что такое разупрочнение сваркой

Формирование структуры металла в зоне термического влияния сварных соединений

Зона термического влияния является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки.

Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных изменений, которые происходят в ЗТВ. Строение и размеры ЗТВ зависят от химического состава и теплофизических свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты, степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке до 20 мм и более при электрошлаковой сварке.

Термический цикл любой точки металла сварного соединения характеризуется максимальной температурой нагрева, длительностью нагрева до определенной температуры и скоростью охлаждения. Для ЗТВ характерно неравномерное распределение максимальных температур нагрева (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура

Результат теплового воздействия на металл в ЗТВ зависит от его отношения к термообработке. В зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:

1) закалка – при быстром охлаждении – с образованием твердых и хрупких структур и возникающих при этом значительных по величине напряжений;

2) перегрев – при медленном охлаждении, – характеризующийся чрезмерным ростом зерна и снижением пластических и вязких свойств металла.

Оценить общий характер возможных превращений, протекающих в ЗТВ при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – по термокинети- ческим диаграммам распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и возникновением больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла. В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке.

На рис. 1.5 показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой стали за один проход.

Рис. 1.5. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали

Над сечением шва показана кривая температур, а рядом – часть диаграммы железо–цементит в том же масштабе. В зависимости от температуры нагрева в ЗТВ различают следующие участки:

Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей тем- пературу аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла.

Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.

Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке, прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необ- ходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке.

Об изменении прочностных и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно судить по изменению твердости (рис. 1.6).

Повышение твердости обычно связано с повышением прочности и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ может быть различным, он определяется химическим составом стали и режимом сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость в зоне сварки более НВ = 300 МПа.

Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.

Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих ее прокаливаемость и склонность к перегреву.

В сварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.

При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость. В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск.

Рис. 1.6. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность

В последние годы в строительстве возрос объем сварочных работ с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.

При сварке такой стали в зоне термического влияния может наблюдаться разупрочнение (рис. 1.7). Протяженность разупрочненной зоны («мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы.

Рис. 1.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл; св. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния

При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов может иметь как литую структуру, так и пластически деформированную. Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтому на практике почти не применяется.

Диаметр ядра, определяющий в основном прочность сварной точки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного расплавления металла, и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра, и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.

Кристаллизация жидкого металла происходит так же, как и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может служить повышение рабочего давления.

При сварке давлением также имеется ЗТВ, однако ее общие размеры относительно малы и не оказывают решающего влияния на прочность сварного соединения.

Практическую часть работы рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

Просмотров: 26259 Создан: 2012-10-18 Источник: Трубные технологии

Источник

Разупрочнение алюминия при сварке

При изготовлении сварных конструкций для всех алюминиевых сплавов возникает проблема получения равнопрочности сварных соединений и основного металла.

В сварных соединениях термически неупрочняемых сплавов системы А1— Mg наименьшую прочность имеет металл шва, она составляет обычно 0,85—0,95 прочности основного металла. Во многих случаях этого достаточно, чтобы не предпринимать до­полнительных мер с целью повысить прочность металла шва. Если листы перед сваркой нагартованы, то разупрочнение происходит также и в околошовной зоне. Равнопрочность всех зон сварного соединения и основного металла можно достигнуть прокаткой ро­ликами металла шва и околошовной зоны, а также путем увеличе­ния содержания магния в присадочной проволоке.

Значительно больше проблем возникает в случае необходимо­сти получения сварных соединений, однородных по химическим свойствам с основным металлом термически упрочняемых сплавов. Металл зоны сплавления и околошовной зоны при сварке терми­чески упрочненных алюминиевых сплавов подвергается термиче­ской обработке различных видов: закалке, отжигу, возврату. На рис. 1 приведена зависимость механических свойств сплава типа авиаль (системы А1— Mg — Si ) от температуры и продолжи­тельности выдержки. В зависимости от температуры и продолжи­тельности ее воздействия степень разупрочнения различна. В не­которых случаях прочность сварных соединений сплавов, типа авиаль, дуралюмин может составлять лишь 50% прочности основ­ного металла.

Рис. 1. Влияние различных термических циклов на механические свойства сплава САВ-1:

а, б — термические циклы; в — изменение механических свойств

На рис. 2 показаны изменения твердости в сварном соединении труб сплава типа авиаль в поперечном направлении. В зоне свар­ного шва, где температуры достаточно высоки, обычно происходит последующее естественное старение металла с повышением проч­ностных характеристик. В зоне отжига обычно не удается достиг­нуть повышения прочности до уровня основного металла без повторной закалки всего соединения. Однако закалка всего свар­ного соединения (конструкции) возможна далеко не всегда, так как такую операцию трудно выполнить на крупногабаритной конструкции, а также на любой конструкции, имеющей жестко заданные размеры и не имеющей припуска на механическую обра­ботку.

Рис. 2. Изменение твердости в сварном соединении труб из сплава типа авиаль (1-18 — номера точек измерения)

Следует отметить, что в тех многочисленных случаях (напри­мер, при сварке конструкций из сплавов авиаль, дуралюмин), когда для снижения склонности сварных швов к трещинообразонию приходится применять сварочную проволоку, отличающуюся по химическому составу от основного металла (например, значительно увеличивая в сварочной проволоке по сравнению с основ­ным металлом процент содержания кремния), получить металл шва, равнопрочный основному металлу, невозможно. Ожидаемое снижение прочности сварных соединений следует учитывать при назначении допустимых нагрузок на конструкцию.

Положительное влияние на уменьшение склонности к обра­зованию трещин оказывает применение присадки типа СвАК5. Из самозакаливающихся сплавов наибольшей стойкостью против образования кристаллизационных трещин обладают сплавы си­стемы А l — Zn — Mg с повышенным содержанием магния (6,5%) и небольшими добавками меди.

Повышения прочности сварных соединений сплава В95 дости­гают термической обработкой, однако не удается получить проч­ность сварных соединений выше 80% прочности основного металла при низком уровне пластичности.

Источник

Разупрочнение

Трещины повторного нагрева

С увеличением степени легированности свариваемых сталей, особенно химическими элементами, способствующими дисперсионному твердению, значительно возрастает вероятность образования трещин при повторном нагреве сварных соединений в процессе последующей термообработки, например, отпуска. Механизмы, ответственные за образование трещин термической обработки (ТТО) можно разделить на две группы в зависимости от их влияния на прямое и относительное разупрочнение границ зерен.

Прямое разупрочнение является следствием зерноограничительной сегрегации легирующих и примесных элементов, адсорбции газов, выделения хрупких фаз, появления в результате мартенситного превращения субмикроскопических или микроскопических зародышевых дефектов.

Относительное разупрочнение, являющееся в большинстве случаев основным фактором, проявляется в результате процесса дисперсионного твердения, вызванного выделением частиц термически стойких вторичных фаз. При выдержке, принятой в процессе термической обработки, дисперсионное твердение низко- и среднелегированных сталей проявляется в температурном интервале 500-600С, в котором отмечается появление ТТО, что вызвано в первую очередь образованием карбидов молибдена и ванадия.

Для анализа склонности сварных соединений к образованию трещин при повторном нагреве используются различные показатели, предложенные различными исследователями, например,

Для сталей с С 0 возрастает опасность появления ТТО.

Для сталей типа 15Г2НМ

CERL = 0,2Cu + 0,44S + P + 1,8 As + 1,9 Sn +2,7 Sb

C увеличением CERL возрастает опасность появления ТТО.

Для сталей типа 0,5Cr-Mo-V

R= P = 2,43As + 3,57Sn + 8,16 Sb

C увеличением R возрастает опасность появления ТТО.

Одним из важнейших показателей свариваемости термически упрочненных сталей является склонность к разупрочнению под действием термического цикла сварки. Явление разупрочнения закономерно для сталей с нестабильной структурой, потому, что структура термоупрочненной стали обладает большим запасом свободной энергии, чем равновесная феррито-карбидная фаза, образующаяся в условиях сварочного нагрева и охлаждения в ЗТВ сварных соединений при общепринятой технологии сварки. В зависимости от химического состава стали эффект разупрочнения проявляется в определенном интервале максимальных температур нагрева.

Исследования свидетельствуют о значительной разупрочняемости термоупрочненных сталей перлитного класса при сварке по общепринятой для нормализованных и горячекатаных сталей технологии. Термически упрочненные стали с бейнитной и бейнитно-мартенситной структурами в меньшей степени подвергаются разупрочнению. Это обстоятельство связано с воздействием отдельных легирующих элементов на решетку железа, искажение которой сопровождается повышением твердости и прочности металла. Степень повышения твердости металла зависит от условий охлаждения.

Разупрочнение является результатом проявления ряда процессов: коагуляции карбидов, изменения их состава, снижения плотности дислокаций и др.

Наряду с разупрочненными участками в ЗТВ наблюдается участок подкалки. Степень повышения твердости металла этого участка определяется химическим составом стали и термическим циклом сварки. В ряде случаев наличие участка подкалки может явиться причиной снижения конструктивной прочности сварных соединений.

В некоторых работах исследователей в этой области проанализированы два подхода к обеспечению равнопрочности сварных соединений. Первый основан на снижении w кр за счет легирования, изменения структурного состояния сталей, повышения степени гомогенизации аустенита. Второй основан на повышении w до w кр посредством принудительного сопутствующего охлаждения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

РАЗУПРОЧНЕНИЕ

Рис. 1. Изменение твёрдости алюминия, деформированного растяжением до 20%, со временем при различных температурах.

Легирующие элементы повышают темп-ру Р. Напр., предел текучести железа при нагреве после деформации прокаткой до 80% начинает снижаться уже при 200 °С, а введение в него 0,8% ниобия повышает темп-ру начала Р. до 600 °С.

Р. при нагреве после дисперсионного твердения (рис. 2) связано с нарушением сопряжения (когерентности) между кристаллич. решётками частиц выделяющейся фазы и основного твёрдого раствора, коагуляцией указанных частиц (увеличением ср. расстояния между ними), обеднением твёрдого раствора легирующими элементами и отдыхом или рекристаллизацией твёрдого раствора. При достаточно высоком нагреве Р. может быть обусловлено обратным растворением выделившихся частиц в твёрдом растворе. Уд. роль каждого из перечисленных процессов в Р. зависит от состава сплава и режима термич. обработки. Р. при нагреве облучённых материалов обусловлено перераспределением точечных дефектов, их частичной аннигиляцией, изменением взаимодействия с дислокациями, а также с перераспределением дислокаций, закреплённых точечными дефектами и образовавшихся в результате скоплений точечных дефектов. Р. может иметь место также непосредственно в процессе пластич. деформации в тех случаях, когда происходят поперечное скольжение и переползание дислокаций.

Лит.: Горелик С. С., Рекристаллизация металлов и сплавов, 2 изд., М., 1978; Рекристаллизация металлических материалов. Сб., под ред. Ф. Хесснера, пер. с англ.,М., 1982.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Разупрочнение металла при сварке иногда можно уменьшить повторной термообработкой сварного соединения, однако прием этот не всегда применим, дорог, а потому используется редко. [1]

Разупрочнение металла корпусов турбин из этой стали в процессе длительной эксплуатации заметно снижает трещиностойкрсть. [2]

Диагностируется недопустимое разупрочнение металла с помощью неразрушающих методов исследования микроструктуры и измерения твердости стали. Твердость металла измеряется с помощью переносных твердомеров на скобе. [5]

Степень разупрочнения металла в зоне сварки практически зависит не от режима сварки, а от величины проплавления свариваемых листов. В табл. 29 приведены значения минимальной прочности связующих роликовых соединений на статическое растяжение. С увеличением толщины листов наблюдается некоторое повышение прочности соединений. [6]

Упрочнение и последующее разупрочнение металла под действием циклического нагружения начинается с поверхности образца, причем процесс упрочнения поверхностных слоев после первых циклов нагружения замедляется и начинает распространяться в глубь металла. [7]

Для оценки степени температурного разупрочнения металла перемычек в работе даны соответствующие таблицы и эмпирические формулы, полученные по данным опубликованных источников. [9]

Горячая деформация характеризуется полным разупрочнением металла в результате рекристаллизации по всему объему деформируемой заготовки. Она осуществляется при температурах нагрева, превышающих температуру начала рекристаллизации в тем большей степени, чем выше скорость деформации. Металл имеет равноосную микроструктуру, без всяких следов упрочнения, но волокнистое его строение сохраняется. [10]

Удалось установить, что разупрочнение металла обусловлено высоким содержанием азота и углерода. Механизм нарушения прочности стали тщательно изучали по химическим анализам образцов металла, вырезанных послойно из различных участков печных труб, которые подвергались разрушениям. [12]

Источник