книги / Металловедение сварки
..pdfСтруктурно-фазовые |
превращения |
применительно к |
условиям сварки |
|
можно прогнозировать по структурным диаграммам, |
если |
известны t8/5 или |
||
fV6/5. При их отсутствии |
могут быть |
использованы |
аналитические оценки. |
Процентное содержание мартенсита (М) и ферритоперлитной (ФП) смеси в за висимости от Уохлможет быть описано уравнением Авраами, применяемым для приближенной оценки кинетики полиморфных превращений:
М = Юо(о,95 - ехр(- киW£f5)),
ФП = 1 0 0 -ехр(-*фХ * ) ,
где км, АгфП, пш «фПэкспериментальные или расчетные коэффициенты. Содержание бейнита при заданной скорости охлаждения определяется
как дополнение к количеству мартенсита до 95 % или ФП-смеси до 100 %. Рас четное определение коэффициентов п и к возможно с использованием критиче ских скоростей охлаждения, взятых из диаграмм АРА для анализируемых ста лей (JVM2, Wui, 1Гф„2 и ЖфпО, соответствующих образованию 90 и 5 % мартенси та, 100 и 5 % ФП-смеси по соотношениям:
пМ |
|
3,3475 |
и |
К |
0,1054 |
|
|
|
|||
|
1 п Г - W. |
|
|
|
|
|
|
м !, |
|
|
|
|
In |
4,067 |
|
|
2,9957 |
«фп = |
(Wtфп2 |
^ |
^фп |
К |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
фп1 J
При отсутствии диаграммы АРА критические скорости охлаждения WM] и
WM2 можно приближенно рассчитать по химическому составу стали, исполь зуя его обобщенный параметр СЭкВ> характеризующий прокаливаемость стали:
Mn |
Si |
Ni |
Сг Mo |
Си |
V |
СЭКВ_ = С + ---- |
+ — + — + — + ----- |
+ — + — + 5В. |
|||
|
24 |
10 |
|
15 |
14 |
По результатам математической обработки большого количества экспе риментальных данных на ЭВМ получены зависимости:
WMl = 0,343-С^116, Wm2 = 3,217-С^св838.
Критические скорости и ^ фп2 можно определить по приближенным
соотношениям критических скоростей.
Wmi~Wui, ^ ф п 2 * 0 , 1 ф п 1
Критическое время охлаждения в диапазоне 800-500 /Mi и tu2 можно
рассчитать, воспользовавшись зависимостью ^8/5 от Weis для условий однопро
ходной сварки: t8/s « 225/We/s-
Температуры ферритоперлитного (при W6/5» W(t>n2) и мартенситного пре
вращений (при We/5 ^ Wm2) для легированных сталей можно ориентировочно оп
ределить с помощью эмпирических формул, приведенных в работе [10].
Для определения характеристических длительностей охлаждения до по явления отдельных структурных составляющих можно использовать расчетные зависимости из работы [11]. там же дан расчет температур начала и конца мар тенситного превращения, бейнитного превращения, перлитного превращения и температур критических точек ЛСр АСу приведены формулы для определения объемной доли отдельных структурных составляющих и значений твердости.
5.ДИФФУЗИЯ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ
5.1.Основные понятия и законы диффузии
Диффузия - элементарные процессы перемещения атомов на расстояние больше параметра кристаллической решетки, т.е. массоперенос.
Наиболее вероятные механизмы диффузии - вакансионный и по меж доузлиям (для атомов внедрения).
СамодиФФузия - перемещение атомов основного металла в его решетке без изменения концентрации.
ГетеродиФФузия - направленный массоперенос атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя, приводящий к местным изменениям концентрации.
Роль само- и гетеродиффузии - обеспечение возможности протекания фа зовых и структурных превращений при нагреве и охлаждении, в том числе и
при сварке.
При сварке давлением диффузия обеспечивает протекание рекристалли зации и улучшение свойств сварного соединения после установления связей между активированными поверхностями.
При сварке плавлением процессы диффузии влияют на степень химиче
ской и механической неоднородности металла шва и сварного соединения.
Процессы гетеродиффузии определяют возможность формирования свар
ного соединения разнородных металлов и разнородных сталей, в том числе и в
условиях, осложненных реакционной диффузией и концентрационной зависи мостью термодинамической активности диффундирующего вещества.
Реакционной называется диффузия, приводящая к фазовым изменениям - образованию химических соединений.
Первый закон Фика связывает массоперенос с перепадом концентрации диффундирующего вещества:
M - D * , дх
где М - масса перемещающегося вещества; D - коэффициент диффузии; С - концентрация; х - расстояние.
Предполагается, что основной причиной перемещения растворенного ве щества является разность его концентраций в соседних объемах и стремление к равномерности распределения.
Коэффициент диффузии -D (см2/с) характеризует количество вещества в граммах или молях, перемещающееся через единицу площади в единицу вре мени при градиенте концентрации (дС/ск), равном единице. Знак "минус" по казывает, что диффузия идет в направлении уменьшения дС/дх.
Коэффициент диффузии D характеризует скорость массопереноса. При определенной температуре он зависит главным образом от природы раствори теля и растворенного вещества.
Зная коэффициенты D разных элементов в а- или у-растворах, можно судить о способности этих растворов к гомогенизации, устранению химической и механической неоднородности сварных соединений.
Зависимость D OT Т выражается следующим образом:
Q
D = D0 -е RT
Энергия активации Q зависит от энергии связи диффундирующего атома в решетке растворителя. Чем выше Q, тем сильнее удерживается атом в перво начальной позиции, тем ниже D и тем меньше скорость диффузии.
D0 - предэкспоненциальный множитель - зависит от типа кристалличе ской решетки.
Второй закон Фика учитывает изменение градиента концентрации дС/дх
со временем т протекания процесса диффузии. Для одноосного потока он имеет вид
или С(Х.г) = С0 ■
тию. Значения энергии активации диффузии некоторых элементов в у-Fe, даю щих растворы замещения, приведены ниже:
Элемент |
S |
А1 |
Mo |
Си |
Mn |
Ni |
Fe |
Со |
W |
Сг |
Q, кДж/моль |
121 |
184 |
247 |
255 |
278 |
282 |
284 |
366 |
376 |
406 |
Наибольшей подвижностью обладают атомы серы, что создает предпо сылки для устранения при нагреве ликвации по сере. Наиболее трудно устраня ется МХН по хрому и вольфраму.
Скорость диффузии зависит от типа кристаллической решётки раство рителя. В a -железе энергия активации Q углерода меньше, а скорости диффу зии больше (табл. 5.2). То же относится и к другим легирующим элементам.
Таблица 5.2
Q> |
С |
Fe |
Мо |
W |
Сг |
|
кДж/моль |
||||||
|
|
|
|
|
||
Q в a-Fe |
75 |
247 |
272 |
292 |
338 |
|
Q в y-Fe |
151 |
284 |
322 |
326 |
406 |
Это важно для сталей, применяемых в изделиях теплоэнергетического оборудования химической и нефтеперерабатывающей промышленности, рабо тающего обычно при температурах 500-650 °С, а также учитывается при на значении высокого отпуска сварных соединений.
Диффузия по границам зёрен О, г идет гораздо активнее, чем по телу зёр на (обычно 0 З Гв 2 раза меньше, чем Q объемная). Это связано с большой плот ностью несовершенств кристаллического строения по границам зерна. Сосре доточение по границам зерна таких примесей, как С, Н, S, определяет значи тельное изменение свойств металла этих зон, что особенно важно для крупно зернистого металла шва и околошовной зоны.
Большое влияние на процесс диффузии углерода оказывают легирую щие элементы, повышающие или уменьшающие коэффициент диффузии D
(рис. 5.1). Скорость диффузии зависит от температуры по степенному закону (рис. 5.2).
Рассмотренные выше закономерности диффузии относились к случаю пе ремещения атомов г однородном твердом растворе при наличии градиента их концентрации (когда А и Б неограниченно растворимы друг в друге). При свар ке таких металлов в твердом состоянии распределение концентраций элемента
А после нагрева в течение времени X будет описываться кривой 1, а распреде ление концентраций элемента Б - кривой 2 (рис. 5.3).
]}106усм2/ с
в
6
4
2
0 |
1 2 |
3 4 - 5 |
am'/. |
|
|
|
Р ис. 5.1. Влияние |
легирования F e -a |
Рис. 5.2. Зависимость коэф ф ици |
||||
|
|
|
||||
на коэффициент диф ф узии углерода |
ента |
диф ф узии углерода в |
F e -a |
|||
|
при температуре 700 °С |
|
|
от температуры |
|
|
При увеличении времени |
выдержки |
при |
этой температуре |
до т' > т |
произойдет увеличение глубины взаимодиффузии, распределение концентра ций элементов А и Б в зоне сварки вблизи первоначальной границы раздела
0 - 0 будет характеризоваться кривыми Г и 2' соответственно.
Обе кривые распределения симметричны, если скорость диффузии А в Б равна скорости диффузии Б в А. Реально же эти скорости могут быть различ
ными (чаще всего), и симметрия в расположении кривых 1 ,2 |
и Г, |
2' относи |
|||||||||
|
|
|
|
тельно плоскости раздела может быть |
|||||||
|
А |
|
|
нарушена. |
|
|
|
|
|||
|
б |
В |
соответствии с |
этим |
плоскость |
||||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
0-0, |
соответствующая |
максимальной |
|||||
£ |
() |
|
|
концентрации компонентов А |
и Б, сме |
||||||
N . |
|
|
|
стится |
|
относительно |
первоначальной |
||||
|
2 |
|
2 ' |
|
|||||||
|
|
границы раздела в сторону металла, ско |
|||||||||
|
|
|
|
||||||||
%Расл78орS c \S r a c m 6 o p |
рость диффузии которого больше. |
Это |
|||||||||
явление носит название эффекта Киркен- |
|||||||||||
| |
E S A |
|
|
||||||||
|
|
далла. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
О |
|
|
Однако в этих же условиях (нера |
|||||||
Рис. 5.3. Распределение концентра |
венство |
парциальных |
коэффициентов |
||||||||
ции |
диф ф ундирую щ его |
в |
сварных |
диффузии) |
граница раздела |
может |
ос |
||||
соединениях металлов с |
неограни |
таться |
на |
старом месте, |
но в |
металле, |
|||||
|
|
|
|
ченной взаимной растворимостью
скорость диффузии атомов которого вы
ше, чем скорость диффузии в него другого металла, может образоваться так называемая диффузионная пористость. Это явление называют эффектом Френкеля.
Оба эти явления экспериментально установлены достаточно давно при отжиге приведенных в контакт пластин разнородных металлов.
В условиях же сварки давлением при высоких температурах эффект Френкеля обычно не наблюдается из-за параллельно идущего зарастания пор под действием сжимающего давления сварки.
Однако, если после сварки проводится дополнительная высокотемпера турная термообработка, возможности образования диффузионной пористости необходимо иметь в виду.
5.3. Влияние на диффузию термодинамической
активности элемента
Для сварных соединений характерен еще один вид диффузии, когда процесс перемещения в растворе какого-либо элемента происходит не в связи с разностью его концентраций в растворе, а в связи с разницей его термодина мической активности (например, диффузия углерода на границе сварки легиро ванной и нелегированной стали или разнолегированных сталей).
При исследованиях было установлено, что если сварное соединение со стоит из сталей с различным содержанием легирующих элементов, то незави симо от содержания в этих сталях углерода направление его перемещения оп ределяется разницей в легированности контактирующих сталей. Перемещение Углерода при этом может происходить даже из стали с меньшей его концентра цией в ту сталь, где и так содержание углерода выше. Такая диффузия называ ется восходящей.
Объясняется это следующим образом. Если у атомов легирующего эле мента силы связи с атомами углерода меньше, чем у атомов железа, то атомы Углерода отталкиваются от атомов такого элемента и стремятся попасть в ок ружение только атомов железа. Таким элементом является, например, кремний.
Следовательно, данный легирующий элемент увеличивает термодинами ческую активность атомов углерода к перемещению его в участки, не содер жащие атомов этого легирующего элемента. К таким элементам в сталях отно сятся кремний, кобальт, никель.
Если же в растворе а- или y-Fe имеются атомы легирующего элемента с сродством к углероду большим, чем железо, то углерод будет стремиться за крепиться у этих атомов и его активность к перемещению понизится. Понижа е т термодинамическую активность углерода в железе атомы карбидообразуюЧщх элементов: Mn, Сг, Mo, W, V, Ti и др.
Количество вещества М, перемещающееся в связи с разностью его тер модинамической активности в различных участках твердого раствора, опреде ляется выражением
do.
М = D a — (другая редакция I закона Фика), cbc
где da/dx - градиент термодинамической активности.
По показателю термодинамической активности углерода в а- или у- растворе сваренных сталей можно судить о склонности сварного соединения
к образованию МХН на границе раздела в связи с тиффузией углерода из ста ли с большей активностью углерода в сталь с меньшей его активностью.
Коэффициент, определяющий активность перемещения углерода на гра
нице легированной и нелегированной стали,определяется следующим образом:
( л ^ |
|
|
GQ, |
N с, |
|
\С1с) |
||
|
где Nc - атмосферная доля легирующего элемента; алс и ас - активности углеро да в растворах легированной и нелегированной сталей.
Остановимся на различии термодинамической активности углерода в
феррите и аустените как легированных, так и нелегированных сталей.
В a-Fe углерод энергетически закреплен слабее, чем в y-Fe, и поэтому
его активность в феррите намного выше, чем в аустените (а растворимость со ответственно наоборот).
Поэтому если при какой-либо температуре существуют ферритные и ау стенитные участки (зерна, поверхности), а это, в частности, может быть при на греве в интервале АС{ - АСз, то углерод будет перемещаться из феррита в ау
стенит до установления равновесной концентрации при данной температуре:
|
СсА |
|
|
|
с = к ■ясА |
|
|
|
ас |
|
|
где |
СА и Ссф - концентрация углерода в аустените и феррите соответственно; |
||
К - |
коэффициент пропорциональности; а А и я ф |
- активность углерода в ау |
|
стените и феррите соответственно. |
|
|
|
|
В заключение, оценивая влияние диффузионных |
процессов на строение |
|
и свойства сварных соединений, следует отметить |
их |
роль как в формирова |
нии, так и устранении МХН, в протекании рекристаллизации, высокотемпера турной пластической деформации — ползучести, в проникновении водорода в зону сварного шва.
В свою очередь, и сама диффузия зависит от плотности несовершенств кристаллического строения, ускоряется при пластической деформации, в ходе рекристаллизации, зависит от величины и знака внутренних напряжений.
6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
6.1. Назначение термообработки
Статистические данные свидетельствуют о большой вероятности экс плуатационных разрушений конструкций, термически необработанных после сварки.
Термическая обработка положительно влияет на надежность сварных конструкций, так как позволяет снять в большинстве случаев отрицательные последствия от воздействия сварки, особенно при нарушении оптимального режима.
Ее эффект определяется выравниванием структуры различных зон свар ного соединения, снятием наклепа и эффекта деформационного старения в зо нах концентрации напряжений, устранением хрупких закалочных структур в ОЩЗ и шве, снижением общей напряжённости изделия за счет снятия полей остаточных напряжений и т.п.
Включение операции термической обработки в общий цикл изготовления сварной конструкции позволяет резко снизить вероятность образования и раз вития различного рода технологических дефектов и, прежде всего, холодных трещин при сварке закаливающихся сталей. В условиях проведения этой операции непосредственно после сварки закаливающихся сталей с подогревом без охлаждения изделия могут быть снижены требования к предельному со держанию водорода в присадочных материалах.
При назначении термической обработки сварных конструкций необходи мо учитывать основные факторы, определяющие свариваемость сталей и свойства сварных соединений.
Требования к режиму термической обработки зависят от легирования и способа выплавки стали, метода сварки и легирования шва, способов и объёма контроля изделия, условий работы и ряда других условий.
Термическая обработка является трудоёмкой операцией и заметно повы шает стоимость конструкций. Для крупных узлов стоимость термической об работки составляет 25-28 % от общей стоимости сварочных работ. Поэтому термическая обработка должна назначаться только в тех случаях, когда уста новлено, что работоспособность и надёжность конструкции, не прошедшей
термическую обработку после сварки, не обеспечивается другими средствами
и что применение термической обработки даёт положительный результат.
Не следует назначать термическую обработку для конструкций, давно и успеш но эксплуатируемых в аналогичных условиях, или для вновь проектируемых конструкций, имеющих прототип, подтверждающий надёжность их эксплуата ции без проведения термической обработки.
Общая классификация факторов, определяющих назначение термической обработки сварных конструкций, приведена на рис. 6.1.
В этой схеме под конструкциями общего назначения понимается широкая группа сварных узлов, которые используются в строительстве, машинострое нии и других отраслях народного хозяйства, эксплуатируются в условиях кли матического диапазона температур ±60 °С и не подвергаются воздействию аг рессивной среды. Их термическая обработка может проводиться для сохране ния стабильности размеров изделия и для повышения хрупкой и усталостной прочности.
Для строительных конструкций характерны сравнительно низкие требо вания к точности и малый объем или полное отсутствие механической обработ ки после сварки. Они изготовляются из низкоуглеродистых и низколегирован ных сталей умеренной прочности, сравнительно малочувствительных к воз действию термодеформационного цикла сварки (ТДЦС).
В связи с тенденцией повышения прочности строительных конструкций предъявляются повышенные требования к свариваемости строительных сталей, обеспечивающие проведение сварочных работ без подогрева.
В большинстве случаев такого рода конструкции успешно эксплуатиру ются в исходном состоянии после сварки. Лишь при сочетании ряда неблаго приятных факторов - низкой температуры, большой толщины и повышенной прочности сталей, наличия разных концентраторов напряжений, с работой из делия в условиях значительных вибрационных и ударных нагрузок возникает необходимость в термической обработке. Но и тогда такая обработка использу ется лишь для отдельных наиболее напряженных узлов.
Особенностями машиностроительных конструкций являются разнооб разный характер нагрузок и механическая обработка значительной части по верхности при высоких требованиях к точности и чистоте.
Они изготовляются из сталей широкой номенклатуры - от низкоуглеро дистых до среднелегированных, высокой прочности и пониженной сваривае мости с использованием разнообразных методов - от дуговых до ЭЛС и ЭШС.