- •Федеральное агентство по образованию
- •Научный редактор Кащук м.Г.
- •Предисловие
- •Введение
- •Условные обозначения
- •Рдс – ручная дуговая сварка штучными электродами;
- •Оцк – объемно-центрированная кристаллическая решетка;
- •Мхн – микрохимическая неоднородность.
- •1. Классификация сталей и сплавов
- •1. По химическому составу:
- •2. По назначению в зависимости от основных свойств:
- •3. По системе легирования:
- •5. По системе упрочнения твердого раствора:
- •2. Особенности работы сварных конструкций из специальных сталей и сплавов
- •3. Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке
- •3.1. Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие при нагреве
- •3.2. Влияние легирующих элементов на превращения аустенита при охлаждении
- •3.3. Влияние легирующих элементов на структурные превращения при сварке
- •3.4. Влияние легирующих элементов на физические свойства сталей
- •3.5. Влияние легирующих элементов на плавление и кристаллизацию металлов и сплавов
- •3.5.1. Особенности кристаллизации сварочной ванны
- •3.6. Химическая неоднородность сварного соединения
- •3.7. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва
- •4. Свариваемость легированных сталей
- •4.1. Горячие трещины в сварных соединениях
- •4.1.1. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин
- •4.2. Холодные трещины в сварных соединениях
- •4.2.1. Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей холодным трещинам
- •4.3. Ламелярные трещины
- •4.4. Трещины повторного нагрева
- •4.5. Хрупкие разрушения
- •4.6. Термическая обработка сварных соединений
- •5. Сварка жаропрочных перлитных сталей
- •5.1. Трудности при сварке жаропрочных перлитных сталей
- •5.2. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •5.3. Термическая обработка сварных соединений
- •Режим отпуска сварных соединений, выполненных дуговой сваркой
- •6. Сварка хромистых сталей
- •6.1. Общие рекомендации по сварке хромистых сталей
- •6.2. Сварка мартенситных сталей
- •4. Термообработка после сварки (табл. 12).
- •Тепловой режим сварки мартенситных сталей
- •6.2.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •6.3. Сварка мартенситно-ферритных сталей
- •6.3.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •6.4. Сварка ферритных сталей
- •6.4.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
- •7. Сварка аустенитных хромоникелевых сталей
- •Химический состав коррозионно-стойких сталей
- •Химических состав некоторых жаропрочных сталей
- •7.1. Трудности при сварке хромоникелевых сталей
- •4. Поры в наплавленном металле.
- •7.1.1. Трещины в сварных соединениях
- •7.1.2. Межкристаллитная коррозия сварных соединений
- •7.1.3. Охрупчивание металла сварного соединения при эксплуатации
- •7.1.4. Поры в наплавленном металле
- •7.2. Общие рекомендации по сварке аустенитных сталей
- •7.3. Технология сварки
- •7.4. Термическая обработка
- •8. Сварка разнородных сталей
- •8.1. Образование и строение зоны сплавления
- •8.2. Образование диффузионных прослоек в зоне сплавления
- •8.3. Дефекты сварных соединений
- •8.4. Рекомендации по сварке разнородных сталей
- •9. Сварка сплавов на никелевой основе
- •9.1. Трудности при сварке никелевых сплавов
- •Химическая неоднородность металла шва
- •9.2. Технология сварки и свойства соединений
- •Приложения
- •Перечень лабораторных и практических работ
- •Темы индивидуальных докладов
- •Условное обозначение элементов в марках сталей
- •Список использованной и рекомендуемой литературы Основная литература
- •Дополнительная литература
- •Введение ……………………………………………………………... 4
7.1. Трудности при сварке хромоникелевых сталей
Основными факторами, ухудшающими свариваемость аустенитных сталей, являются:
1. Низкая стойкость сварного соединения к образованию трещин.
2. Возможная потеря коррозионной стойкости металла.
3. Охрупчивание при эксплуатации.
4. Поры в наплавленном металле.
7.1.1. Трещины в сварных соединениях
Различают три вида трещин, образующихся при сварке аустенитных сталей: кристаллизационные, подсолидусные и холодные.
Первые два вида объединяют названием горячие трещины (ГТ). Повышенная склонность металла шва к ГТ обусловлена:
А. Высоким коэффициентом теплового расширения, малой теплопроводностью и высокой релаксационной стойкостью при высоких температурах. Это приводит к высокому уровню напряжений и деформаций при сварке, отпуске и эксплуатации в условиях теплосмен.
Б. Крупнокристаллической (транскристаллитной) столбчатой первичной структурой с сильно выраженной ликвационной неоднородностью по Сг, Ni, Nb, В, С и др.
В результате ликвации образуются легкоплавкие карбидные, боридные фазы в тройных стенках зерен и по траекториям срастания кристаллитов, препятствующие миграции границ зерен в более равновесные положения. При этом металл шва имеет малую пластичность в интервале ТИХ, которая может быть исчерпана в результате усадки шва и перемещения свариваемых заготовок.
Так возникает первый тип горячих трещин кристаллизационного типа, зарождающихся в остаточных пленочных выделениях жидкой фазы при Т до 1250...1200 °С.
Второй тип горячих трещин (подсолидусные) возникает в твердой фазе при 1200...1000 °С в результате межзеренного характера высокотемпературной сварочной деформации. Она стимулирует выход дислокаций и примесных атомов на границы зерен и создает ступеньки, раскрывающиеся при межзеренной деформации в результате притока вакансий и сегрегации примесных атомов в микротрещины.
Третий тип горячих трещин – ликвационные горячие трещины, образующиеся в ЗТВ по строчечным выделениям сегрегатов и примесей, а в металле шва предыдущего прохода при многослойности сварки – по ликвационным прослойкам.
Так, сульфидная эвтектика Ni3S + Ni имеет Тпл = 645 °С, а эвтектики системы Ni – Nb – Тпл = 1270 °С. Применение аустенитных сталей, подвергнутых ЭШП и хорошо очищенных от вредных примесей, позволяет избежать этих трещин.
Трещины при послесварочной термообработке жестких сварных узлов, имеющих концентраторы напряжений (непровары, подрезы, трещины и т. п.), из сталей, содержащих карбидообразующие элементы (Ti, Nb, Mo), на этапе нагрева в интервале 650...800 °С могут образоваться в результате:
– сосредоточения деформаций металла у концентраторов напряжений;
– необратимых изменений в ЗТВ (рост зерен, формирование плоских карбидов по границам) и дисперсионного твердения при термообработке.
Избежать появления трещин в сварных соединениях аустенитных сталей возможно путем:
введения второй фазы при условии выделения ее непосредственно в процессе кристаллизации;
дополнительного легирования некоторыми легирующими элементами;
измельчения первичной структуры за счет легирования элементами-модификаторами;
повышения чистоты металла по вредным примесям, способствующим образованию легкоплавких фаз;
технологических приемов.
Вводя в металл шва вторую фазу, добиваются разрушения его транскристаллитного строения и измельчения первичной структуры. При этом общая протяженность границ между кристаллами растет и легкоплавкие эвтектики становятся разобщенными.
Вместе с этим, тормозится и перемещение несовершенств кристаллической структуры, что препятствует возникновению подсолидусных трещин.
Чаще всего второй фазой служит первичный феррит, создающий 2-х фазную аустенитно-ферритную структуру металла шва.
Наличие первичного феррита измельчает структуру металла, уменьшает концентрацию Si, Р, S и других примесей в межкристаллитных прослойках за счет большей растворимости этих элементов в феррите. Этим повышается чистота границ кристаллитов и уменьшается опасность образования легкоплавких эвтектик.
Современные исследования показали, что для придания металлу достаточной стойкости к образованию кристаллизационных трещин нужно иметь в аустенитном шве 2...5 % первичного феррита.
Если феррита больше, опасность появления горячих трещин уменьшается, но при работе такого металла в области высоких температур может происходить его охрупчивание, связанное с переходом феррита в хрупкую –фазу, залегающую по границам зерен аустенита. При работе в агрессивных средах Т < 400 °С допускается до 25 % феррита.
Чтобы получить 2-х фазное строение в наплавленный металл вводят элементы-ферритизаторы (Cr, Mo, Si, Ti, Nb, Zr, V, A1 и др.) и уменьшают или ограничивают содержание аустенизаторов (С, Mn, N, Си, Со). Для этого используют известную диаграмму Шеффлера, т. е. вычисляют Niэ и Сгэ, и по диаграмме определяют структуру металла шва.
Если нужно сохранить чисто аустенитную структуру, то способом повышения стойкости металла шва к образованию трещин является дополнительное легирование такими элементами, как Mo, W, Nb, N. Считают, что эти элементы, имея повышенную энергию активации, снижают диффузионную подвижность атомов в аустените и подавляют возникновение зародышей подсолидусных трещин.
Измельчение структуры однофазных швов можно обеспечить и воздействием на сварочную ванну ультразвуковых или механических колебаний частотой 20...30 КГц, а также введением элементов-модификаторов (Sr, Ge, Ti, В и др.) или азота, который является сильным аустенизатором и также способствует измельчению структуры за счет увеличения центров кристаллизации в виде тугоплавких нитридов. Это повышает стойкость сварных швов против ГТ.
Повысить стойкость аустенитных швов к трещинам можно и технологическими приемами, снижающими темп нарастания внутренних деформаций, особенно в ТИХ. Большое значение приобретает при этом форма сварочной ванны, определяющая направление роста осей кристаллитов и ориентацию их границ по отношению к оси шва.
В узкой, глубокой и удлиненной сварочной ванне (большая скорость сварки) кристаллиты растут наиболее неблагоприятно – навстречу друг другу с образованием зоны сплавления в центре шва. Формируемый в этом случае шов обладает низкой технологической прочностью, так как его деформационная способность в ТИХ существенно снижается. Следует отметить, что проблема получения чисто аустенитных швов, стойких к образованию трещин, полностью пока еще не решена.