2. Материалы сварных конструкций

2.1. Влияние химического состава на свариваемость стали

Свариваемостью называют способность металлов образовывать сварные соединения без трещин и прочих дефектов, имеющие механические и физико-химические свойства, близкие к свойствам основного металла. Свариваемость определяется главным образом склонностью сварных соединений к возникновению трещин.

Зона сварки подвергается сильному и неравномерному разогреву. Температура изменяется от температуры расплавленного металла до температуры окружающей среды в сравнительно узком диапазоне, как по длине, так и ширине деталей (градиент температуры — сотни и даже тысячи градусов на миллиметр). Последующее охлаждение зоны сварки происходит очень быстро за счет высокой теплопроводности металлов.

Перепады температуры в зоне сварки вызывают неравномерное тепловое расширение одних участков и сжатие других, что приводит к значительным внутренним напряжениям и, как следствие — к деформации деталей и образованию трещин. Различают трещины горячие, возникающие при температуре близкой к температуре кристаллизации, и холодные, появляющиеся при более низкой температуре.

Горячие трещины возникают чаще всего по границам зерен в наплавленном металле. Образование горячих трещин можно предотвратить правильным подбором электродов и химического состава сплавов, а также проектированием технологичных конструкций [5]. В частности, наличие серы в стали резко увеличивает склонность ; к горячим трещинам, так .как в процессе кристаллизации межкристаллические границы заполняются прослойками сульфидов(FeS, MnS).

Холодные трещины вызывают внутрикристаллическое разрушение, наиболее часто они образуются в околошовной зоне.

У сплавов с высокой пластичностью внутренние напряжения вызывают локальную пластическую деформацию, но при этом разрушение не происходит. Хрупкие же материалы такой деформации не выдерживают, и в них возникают трещины.

Для предотвращения трещин необходимо в сварных изделиях применять высокопластичные материалы, например, малоуглеродистые стали. Стали с повышенным содержанием углерода, а также легированные стали, обладают пониженной пластичностью, что ухудшает их свариваемость. Кроме того, стали с повышенным содержанием углерода и легирующих элементов (Сr, Мо, V, W, Мn) при быстром охлаждении способны подвергаться закалке, что приводит к резкому повышению твердости и хрупкости в зоне сварного шва. Чем выше содержание углерода и легирующих элементов, тем эта склонность выше.

Улучшить свариваемость стали можно применением подогрева деталей перед сваркой. Подогрев повышает пластичность стали, а также уменьшает перепад температуры и скорость охлаждения в зоне сварки, поэтому закалка стали «е наблюдается. Положительный эффект оказывает также термическая обработка после сварки (отпуск или отжиг), заключающаяся в нагреве до температуры 600 ... 900° С и медленном охлаждении. После термообработки внутренние напряжения в сварных изделиях существенно снижаются, а микроструктура становится более равномерной.

Влияние легирующих элементов на свариваемость стали неоднозначно. Большинство из них свариваемость ухудшает (Сr, Mo, W, V и др.). Некоторые элементы повышают пластичность стали и тем самым не ухудшают свариваемость, но могут повысить склонность к горячим трещинам. Марганец и кремний в небольших количествах способствуют хорошему раскислению стали и не затрудняют сварку, однако содержание их более 1 % снижает свариваемость, вследствие повышения вероятности закалки стали и образования хрупких оксидов.

Вредные примеси (фосфор, сера, кислород, азот, водород), находящиеся даже в небольших количествах, значительно снижают свариваемость стали.