величин терми-ческого расширения и усадки металла и включений, охрупчивающее воздей-ствие водорода, концентрирующегося на межфазной границе и пр.

Способы оценки склонности к образованию слоистых трещин подобны применяемым в отношении холодных трещин.

 

Для предотвращения появления слоистых трещин применяют конструктивные и технологические мероприятия: выбор такой конструкции сварного узла, при которой сварочные напряжения по направлению толщины листа минимальны, предварительный и последующий подогрев, наплавка на свариваемые кромки, повышение качества стали главным образом за счет снижения серы.

Трещины повторного нагрева. Эти трещины могут образовываться впроцессе отпуска сварных соединений, выполненного с целью снятии сва-рочных напряжений. Они характерны для низколегированных и легирован-ных сталей, в особенности ля перлитных жаропрочных сталей, легирован-ных хромом, молибденом и ванадием. Трещины представляют собой меж-кристаллическое разрушение в крупнозернистой части зоны термического влияния. Критический интервал растрескивания 500-700^оС.

Образование трещин повторного нагрева связано с локальной пластической деформацией ползучести, обусловленной снятием сварочных напряжений. Нагрев и выдержка в критическом интервале температур приводит к выделению мелкодисперсных карбидов в теле зерен, при этом зерна упроч-няются. Поэтому пластическая деформация развивается преимущественно в приграничных областях зерен.

В результате относительного смещения зерен на их стыках появляются пики микронапряжений, которые являются причиной зарождения очагов микротрещин. Образование микротрещин облегчается сегрегацией на грани-цах зерен примесей, которые снижают когезионную прочность (прочность сцепления).

Склонность к образованию трещин повторного нагрева зависит от со-става стали, микроструктуры ЗТВ и величины остаточных сварочных напря-жений. Наличие в составе хрома, молибдена, ванадия, а также меди, титана, ниобия, примесей серы, фосфора, олова, сурьмы и пр. способствует появле-нию склонности к растрескиванию.

 

Склонность сталей к образованию таких трещин оценивается с помо-щью технологических проб, машинных испытаний образцов, расчетных ме-тодов.

Методы по предотвращению трещин повторного нагрева предусматри-вают выбор рационального легирования стали, особенно снижение до мини-мально возможных значений содержание молибдена и ванадия, снижение уровня остаточных напряжений в сварных узлах и повышение температуры отпуска свыше 700^оС.

Разупрочнение. Одним из важнейших показателей свариваемости ста-лей является их склонность к разупрочнению под действием термического цикла сварки. Явление разупрочнения закономерно для сталей с нестабиль-ной структурой (термически упрочненных), потому что они обладают боль-шим запасом свободной энергии, чем равновесная феррито-карбидная смесь, образующаяся в условиях сварочного нагрева и охлаждения в ЗТВ сварных соединений при общепринятой технологии сварки. В зависимости от хими-ческого состава стали эффект разупрочнения проявляется в определенном интервале максимальных температур нагрева.

Значительному разупрочнению подвержены термоупрочненные стали перлитного класса при сварке по общепринятой для нормализованных и го-рячекатаных сталей технологии. Термически упрочненные стали с бейнит-ной и бейнитно-мартенситной структурой менее подвержены разупрочне-нию.

Разупрочнение является результатом ряда процессов: коагуляции кар-бидов, изменения их состава, снижения плотности дислокаций, уменьшения напряжений второго рода, рекристаллизации феррита. Оно оказывает отри-цательное влияние на конструктивную прочность сварных соединений, в

особенности при двухосном напряженном состоянии, характерном для усло-вий эксплуатации сосудов, работающих под давлением, и трубопроводов. Склонность к разупрочнению при сварке снижает эффективность и в ряде случаев сдерживает промышленной использование термоупрочненных ста-лей в сварных конструкциях.

Лекция 3