Горячие трещины в сварных соединениях

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

С точки зрения простого здравого смысла трещины в  сварных соединениях невозможны: металл при выполнении сварного шва  сначала жидкий, а затем при  охлаждении - пластичный. Однако факторы (причины и следствия), обуславливающие образование сварного соединения являются также и факторами (условиями), образования трещин в нём, как-то: нагревание, плавление, кристаллизация, охлаждение в жёстком закреплении, структурные, фазовые превращения, внутренние напряжения, микро- и макро- неоднородности, и т.п. Появление (получение) сварного соединения без трещин скорее исключение, чем правило.

 В любом  сварном соединении (особенно при  сварке плавлением), строго говоря, присутствуют трещины (хотя бы  микро), но в благоприятных условиях (в удачном случае) они охлопываются, а в неблагоприятных условиях - (в неудачном случае) -раскрываются - обнаруживают себя.

Способность материала  сварного соединения воспринимать без  разрушения деформации и напряжения, вызываемые термодеформационным циклом сварки называется его технологической прочностью и является важнейшей характеристикой металла, подлежащего сварке.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Горячие трещины

Горячими или  кристаллизационными трещинами  называются хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и зоны термовлияния, возникающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе развития межзеренной деформации.

Горячие трещин при дуговой сварке чаще всего  локализуются на определенных участках сварного соединения (рисунок 18). В зависимости от локализации различают следующие виды горячих трещин:

1) продольные  трещины метав шве и в зоне  сплавления;

2) поперечные  в шве и в зоне сплавления;

3) поперечные  по толщине в свариваемом металле предшествующего слоя при многопроходной сварке.

Рисунок 18 – Локализация  горячих трещин

Принятое в  литературе деление горячих трещин по месту их расположения в сварном  соединении или по направлению их развития относительно оси шва является существенным при анализе влияния конструкции соединения и технологических факторов на образование и развитие горячих трещин.

Однако такой подход не может внести существенного вклада в выяснение природы, механизмов зарождения и разработку металлургических путей их предупреждения.

По механизму зарождения и причинам, а также по температурному интервалу образования различают  горячие кристаллизационные трещины, и подсолидусные (полигонизационные).

2 Причины образования горячих трещин

Природа возникновения  горячих трещин объясняется схемой А.А. Бочвара. Согласно этой схеме при кристаллизации металла шва условно выделяют три состояния; жидко-твердое, твердо-жидкое и твердое. Эти состояния отличаются соотношением объемов твердой и жидкой металлической фаз, а значит и характером деформирования в условиях температурного цикла сварки.

Жидко-твердое состояние (рисунок 19 а) соответствует началу процесса образования зародышей  твердой фазы в расплаве, когда  жидкости еще много, а твердой  фазы значительно меньше. Прочность  такой системы определяется поверхностным натяжением жидкости, а пластичность – вязкостью жидкости, точнее, величиной, обратной вязкости

1. Деформационная способность такой системы в условиях несвободной деформации велика, т.к. жидкость может свободно перетекать между кристаллами и компенсировать деформации растяжения.

Напряжения  растяжения

Рисунок 19 –  Схема кристаллизации металла сварного шва

Твердо-жидкое состояние (рисунок 19 б) соответствует  стадии формирования твердого кристаллического каркаса зерен, разделенных тонкими прослойками жидкости. Под действием силы Р происходит заклинивание зерен. При высокой скорости нарастания упругопластических деформаций жидкая фаза не успевает перетекать, чтобы компенсировать образовавшиеся несплошности. Разрушение ведет по жидкой границе между зернами. Пластичность такой системы очень низка. Этому состоянию соответствует температура, которую называют верхней границей интервала хрупкости . Вероятность образования хрупких трещин в таком состоянии очень высока.

Образующиеся при этом горячие трещины называются кристаллизационными.

Твердое состояние (рисунок 19 в) реализуется при температуре, ниже солидуса. Разрушение металла  шва идет по телу зерна, т.к. границы  зерен уже достаточно упрочнились. Этому состоянию соответствует  температура – нижняя граница интервала хрупкости Эта температура, как было отмечено выше, называется эквикохезивной – при которой межкристаллитное разрушение сменяется разрушением по телу зерна. Образующиеся при этой температуре горячие трещины называются подсолидусными.

Подсолидусные (полигоинзациокные) трещины. Появление полигонизационных трещин при сварке связано с возникновением субструктуры (или полигональной структуры) внутри кристаллов. Эта структура формируется в результате миграции границ, проходящей в период охлаждения сварного шва после затвердевания. Механизм такой перестройки заключается в движении дислокаций по плоскостям скольжения вплоть до какого-либо препятствия, где образуется скопление дислокаций или стенки-субграницы. Эти субграницы делят кристалл на блоки, или полигоны. Разориентация полигонов достигает 1–3°. Таким образом, полигональная структура представляет сетку малоугловых границ наклонного типа, возникающих в результате перестройки дислокаций внутри кристалла. Эта сетка субграниц не совпадает с ячеистыми и дендритными формами границ кристаллитов, которые обычно формируются при кристаллизации металла сварного шва. Горячие трещины, возникающие по субграницам полигонов при сварке, получили соответственно название полигонизационных.

В сварных швах некоторых сплавов полигональная структура формируется непосредственно в процессе охлаждения после затвердевания (т.е. чуть ниже солидуса). Однако наиболее полно полигонизация проходит в тех случаях, когда литой металл охлаждается с малыми скоростями (например, при сварке с подогревом) или подвергается последующему отжигу.

Известны два механизма  развития межкристаллитного разрушения при полигонизации в условиях сварочных температурных деформаций.

Рисунок 20 – Схема формирования полигонизационной структуры при охлаждении сварного шва: 1 – границы кристаллитов; 2 – субграницы полигонов

Первый механизм – миграция границ блоков, которая  осуществляется по вакансиям. Такое  перемещение границ блоков не приводит к появлению значительных внутренних напряжений и поэтому не является опасным с точки зрения трещинообразования.

Второй механизм разрушения – проскальзывание по границам полигонов  с образованием полостей, которые  являются зародышами полигонизационных  трещин. Схема проскальзывания при  развитии полигонизационной трещины сходна со схемой Зиннера-Стро образования холодных трещин.

Разрушние по механизму проскальзывания  в основном и ведет к появлению  полигонизационных трещин. Для предотвращения образования полигонизационных  трещин необходимо уменьшить вероятность проскальзывания и способствовать развитию миграции границ зерен.

Кривая пластичности может иметь еще один минимум, расположенный в области более  низких температур. Снижение пластичности в этом случае связано с перераспределением примесей из тела зерна к границам и образованием эвтектик. Эвтектики охрупчивают металл шва, поскольку кристаллизуются при более низких температурах, и жидкая прослойка по границам зерен сохраняется ниже .

Таким образом, существуют два температурных интервала  хрупкости –ТИХ I и ТИХ II, пластичность металла шва в которых очень низка (два минимума на кривой пластичности П (рисунок 21). Кристаллизационные горячие трещины образуются в пределах ТИХ I, а подсолидусные трещины (полигонизационные и те, причиной которых является легкоплавкая эвтектика) – в пределах ТИХ II. Иногда первый и второй температурные интервалы хрупкости сливаются в один.

Рисунок 21 –  Изменение механических свойств  металла в процессе кристаллизации шва: – предел прочности, П – пластичность, – вязкостьжидкого металла, – температуры ликвидус и солидус

3. Факторы склонности к горячим трещинам

Причины образования  горячих трещин, а также факторы, способствующие повышению стойкости  против их образования, наиболее полно  изложены Н.Н. Прохоровым в его теории технологической прочности. Согласно этой теории склонность к образованию горячих трещин зависит от трех факторов. В зависимости от величины каждого фактора, а также от их сочетания при сварке, трещины могут либо возникать, либо не возникать в одном и том же материале.

Первый фактор – это темп деформации по мере снижения температуры, т.е. величина Чем выше темп деформации, тем вероятнее образование трещин. Для темпа трещины образуются, для темпа не образуются. Темп деформации выше , чем (рисунок 22 а).

Второй фактор – это пластичность металла шва  в температурном интервале хрупкости. Чем выше пластичность, тем меньше склонность металла шва к образованию  горячих трещин.

Третий фактор – сама величина температурного интервала  хрупкости (ТИХ). Чем шире ТИХ, тем выше склонность металла к трещинообразованию при одной и той же пластичности П и темпе деформации е. При ТИХ1 трещин нет, при ТИХ3 трещины образуются (рисунок 22 в). ТИХ II ТИХ I

Рисунок 22 –  Соотношение между пластичностью  П металла шва и темпом деформации е в температурном интервале хрупкости (ТИХ)

При пластичности металла шва трещины не образуются (рисунок 22

б), при пластичности трещины образуются. Пластичность – критическая величина, выше нее трещин нет, ниже – есть.

4. Предотвращение горячих трещин

 Указанные выше факторы склонности металла сварных швов к горячим трещинам можно регулировать. На величину температурного интервала хрупкости влияют:

– химический состав стали и электродной проволоки;

– такие элементы, как марганец, никель, хром, которые сужают ТИХ;

– сера, образуя  легкоплавкие эвтектики по границам зерен, расширяет

ТИХ, так же как  фосфор и водород.

Значит, для  снижения склонности к горячим трещинам необходимо использовать сварочную  проволоку, легированную Mn, Ni, Cr, а также  рафинировать металл шва от серы, фосфора и водорода.

Кроме того, при  сварке сложнолегированных высокоуглеродистых сталей можно добиться снижения доли участия основного металла в  образо- вании шва путем применения рациональной разделки кромок.

Собственные деформации металла шва при сварке совсем устранить невозможно, но можно их свести к минимуму. Для этого стремятся устранить излишнюю жесткость узлов на стадии конструирования, а также применяют предварительный подогрев изделии перед сваркой,

Предотвращение  полигонизационных трещин. Как уже было сказано выше, для предотвращения образования полигонизационных трещин необходимо уменьшить вероятность проскальзывания по субграницам полигонов и способствовать развитию миграции этих границ. Для этого применяют следующие способы:

1. Легирование  элементами, уменьшающими диффузионную  подвижность атомов в решетке  или способствующими созданию  фрагментарной литой структуры  (например, для никеля это Nb, Al). Под фрагментарной структурой  понимается максимальное искривление  границ кристаллитов, а также образование в процессе кристаллизации и последующего охлаждения высокотемпературных дисперсных вторичных фаз. По искривленной границе проскальзывание затруднено и зародышевые трещины не образуются. Частицы второй фазы по границам зерен могут действовать как точки закрепления, т.е. уменьшать длину границы, снижая тем самым концентрацию напряжений в местах зарождения трещины.

2. Повышение  чистоты металла по примесям  внедрения – O, N. Кислород и  азот уменьшают поверхностную  энергию зарождения полостей и тем самым способствуют появлению трещин.

3. Сокращение  времени нахождения металла при  температуре высокой диффузионной  подвижности атомов, т.е. увеличение  скорости охлаждения

швов. Кроме  того, необходимо ограничение деформации металла шва при сварке, что достигается рациональным конструированием сварного соединения.

5. Методы оценки стойкости сплавов к образованию горячих трещин

Для оценки стойкости  сплавов к образованию горячих  трещин (ГТ) применяются три основные группы методов: расчетно-статистические, методы машинных испытаний и методы проб.

Расчетно-статистические методы являются косвенными, поскольку основаны на использовании параметрических уравнений, составленных с помощью регрессионного анализа, и применимы только для сплавов, которые входят в концентрационные пределы изученных композиций:

Показателями  склонности являются условные аббревиатуры – HCS, CSF, L, хромоникелевый эквивалент и др., которые рассчитываются по уравнениям типа

,

при HCS<4 сталь  не склона к образованию ГТ, при HCS>4 Гт образуется;

при >1,5 хромоникелевая аустенитная сталь является стойкой к ГТ, при <1,5 – склонна к ГТ.

Заключение

При высоких  температурах в металле шва и  зоне термического влияния возникают  горячие трещины. Поверхность излома горячих трещин имеет матово-желтоватый цвет, а в случае попадания воздуха в трещину поверхность покрывается окислами коричневато-синеватого цвета.

Главной причиной образования горячих трещин является потеря способности металла к  деформации. В процессе сварки кристаллизующийся металл шва находится под воздействием растягивающих напряжений, возникающих и развивающихся в сварном соединении вследствие несвободной усадки шва и охлаждаемых участков неравномерно нагретого основного металла. Под действием этих напряжений металл шва деформируется, а при недостаточной деформационной способности — разрушается. Хрупкое межкристаллическое разрушение (образование горячих трещин) происходит, если напряжения при охлаждении нарастают интенсивнее, чем межкристаллическая прочность металла шва. При менее интенсивном росте напряжений сварные швы не разрушаются.

При кристаллизации металлы проходят стадию твердо-жидкого  состояния. При объеме жидкой фазы, достаточном для свободного ее перемещения  в промежутках между растущими  кристаллами, пластичность двухфазного металла высока, так как полностью определяется свойствами жидкости. С увеличением объема твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования каркаса кристаллитов полностью прекращается. Деформация металла в этом состоянии приводит к хрупкому разрушению по межкристаллическим прослойкам, в которых еще не закончен процесс кристаллизации. Пластичность металла падает до малых значений (десятые доли процента), и сопротивление разрушению становится ничтожным.