Об’єм металу, в якому відбувається кристалізація під час зварювання, називається металом шва. Склад металу шва може збігатися зі складом зварюваного металу або суттєво змінюватися залежно від виду зварювання, марки сталі та вимог до зварного з’єднання.
Якщо зварне з’єднання виконано за один прохід, то в металі шва наявні стовпчасті дендрити. Механічні властивості металу шва залежать від швидкості охолодження. Прискорене охолодження, завдяки збільшенню перлітної складової і більш тонкій будові перліту, приводить до зростання механічних характеристик металу і зменшення його пластичності.
Іноді під час перегріву металу спостерігається поява у шві так званої відманштеттової структури. У цьому випадку ферит виділяється не по границях зерен, а по їх кристалографічних площинах у вигляді різних прошарків, які паралельні один одному або утворюють між собою певні кути. Така структура характеризується гіршими механічними властивостями, зокрема низькою ударною в’язкістю.
Структура литого металу з грубою стовпчастою будовою характерна для одношарових швів. Виконання швів у декілька проходів або шарів суттєво впливає на структуру і властивості металу в цілому. Пояснюється це тим, що накладання кожного наступного валика справляє повторний тепловий вплив на нижній валик, завдяки чому структура нижніх шарів значно покращується, стає дрібнозернистою, груба стовпчастість зникає. Верхній валик зберігає литу структуру, але його властивості все ж таки дещо покращуються.
Різні зони зварних з’єднань нагріваються в широкому інтервалі температур, що визначає різницю процесів охолодження і відмінності в кінцевих властивостях металу різних ділянок ЗТВ. В основі перетворень, що відбуваються під час охолодження зварних з’єднань, лежать явища, які розглядаються теорією термічної обробки. Загальні закономірності перетворення аустеніту під час охолодження дозволяють оцінити процеси, що відбуваються після зварювання.
Аустеніт у ЗТВ сталі менш стійкий, ніж аустеніт тієї самої сталі, яка зазнала більш тривалого нагрівання в печі при термічній обробці. Зменшення стійкості аустеніту в різних зонах зварного з’єднання впливає на кінетичне перетворення аустеніту при охолодженні після зварювання. У порівнянні з розпадом гомогенного аустеніту, негомогенний у зварному з’єднанні розпадається при більш високій температурі та меншому часі інкубаційного періоду для кожної температури. На термокінетичній діаграмі перетворення аустеніту це переміщує основні лінії в області утворення феритно-цементитної суміші вверх та вліво.
Таким чином, аустеніт у ділянці сильного перегріву та росту зерна набуває підвищеної стійкості, а в усіх інших ділянках, розташованих далі від кромок, має знижену стійкість. Тому аустеніт ділянки росту зерен повинен розпадатися при більш низьких температурах та давати менш рівноважні продукти розпаду, а в більш віддалених ділянках – розпадатися у верхньому інтервалі температур та давати більш рівноважні, укрупнені феритно-перлітні або феритно-цементитні продукти. Чим далі від зварних кромок знаходиться нагріта зона, тим вищою є температура, при якій повинен відбуватися розпад аустеніту. Відповідно до цього термокінетичні діаграми розпаду аустеніту біля різних зон зварного з’єднання будуть різними.
Температура розпаду аустеніту в тій чи іншій зоні зварного з’єднання, характер та властивості продуктів розпаду, крім розглянутого, залежать від хімічного складу сталі та швидкості охолодження після зварювання. Для процесу розпаду аустеніту має значення величина швидкості охолодження в інтервалі температур його найменшої стійкості. Тому звичайно оцінюють швидкість охолодження в межах температур 500…600 ○С, і вона залежить від багатьох факторів: погонної енергії і температури при зварюванні, товщини зварюваного металу та ін.
Усі теплові параметри ЗТВ під час зварювання можна встановити експериментально–осцилографуванням показань термопар, розміщених у різних зонах зварного з’єднання, або визначити розрахунковими методиками. Швидкості охолодження при зварюванні в залежності від перелічених факторів змінюються в дуже широких межах – від 0,25 до 60 ○С/с при 550 ○С і від 0,8 до 240 ○С/с при 900 ○С.
Аустеніт ділянки значного перегріву і росту зерен повинен розпадатися за більш низької температури, а аустеніт інших ділянок з концентраційною неоднорідністю вуглецю – за більш високих температур. При малих швидкостях охолодження це може приводити до утворення сорбітоподібної структури безпосередньо біля зварних кромок, а феритно-перлітної – у більш віддалених зонах (зерна тим крупніші, чим далі від шва). При збільшенні швидкості охолодження та відповідному складі зварюваної сталі аустеніт ділянки перегріву може переходити до температури М п і перейти в мартенсит.
Утворення бейнітних структур у цій ділянці малоймовірне при неперервному охолодженні внаслідок нестачі часу для перебігу в перегрітому гомогенному аустеніті підготовчих дифузійних процесів диференціації аустеніту за вмістом вуглецю. У той же час ділянки, розміщені далі від шва, мають негомогенний аустеніт з тією самою неоднорідністю розподілу вуглецю, яка є відображенням перлітної будови і потрібна для бейнітного перетворення. Тому ці зони при підвищених швидкостях охолодження мають підвищену схильність до бейнітного і меншу до мартенситного перетворення. Ця схильність тим більша, чим ближча негомогенність аустеніту до тієї, яка потрібна для бейнітного перетворення. Таким чином, найбільш схильними до утворення бейніту є зони, нагріті з великою швидкістю та значним перегрівом (вище від Ас 3), та особливо зони, що були нагріті до інтервалу А 3 … А 1.
Указана обставина є причиною того, що в зонах зварних з’єднань вуглецевих нелегованих доевтектоїдних або низьколегованих сталей може бути бейніт, у той час як при термообробці цих же сталей з неперервним охолодженням отримання бейніту малоймовірне. У зв’язку зі збільшенням схильності розглянутих зон до бейнітного перетворення в них зменшується можливість переохолодження аустеніту до температури М п. У тому ж випадку, коли склад сталі і швидкість охолодження дозволяють переохолодити негомогенний аустеніт до мартенситного перетворення, температура буде підвищеною у зв’язку з наявністю в аустеніті збіднених вуглецем ділянок. Мартенсит у цьому випадку також неоднорідний за вмістом вуглецю і твердістю.
Необхідно зазначити і те, що вказані закономірності розпаду негомогенного аустеніту в зонах теплового впливу належать до найбільш частих випадків зварювання доевтектоїдних сталей з диференційованою феритно-перлітною структурою. Якщо ж зварюванню піддають загартовану та відпущену сталь, то в ній аустеніт навіть при швидкому нагріванні буде більш гомогенним і всі закономірності його розпаду наблизяться до закономірностей розпаду аустеніту при термічній обробці з нагрівом у печах.
Значна ділянка зварних з’єднань нагрівається в інтервалі температур нижче від А 1. Залежно від складу сталі, тривалості та температури нагрівання в сталях можуть відбуватися декілька процесів:
1. При найбільш високих температурах, близьких до А 1, в результаті прискореної дифузії вуглецю у Feα може відбуватися коагуляція карбідів з утворенням укрупнених карбідних виділень та феритних полів.
2. При такому ж високому нагріванні в α-твердий розчин переходить максимальна кількість вуглецю – близько 0,02 %, яка у випадку прискореного охолодження буде зафіксована у вигляді пересиченого твердого розчину, здатного з плином часу розпадатися через зменшення розчинності (лінія PQ на діаграмі "залізо–цементит"). Розпад твердого розчину та виділення дисперсних карбідів можуть суттєво змінити властивості цієї зони – знизити її в’язкість та підвищити крихкість.
3. У ділянках, що нагріваються до температури 500 °С, в умовах повільного охолодження після зварювання (охолодження в теплоізоляції, високі погонні енергії зварювання та ін.) можуть розвинутися процеси відпускної крихкості з відповідною зміною властивостей.
При зварюванні термічно поліпшуваної сталі, що пройшла гартування та високий відпуск, розглянуті процеси повинні впливати на властивості зварного з’єднання більш суттєво, ніж при зварюванні нормалізованої або гарячекатаної сталі. Пов’язано це з тим, що, з одного боку, коагуляція дрібних карбідів сорбітної структури в зоні, найбільш близькій до А 1, інтенсивніше зменшує міцність, ніж коагуляція вже укрупнених карбідів перліту нормалізованої сталі. З іншого боку, розчинення у фериті дрібних карбідів з великою сумарною поверхнею також відбудеться швидше, що визначить більшу ймовірність утворення пересиченого вуглецем фериту та можливість старіння і зміни властивостей за рахунок дисперсної фази в майбутньому.
Перебіг кожного з зазначених процесів у зонах зварних з’єднань, що нагріваються нижче від температури А 1, ступінь їх розвитку та впливу на властивості залежать від ряду факторів: швидкості нагрівання при зварюванні та охолодження після нього, тривалості перебування металу в кожному з розглянутих температурних інтервалів. Тому при різних технологіях зварювання всі ці процеси можуть розвиватися по-різному. При швидкому нагріванні роль їх зменшується, а при сповільненному – збільшується. У зв’язку з цим необхідно враховувати і вплив товщини зварюваного металу, і роль зварювального струму та швидкості зварювання (погонної енергії), і роль підігріву, який у розглянутому випадку не завжди може бути корисним.
У зонах, що нагрівалися вище від температур А 1 і А 3, після охолодження можуть бути елементи нерівноважних структур – бейніту та мартенситу. У деяких випадках у легованих сталях може міститися залишковий аустеніт. У зв’язку з тим, що мартенсит і бейніт при значних кількостях і певній протяжності зони з такою структурою можуть виявитися шкідливими для працездатності зварних з’єднань, іноді застосовують термообробку зварних з’єднань (частіше за все – високий відпуск). Відпуск при більш низьких температурах доводиться іноді застосовувати для виробу після місцевого армування твердими сплавами.
При багатошаровому зварюванні теплота від накладання кожного наступного валика нагріває метал шва і зони теплового впливу попередніх валиків до температури, нижчої від А 1. У зв’язку з цим перетворення, що відбуваються в металі під час його нагрівання в межах температур відпуску, мають для формування структури і властивостей зварних з’єднань певне значення.
Відпуск загартованої сталі може включати в себе три основні процеси: розпад мартенситу, розпад залишкового аустеніту, коагуляцію карбідів.
Якщо в загартованій сталі був залишковий аустеніт, його розпад як нестабільної фази відбувається при нагріванні в інтервалі 200…300 °С. Продукти цього розпаду – мартенсит і карбіди – такі самі, як у разі відпуску мартенситу гартування при тій самій температурі. Розпад в'язкого залишкового аустеніту на мартенсит і карбіди є однією з причин уповільнення підвищення в'язкості сталі при відпуску на вказані температури.
При відпуску сталі можуть відбуватися процеси оборотної і необоротної відпускної крихкості. Необоротна відпускна крихкість розвивається при нагріванні в інтервалах 250…400 і 450…550 °С та не усувається при швидкому охолоджуванні після відпуску. Оборотна відпускна крихкість розвивається при повільному охолоджуванні в інтервалі 450…575 °С після високого відпуску на 650…700 °С. На схильність до появи відпускної крихкості впливає хімічний склад, у вуглецевій сталі – підвищення вмісту фосфору і марганцю.
Розглянувши процеси, які відбуваються під час нагрівання та охолодження, можна оцінити стан металу в зонах теплового впливу при зварюванні плавленням. При зварюванні тиском без плавлення принципових відмінностей у стані металу в цих ділянках не буде, зменшиться тільки найбільш високотемпературна зона. Розміри окремих ділянок зони теплового впливу і ті перетворення, які в них відбуваються, в значній мірі залежать від умов зварювання: швидкості і тривалості нагрівання й охолоджування та складу сталі. Тому основні закономірності повинні в кожному окремому випадку коректуватися з урахуванням висловлених раніше міркувань про вплив швидкості нагрівання при зварюванні і швидкості охолоджування після зварювання.
Структурні і фазові перетворення в ЗТВ перш за все визначаються розподілом температур (див. рис. 15.1), який залежно від швидкості нагріву може характеризуватися різними значеннями градієнта.
Ділянка 1 примикає до лінії сплавлення. Утворюється в такому вигляді у зварних з’єднаннях сталей, в яких відбувається перитектичне перетворення. У загальному випадку в зоні сплавлення виникають границі двох типів – первинні і вторинні. Первинні границі утворюються в ЗТВ біля лінії сплавлення внаслідок утворення і кристалізації рідкої фази. При подальшому охолодженні виникають вторинні границі.
Ділянка 2 – крупнозерниста структура, що утворюється в результаті перегріву аустенітних зерен, особливо при зварюванні з термічними циклами, які характеризуються зниженою інтенсивністю нагрівання. У низьковуглецевих і низьколегованих сталях при повільному охолодженні утворюється феритно-перлітна структура відманштеттового типу з низькими механічними властивостями.
Ділянка 3 – процес нормалізації, для якого характерна відносно дрібнозерниста феритно-перлітна структура або менш рівноважні продукти розпаду (бейніт).
Ділянка 4 – неповна перекристалізація; характеризується феритно-перлітною структурою або бейнітом.
Ділянка 5 – відпуск; найбільш активні процеси диференціації фериту і цементиту та коагуляції карбідів. На цій ділянці при зварюванні металу після холодної обробки тиском відбувається рекристалізація зерен фериту.
Виконання швів за декілька проходів впливає на структуру і властивості ЗТВ. Повторний тепловий вплив подібно термічній обробці приводить до зникнення структури відманштеттового типу на ділянці перегріву, що покращує властивості зварних з’єднань у цілому.
