Оборудование, инструмент и материалы

Лабораторная работа № 7

Определение склонности свариваемого материала к закалке

В зоне термического влияния.

Цель работы

1. Изучить строение и свойства сварного соединения, полученного при электродуговой сварке.

2. Научиться определять связь между маркой стали и склонностью к закалке металла зоны термического влияния (околошовной зоны).

Основные теоретические положения

И методические указания

Сварка является одним из важнейших технологических процессов. Наибольшее распространение в судостроении и судоремонте получила электродуговая сварка.

Для того чтоб технически грамотно подходить к решению вопроса по сварочным работам, необходимо усвоить физические основы сварки, тщательно изучить строение и свойства сварных соединений, представлять причины возникновения в них дефектов.

Особое внимание следует обратить на склонность стали к закалке в околошовной зоне (ЗТВ), поскольку она является одной из основных причин появления трещин и ухудшения механических свойств сварных соединений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и (или) легирующих элементов.

Под влиянием сварки (нагрев в диапазоне 727…1000⁰С и быстрое охлаждение при отводе тепла в деталь) основной металл в ЗТВ претерпевает значительные фазовые и структурные изменения. Сущность этих изменений выясняется при сопоставлении кривой максимальных температур нагрева точек околошовной зоны с диаграммой структурных превращений основного металла и его микроструктуры (рис.6.1.).

Сварной шов получается в результате перевода присадочного металла электрода и частично основного металлов в жидкое состояние, образования жидкой ванночки и последующей ее кристаллизации (затвердевания) при охлаждении, в процессе которой происходит соединение сварного шва с основным (свариваемым материалом) в зоне собственно сварки. При сварке плавлением, независимо от способа сварки, структура наплавленного металла имеет дендритную структуру – зерна столбчатой формы, направленные перпендикулярно к зоне собственно сварки.

Зерна, образующиеся в этой узкой зоне — зоне собственно сварки - в равной мере принадлежащие основному и наплавленному металлу. Именно они обес­печивают характерную для сварных соединений межатомную связь между сва­риваемыми элементами конструкции.

За зоной собственно сварки располагается основной металла, который на­гревается до высоких температур без изменения первоначального химического состава - т.е. происходит его термообработка и сильное изменение структуры. Эта зона получила название зоны термического влияния (ЗТВ).

Рис. 6.1. Схема строения зон и участков ЗТВ сварного соединения при электроду­говой сварке низкоуглеродистой корпусной стали: 1 - участок перегрева, 2 - уча­сток полной перекристаллизации (нормализации), 3 - участок неполной перекри­сталлизации, 4 - участок рекристаллизации

Участок 1 зоны термического влияния нагревается при сварке до темпера­туры, близкой к температуре плавления. Его называют участком перегрева. Он имеет крупнозернистую ферритно-игольчатую (Видманштеттову) структуру, обладает наибольшей хрупкостью и поэтому является самым слабым местом сварного соединения.

На 2-ом участке ЗТВ температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается полная нормализация стали, в результате которой структура оказывается мелкозернистой. Металл на этом участке имеет повышенные механиче­ские свойства по сравнению с основным металлом.

На 3-ем участке ЗТВ, температура которого лежит между критическими точками A₁ и А_з, происходит неполная перекристаллизация стали - наряду с крупными зернами феррита, которые не подверглись перекристаллизации, об­разуются новые, мелкие зерна феррита и перлита.

4-й участок ЗТВ присутствует только в сталях, которые подвергались хо­лодной пластической деформации - на нем материал несколько разупрочняется из-за рекристаллизации. В сварных соединениях корпуса судна, изготавливае­мого из горячекатаных листов стали, этом участок отсутствует.

Таким образом, при электродуговой сварке стали в ЗТВ, расположенной за зоной сплавления, структура основного металла сильно изменяется. Размеры ЗТВ зависят от способа, технологии сварки и могут колебаться в пределах 2...25 мм.

Структурные изменения основного металла в ЗТВ мало отражаются на ме­ханических свойства малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способа­ми. Однако при сварке средне- и низколегированных сталей в ЗТВ может про­исходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластиче­ские свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин.

Качественной характеристикой склонности стали к образованию закалоч­ных структур и трещин является эквивалентное содержание углерода С_экв, рас­считываемое при известном химсоставе по формуле:

В зависимости от величины С_экв стали разделяют на следующие 3 группы.

1. С_экв 0,5…0,6% - незакаливающиеся или малозакаливающиеся стали типа 10ХСНД, 0,92Г2 и др.

2. 0,7 С_экв 1,3% - закаливающиеся стали типа ЗОХГСА, 40Х, 20ХМФА и др. В зоне термического влияния таких сталей могут встречаться неравновесные структуры: сорбит, троостит, троостомартенсит и даже мартенсит – структура закалки.

3. С_экв 1,3…1,5 – сильнозакаливающиеся стали типа 30Х12, 40Х13, 18Х2Н4ВА, 40ХНМ и др. У них в ЗТВ присутствует мартенсит.

На основании изложенного следует, что для получения качественного свар­ного соединения при сварке сталей с содержанием С_экв 0,7% необходимо при­менять специальные меры, предотвращающие образование мартенсита и зака­лочных трещин.

Наиболее часто для этих целей используют предварительный подогрев ме­талла перед сваркой или в процессе сварки. При этом приближенно температу­ру подогрева t в °С можно определить по формуле:

Где – толщина места сварки, мм.

Обычно температура подогрева малолегированных сталей лежит в интерва­ле Ю0...200°С, а для высоколегированных может достигать 400...500°С. Кроме подогрева перед сваркой, для повышения качества сварного соединения, реко­мендуется тепловая изоляция свариваемой детали (покрытие асбестом, засыпка песком и т.п.). Это является особенно важным при сварке в судовых условиях.

Оборудование, инструмент и материалы