КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ


6.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталь - это железный сплав, содержащий до 2 % С. В углеродистых конструкционных сталях, широко используемых в машиностроении, су­достроении т.д., содержание углерода обычно оставляет 0,06 ... 0,9 %. Углерод является основным легирующим элементом и определяет меха­нические свойства этой группы сталей. Повышение его содержания в стали усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получе­ния равнопрочного сварного соединения без дефектов.

По степени раскисления сталь изготовляют кипящей, спокойной и полуспокойной (соответствующие индексы "кп", "сп" и "пс"). Кипящую сталь, содержащую не более 0,07 % Si, получают при неполном раскис­лении металла. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерно­стью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная по­вышенная концентрация серы может привести к образованию кристалли­зационных трещин в шве и околошовной зоне.

Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной ста­ли, содержащей не менее 0,12 % Si, распределение серы и фосфора более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь нанимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью.

Стали с содержанием до 0,25 % С относятся к низкоуглеродистым, с содержанием 0,26 ... 0,45% к среднеуглеродистым, к высокоуглероди­стым относятся, стали, содержащие 0,45 ... 0,75 % С. Они отличаются плохой свариваемостью и их не применяют для изготовления сварных конструкций. Температурная область применения углеродистых сталей от —40 до +425 °С, низколегированных от -70 до +475 °С. По качествен­ному признаку низкоуглеродистые стали разделяют на две группы: обыкновенного качества и качественные.

Сталь обыкновенного качества поставляют без термообработки в го­рячекатаном состоянии. Изготовленные из нее конструкции обычно так-

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

же не подвергают последующей термообработке. Эта сталь поставляется по ГОСТ 380-94 на сталь углеродистую обыкновенного качества, ГОСТ 5520-79 (в ред. 1990 г.) на сталь для котлостроения, ГОСТ 5521-86 на сталь для судостроения и т.д. (табл. 6.1).

6.1. Химический состав некоторых углеродистых конструкционных сталей, %

Марка стали ГОСТ С Мn Si  
Ст1кп 380-94 0,06... 0,12 0,25 .. .0,50 не более ;0,05
Ст1пс   0,06 ... 0,12 0,25. .0,50 0,05 ... 0,15
Ст1сп   0,06... 0,12 0,25. .0,50 0,15... 0,30
Ст2кп   0,09... 0,15 0,25. .0,50 не более ;0,05
Ст2пс   0,09 ... 0,15 0,25. .0,50 0,05 ... 0,15
Ст2сп   0,09 ... 0,15 0,25. .0,50 0,15 ... 0,30
СтЗпс   0,14 ... 0,22 0,40. .0,65 0,05 ... 0,15
СтЗсп   0,14 ... 0,22 0,40. .0,65 0,15 ... 0,30
1050-88 0,07 ... 0,14 0,35. .0,65 0,17 ... 0,37
  0,12... 0,19 0,35. .0,65 0,17 ... 0,37
  0,17 ... 0,24 0,35. .0,65 0,17 ... 0,37
15Г 4543-71 0,12 ... 0,19 0,70. .. 1,00 0,17... 0,37
20Г   0,17 ... 0,24 0,70. .. 1,00 0,17 ... 0,37
35Г   0,32 ... 0,40 0,70. .. 1,00 0,17 ... 0,37
12К 5520-79 0,08 ... 0,16 0,40. .. 0,70 0,17 ... 0,37
15К   0,12 ... 0,20 0,35. .. 0,65 0,15 ... 0,30
20К   0,16... 0,24 < 0,65 0,15 ... 0,30
22К   0,19 ...0,26 1, 0,17 ... 0,40
СтЗС 5521-86 0,14 ...0,22 0,35. .. 0,60 0,12 ... 0,35

Примечания: 1. Массовая доля хрома, никеля и меди в сталях марок Ст1, Ст2 и СтЗ различной выплавки должна быть не более 0,30 % каждого, серы не более 0,050 %, фосфора не более 0,70 %.

2. Для проката из стали марок СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп, предназначенного для сварных конструкций, отклонение по содержанию углерода в сторону его уве-личения не допускался.

252 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Конструкционные стали с нормальным и повышенным содержанием марганца (марки 15Г и 20Г) имеют пониженное содержание серы. Меха­нические свойства некоторых марок углеродистой стали приведены в табл. 6.2. Стали этой группы для изготовления конструкций обычно при­меняют в горячекатаном состоянии и меньше - после термообработки, нормализации или закалки с отпуском (термоупрочнение). Механические свойства этих сталей зависят от термообработки (табл. 6.3).

6.2. Механические свойства некоторых марок углеродистой стали и холодном состоянии

 

 

Марка стали Временное сопротив­ление а„, МПа Предел текучести от, (МПа) для толщин, мм Относительное удлинение 85 (%), для толщин, мм
До 20 20...40 40... 100 Свыше 100 До 20 20... 40 Свыше 40
Ст1кп 310... 400 - - - -
Ст1пс 320 ... 420 - - - -
Ст2кп 330... 420
Ст2пс 340... 440
СтЗкп 370 ... 470
СтЗсп 380... 490
СтЗГпс 380... 500
- - - - -
- - - - -
- - - - -
15Г - - - - -
20Г - - - - -
35Г - - - - -

Примечание. Для сталей мирок 10, 15, 20, 15Г и 20Г механические свой-ства определены на образцах из нормализованных заготовок.

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

6.3. Ударная вязкость некоторых углеродистых конструкционных сталей (Дж/см2)

 

 

 

 

 

Марка стали Вид проката стали Располо­жение об­разца отно­сительно проката Толщина, мм Ударная вязкость (не менее), Дж/см2
при темпе­ратуре, °С после меха­нического старения
+20 -20
      5.. .9
СтЗпс Листовая Поперек 10.. .25
      26. .40 - -
  Широкопо­лосная Вдоль 10.   26. .25   .40 78 69
СтЗсп     10. .30
  Листовая Поперек 31 . .40 - -
      5. ..9
СтЗГпс Широкопо­лосная Вдоль 10. ..30
      31 . ..40 - -

Легированными называются стали, содержащие специально введен­ные элементы. Марганец считается легирующим компонентом при со­держании его в стали более 0,7 %, а кремний свыше 0,4 %. Поэтому угле­родистые стали марок СтЗГпс, 15Г и 20Г с повышенным содержанием марганца соответствуют низколегированным конструкционным сталям. Легирующие элементы, вводимые в сталь, вступал во взаимодействие с железом и углеродом, изменяют ее свойства. Это повышает механиче­ские свойства стали и, в частности, снижает порог хладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.

254 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

При производстве сварных конструкций широко используют низко­углеродистые низколегированные конструкционные стали (табл. 6.4 и 6.5). Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях обыч­но не превышает 4,0 %, а углерода 0,25 %. Низколегированные стали в зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов разделяют на марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремненикелемедистые и т.д.

6.4. Химический состав некоторых низкоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей

 

Марка Химический состав, % Тип стали
стали С Si Мn Прочие
09Г2 14Г2 18Г2 <0,12 0,12... 0,18 0,14 ... 0,20 0,17... 0,37 0,17 ... 0,37 0,25 ... 0,55 1,4... 1,8 1,2... 1,6 1,2... 1,6 Сu < 0,3 Сг < 0,3 Ni < 0,3 Маргн­цевые
12ГС 16ГС 17ГС 092С 10Г2С1 0,09... 0,15 0,12 ...0,18 0,14 ... 0,20 <0,12 <0,12 0,5 ... 0,8 0,4 ... 0,7 0,4 ... 0,6 0,5 ... 0,8 0,8... 1,1 0,8 ... 1,2 0,9 ... 1,2 1,0... 1,4 1,3 ... 1,7 13 ... 1,65 Сu < 0,3 Кремне-марганцо-вые
10Г2С1Д <0,12 0,8... 1,1 1,3 ... 1,65 Сu = 0,15... 0,3 Ni<0,3 Сг < 0,3 Кремне-марганцо-вомедистые
15ГФ 0,12... 0,18 0,17... 0,37 0,9 ... 1,2 V = 0,05 ...0,10 Марган-цовована-диевая
14ХГС 0,11 ...0,16 0,4 ... 0,7 0,9... 1,3 Сг = 0,5...0,8 Ni < 0,3 Сu < 0,3 Хромок-ремнемар-ганцовая
10ХСНД <0,12 0,8... 1,1 0,5 ... 0,8 Сг = 0,6...0,9 Ni = 0,5 ... 0,8 Сu = 0,4 ... 0,65 Хромок-ремнени-
15ХСНД 0,12... 0,18 0,4 ... 0,7 04 ... 0,7 Сг = 0,6 ... 0,9 Ni = 0,3 ... 0,6 Сu = 0,2 ... 0,4 келемеди-стые

СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

 

6.5. Механические свойства некоторых

низкоуглеродистых низколегированных

конструкционных сталей в состоянии поставки

 

 

 

Марка стали Ударная вязкость при температуре -40 °С, Дж/см2 σв σт δ5, %
Не менее, МПа
0,9Г2
14Г2
18Г2
12ГС -
16ГС
09Г2С
10Г2С1
15ГФ
14ХГС
10ХСНД
15ХСНД
Примечание. Прокат толщиной 4 ... 10 мм.

Примечание. Содержание серы и фосфора не более 0,035 %.

Наличие марганца в сталях повышает ударную вязкость и хладно­ломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. По сравне­нию с другими низколегированными сталями марганцевые позволяют по­лучить сварные соединения более высокой прочности при знакоперемен­ных и ударных нагрузках. Введение в низколегированные стали неболь­шого количества меди (0,3 ... 0,4 %) повышает стойкость стали против коррозии атмосферной и в морской воде.

Для изготовления сварных конструкций низколегированные стали используют в горячекатаном состоянии. Термообработка значительно улучшает механические свойства стали, которые, однако, зависят от тол­щины проката. При этом может быть достигнуто значительное снижение порога хладноломкости. Поэтому в последние годы некоторые марки низколегированных сталей для производства сварных конструкций ис­пользуют после упрочняющей термообработки.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

6.2. ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

В сварочной ванне расплавленные основной и, если используют, до­полнительный металлы перемешиваются. По мере перемещения источ­ника теплоты вслед за ним перемещается и сварочная ванна. В результате потерь теплоты на излучение, теплоотвод в изделие, а при электрошлако­вой сварке - и в формирующие ползуны в хвостовой части ванны проис­ходит понижение температуры расплавленного металла, который, за­твердевая, образует сварной шов.

Форма и объем сварочной ванны зависят от способа сварки и основ­ных параметров режима. Ее объем может составлять от миллиметров до сотен кубических сантиметров.

В результате этого изменяются и условия затвердевания (кристалли­зации) металла сварочной ванны, которые также зависят от условий теп-лоотвода, т.е. от толщины свариваемого металла, типа сварного соедине­ния, способа сварки, наличия шлака на поверхности сварочной ванны и т.д. Таким образом, названные выше условия определяют и неодинаковое время существования в расплавленном состоянии металла в различных уча­стках сварочной ванны.

Кристаллизация металла сварочной ванны у границы с нераспла-вившимся основным металлом (границы сплавления) протекает очень быстро. По мере удаления от нее к центру ванны длительность пребыва­ния металла в расплавленном состоянии увеличивается. Переход металла из жидкого в твердое состояние - первичная кристаллизация на границе

сплавления начинается от час­тично оплавленных зерен ос­новного или ранее наплавлен­ного металла (рис. 6.1) в виде дендритов, растущих в направ­лении, обратном теплоотводу, т.е. в глубь сварочной ванны. Таким образом, возникают об­щие зерна.

При многослойной сварке, когда кристаллизация начина­ется от частично оплавленных зерен предыдущего шва, воз­можно прорастание кристаллов из слоя в слой - образуется транскристаллитная структура.

Рис. 6.1. Строение зоны плавления

 

ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

На различных этапах кристаллизации металла сварочной ванны и роста дендритов состав кристаллизующего жидкого металла не одинаков. Первые порции металла менее загрязнены примесями, чем последние. В результате образуется зональная и внутридендритная химическая не­однородность металла. Неоднородность химического состава в различ­ных участках одного дендрита, когда его поверхностные слои более за­грязнены примесями - внутридендритная ликвация, имеет преимущест­венное развитие в сварном шве.

Ликвация в сварном шве зависит от его химического состава, формы сварочной ванны и скорости кристаллизации. Способ сварки оказывает существенное влияние на развитие ликвации.

Первичная кристаллизация металла сварочной ванны имеет преры­вистый характер, вызванный выделением перед фронтом кристаллизации скрытой теплоты кристаллизации. Это приводит к характерному слои­стому строению шва и появлению ликвации в виде слоистой неоднород­ности, которая в наибольшей степени проявляется вблизи границы сплавления. Слоистая ликвация также зависит от характера и скорости кристаллизации металла сварочной ванны. Слоистая и дендритная ликва­ции уменьшаются при улучшении условий диффузии ликвирующих эле­ментов в твердом металле.

Образовавшиеся в затвердевшем металле шва в результате первич­ной кристаллизации столбчатые кристаллиты имеют аустенитную микро­структуру (диаграмма состояния системы Fe-C сплавов на рис. 6.2, спра­ва). При дальнейшем охлаждении металла, при температуре аллотропи­ческого превращения Ас3 начинается процесс перестройки атомов про­странственной решетки - перекристаллизация. В результате перекри­сталлизации происходит распад части аустенита и превращение его в феррит. Так как растворимость углерода в феррите меньше, чем в аусте-ните, выделяющийся углерод вступает в химическое соединение с желе­зом, образуя цементит.

Дальнейшее охлаждение стали ниже температуры превращения Ас, приводит к образованию: эвтектоидной смеси феррита и цементита -перлита. Вторичная кристаллизация сопровождается значительным уве­личением числа зерен, так как в пределах первичного зерна аустенита образуется несколько зерен перлита и феррита. Это благоприятно влияет на механические свойства стали. С увеличением в стали содержания уг­лерода количество перлита возрастает. Одновременно может наблюдать­ся и рост зерен. Количество и строение перлитной фазы зависит также от скорости охлаждения металла шва.

258 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 6.2. Строение зоны термического влияния сварного шва при дуговой сварке низкоуглеродистой и низколегированной сталей

При некоторых условиях может образоваться видманштеттова структура, характеризующаяся выделением феррита из аустенита не только по границам зерен, но и по кристаллографическим плоскостям отдельных кристаллитов. Видманштеттова структура в сварных соедине­ниях не желательна, так как снижает их механические свойства. Металл шва при комнатной температуре и обычных для сварки скоростях охлаж­дения в области температур перекристаллизации имеет ферритно-перлитную или сорбитообразную структуру.

Теплота, выделяемая при сварке, распространяется вследствие теп­лопроводности в основной металл. Этот процесс характеризуется терми-

ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

ческим циклом. В каждой точке околошовной зоны температура вначале нарастает, достигая максимума, а затем снижается. Чем ближе точка рас­положения к границе сплавления, тем быстрее происходит нагрев метал­ла в данном участке и тем выше максимальная температура, достигае­мая в нем. При значительном удалении от шва нагрев основного металла практически не происходит.

Таким образом, различные участки основного металла характеризу­ются различными максимальными температурами и различными скоро­стями нагрева и охлаждения, т.е. подвергаются своеобразной термообра­ботке. Поэтому структура и свойства основного металла в различных участках сварного соединения различны. Зону основного металла, в ко­торой под воздействием термического цикла при сварке произошли фа­зовые и структурные изменения, называют зоной термического влияния. Характер этих превращений и протяженность зоны термического влия­ния зависят от состава и теплофизических свойств свариваемого металла, способа и режима сварки, типа сварного соединения и т.п.

На рис. 6.2 слева показаны поперечное сечение стыкового сварного соединения при однослойной сварке низкоуглеродистой стали, кривая распределения температур по поверхности сварного соединения в мо­мент, когда металл шва находится в расплавленном состоянии, и струк­туры различных участков зоны термического влияния шва после сварки, образованные в результате действия термического цикла сварки. Эта схема - условная, так как кривая распределения температур по поверхно­сти сварного соединения во время охлаждения меняет свой характер.

На участке неполного расплавления объемы металла нагревались в ин­тервале температур между солидусом и ликвидусом, что приводило к час­тичному расплавлению (оплавлению) зерен металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполнено жидкими прослойками, связанными с металлом сварочной ванны. Поэтому в него могли проникать и элементы, вводимые в металл сварочной ванны. В результате состав металла на этом участке может отличаться от состава основного металла, а за счет нераспла-вившихся зерен основного металла - и от состава металла шва.

Слоистая ликвация способствует увеличению химической неодно­родности металла на этом участке по сравнению с металлом шва. Состав и структура металла в этой зоне зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Этот участок по существу и является ме­стом сварки. Его протяженность зависит от состава и свойств металла, способа сварки и обьино не превышает 0,5 мм, но свойства металла в нем могут оказывать решающее влияние на свойства всего сварного соединения.

260 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

На участке перегрева металл нагревался в интервале температур от 1100 ... 1150 °С до линии солидуса. Металл, нагревавшийся выше темпе­ратуры Ас3, полностью переходит в состояние аустенита, при этом про­исходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем больше, чем выше температура металла. Даже непродолжительное пребывание метал­ла при температурах свыше 1100 °С приводит к значительному увеличе­нию размера зерен. Крупнозернистая структура металла на этом участке перегрева после охлаждения может привести к образованию неблагопри­ятной видманштеттовой структуры.

Металл, нагретый незначительно выше температур Ас3, имеет мел­козернистую структуру с высокими механическими свойствами. Этот участок называется участком нормализации (перекристаллизации). На участке неполной перекристаллизации металл нагревался до температу­ры между Ac1 и Ас3. Поэтому он характеризуется почти неизменным фе-роитным зерном и некоторым измельчением и сфероидизацией перлит­ных участков.

Металл, нагревавшийся в интервале температур 500 ... 550 °С до Ас1, (участок рекристаллизации), по структуре незначительно отличается от основного. Если до сварки металл подвергался пластической деформа­ции, то при нагреве в нем происходит сращивание раздробленных зерен основного металла - рекристаллизация. При значительной выдержке при этих температурах может произойти значительный рост зерен. Механиче­ские свойства металла этого участка могут несколько снизиться из-за разупрочнения ввиду снятия наклепа.

При нагреве металла в интервале температур 100 ... 500 °С (участок старения) его структура в процессе сварки не претерпевает видимых из­менений. Однако в некоторых сталях, содержащих повышенное количе­ство кислорода и азота (обычно кипящих), их нагрев при температурах 150 ... 350 °С сопровождается резким снижением ударной вязкости и со­противляемости разрушению.

Многослойная сварка ввиду многократного воздействия термическо­го цикла сварки на основной металл в околошовной зоне изменяет строе­ние и структуру зоны термического влияния. При сварке длинными уча­стками после каждого последующего прохода предыдущий шов подвер­гается своеобразному отпуску. При сварке короткими участками шов и околошовная зона длительное время находятся в нагретом состоянии. Помимо изменения структур, это увеличивает и протяженность зоны термического влияния.

Последующие слои термически воздействуют на ранее наплавлен­ные швы, имеющие структуру литого металла, и создают в них зону тер-

ОБРАЗОВАНИЕ ШВА И ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

мического влияния, строение и структура которой значительно отлича­ются от зоны термического влияния в основном металле, подвергавшемся прокатки. Эта зона на участке перегрева обычно не имеет крупного зерна и характеризуется мелкозернистыми структурами с повышенными пластиче­скими свойствами.

При газовой сварке более медленный нагрев по сравнению с дуговой сваркой приводит к значительному росту нерасплавившихся зерен ос­новного металла, прилегающих к границе сплавления. Начинающаяся от них кристаллизация расплавленного металла сварочной ванны способст­вует крупнозернистому строению металла шва. Этому способствуют и умеренные способы охлаждения. Протяженность зоны термического влия­ния при газовой сварке значительно больше, чем при дуговой (до 28 мм). Поэтому и ширина различных участков зоны термического влияния больше.

Структура металла швов при электрошлаковой сварке может харак­теризоваться наличием трех зон (рис. 6.3, а): зоны 1 крупных столбчатых кристаллов, которые растут в направлении, обратном отводу теплоты; зоны 2 тонких столбчатых кристаллов с меньшей величиной зерна и не­сколько большим их отклонением в сторону теплового центра; зоны 3 равноосных кристаллов, располагающейся посередине шва. В зависимо­сти от способа электрошлаковой сварки, химического состава металла шва и режима сварки может быть получено различное строение швов. Повышение содержания в шве углерода и марганца увеличивает, а уменьшение интенсивности теплоотвода уменьшает ширину зоны /.

Направленность кристаллизации зависит от коэффициента формы шва. При его увеличении за счет уменьшения скорости подачи электрод­ной проволоки (рис. 6.3, б) происходит отклонение роста кристаллов в сторону теплового центра сварочной ванны. Подобные швы имеют по­вышенную стойкость против кристаллизационных трещин. Медленное охлаждение швов при электрошлаковой сварке в интервале температур фазовых превращений способствует тому, что их структура характеризу­ется грубым ферритно-перлитным строением с утолщенной оторочкой феррита по границам кристаллов.

Термический цикл околошовной зоны при электрошлаковой сварке характеризуется длительным ее нагревом и выдержкой при температурах перегрева и медленным охлаждением. Поэтому в ней могут образовы­ваться грубые видманштеттовы структуры, которые по мере удаления от линии сплавления сменяются нормализованной мелкозернистой структурой. В зоне перегрева может наблюдаться падение ударной вязко­сти, что устраняется последующей термообработкой (нормализация с отпуском).

262 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 6.3. Строение металла шва при электрошлаковой сварке

Термический цикл электрошлаковой сварки, способствуя распаду аустенита в области перлитного и промежуточного превращений, благо­приятен при сварке низколегированных сталей, так как способствует по­давлению образования закалочных структур.

Основным фактором, определяющим после окончания сварки конеч­ную структуру металла в отдельных участках зоны термического влияния, является термический цикл, которому подвергался металл этого участка при сварке. Решающими факторами термического цикла сварки являются мак­симальная температура, достигаемая металлом в рассматриваемом объеме, и скорость его охлаждения. Ширина и конечная структура различных уча­стков зоны термического влияния определяются способом и режимом свар­ки, составом и толщиной основного металла. Общая протяженность зоны термического влияния может достигать 30 мм. При более концентрирован­ных источниках теплоты протяженность зоны меньше.

Рассмотренное разделение зоны термического влияния - приближенно. При переходе от одного структурного участка к другому имеются промежу­точные структуры. Кроме того, диаграмму железо - углерод мы рассматри­вали статично, в какой-то момент существования сварочной ванны. В дей­ствительности температура в точках зоны термического влияния изменяется во времени в соответствии с термическим циклом сварки.

Повышение прочности низколегированных сталей достигается леги­рованием их элементами, которые растворяются в феррите и измельчают перлитную составляющую. Наличие этих элементов при охлаждении тормозит процесс распада аустенита и действует равносильно некоторо­му увеличению скорости охлаждения. Поэтому при сварке в зоне терми­ческого влияния на участке, где металл нагревался выше температур Ась

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

при повышенных скоростях охлаждения могут образовываться закалоч­ные структуры. Металл, нагревавшийся до температур значительно выше Ас3, будет иметь более грубозернистую структуру.

При сварке термически упрочненных сталей на участках рекристал­лизации и старения может произойти отпуск металла с образованием структуры сорбита отпуска и понижением прочностных свойств металла. Технология изготовления сварных конструкций из низколегированных сталей должна предусматривать минимальную возможность появления в зоне термического влияния закалочных структур, способных привести к холодным трещинам, особенно при сварке металла больших толщин. При сварке термически упрочненных сталей следует принимать меры, преду­преждающие разупрочнение стали на участке отпуска.

6.3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Низкоуглеродистые и низкоуглеродистые низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью. Свариваемость среднеуглеродистых сталей, используемых в нормализованном состоянии, затруднена, осо­бенно при повышенной толщине металла. В некоторых случаях техноло­гия их сварки схожа с технологией сварки низколегированных сталей с повышенным содержанием углерода (см. гл. 7) и должна обеспечивать определенный комплекс требований, основные из которых - обеспечение надежности и долговечности конструкций (особенно из термически уп­рочняемых сталей, обычно используемых при изготовлении ответствен­ных конструкций).

Важное требование при сварке рассматриваемых сталей - обеспече­ние равнопрочности сварного соединения с основным металлом и отсут­ствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела соот­ветствующих свойств основного металла.

При сварке низкоуглеродистых и низкоуглеродистых низколегиро­ванных сталей при применении соответствующих сварочных материалов металл шва легирован кремнием и марганцем больше, чем основной ме­талл. Поэтому его механические свойства в большинстве случаев выше, чем у основного металла. В этом случае основное требование при сварке -получение сварного шва с необходимыми геометрическими размерами и без дефектов.

В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допус­кают снижение отдельных показателей механических свойств сварного со­единения. Однако во всех случаях, особенно при сварке ответственных кон­струкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов.

264 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояния. Иногда к сварному соединению предъявляют допол­нительные требования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пониженных температурах и т.д.). Технология должна обеспе­чивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности конструкции.

Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой. Химический со­став металла шва при сварке рассматриваемых сталей незначительно от­личается от состава основного металла (табл. 6.6). Это различие сводится к снижению содержания в металле шва углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания в нем углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем, кремнием, а при сварке низколегированных сталей - также и за счет перехода этих элементов из основного металла.

6.6. Средний химический состав металла шва, °  
Металл   С   Si   Мп
Основной, типа СтЗ 0,14 ... 0,22 0,05 ... 0,30 0,40 ... 0,45
Шва при сварке:            
покрытыми электродами 0,08 ...0,13 0,20 ... 0,25 0,30 ... 0,90
под флюсом 0,12 ...0,18 0,15 ... 0,40 0,65 ... 0,75
в среде углекислого газа 0,10 ...0,16 0,20 ... 0,47 0,57 ... 0,79
электрошлаковой 0,10 ...0,16 0,07 ...0,16 0,45 ... 0,60
Основной, низколегированная 0,16 ... 0,22 0,17 ... 0,37 0,80 ...1,15
сталь 19Г            
Шва при сварке:            
покрытыми электродами 0,09 ...0,15 0,20 ... 0,30 0,40 ... 1,20
под флюсом 0,10 ...0,14 0,15 ... 0,30 0,90 ... 1,80

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРИВАЕМОСТИ

Таким образом, химиче­ский состав металла шва зави­сит от доли участия основного и дополнительного металлов в образовании металла шва и взаимодействий между метал­лом, шлаком и газовой фазой. Повышенные скорости охлаж­дения металла шва также спо­собствуют повышению его прочности (рис. 6.4), однако при этом снижаются его пла­стические свойства и ударная вязкость. Это объясняется из­менением количества и строе­ния перлитной фазы.

Критическая температура перехода металла однослойно­го шва в хрупкое состояние

Рис. 6.4. Зависимость между

скоростью охлаждения и

механическими свойствами

металла шва при дуговой сварке

низкоуглеродистых сталей

практически не зависит от скорости охлаждения. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкци­ей сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой из­делия.

Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослой­ных угловых и стыковых швов при наложении их на холодные, предвари­тельно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла свар­ки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая деформация, возникающая в металле шва под воздействием сварочных напряжений, также повышает предел текучести металла шва.

Обеспечение равнопрочное™ металла шва при дуговых способах сварки низкоуглеродистьх и низколегированных нетермоупрочненных сталей обычно не вызывает затруднений. Механические свойства металла околошовной зоны зависят от конкретных условий сварки и от вида тер­мообработки стали перед сваркой.

При сварке низкоуглеродисгых горячекатаных (в состоянии постав­ки) сталей при толщине металла до 15 мм на обычных режимах, обеспе­чивающих небольшие скорости охлаждения, структуры металла шва и околошовной зоны примерно такие, как было рассмотрено выше (см.

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

рис. 6.2). Повышение скоростей охлаждения при сварке на форсирован­ных режимах металла повышенной толщины, однопроходных угловых швов, при отрицательных температурах и т.д. может привести к появле­нию в металле шва и околошовной зоны закалочных структур на участ­ках перегрева и полной и неполной рекристаллизации.

Как видно из данных табл. 6.7 и рис. 6.5 скорость охлаждения для низкоуглеродистых сталей оказывает большое влияние на их механиче­ские свойства. При повышении содержания марганца это влияние усили­вается. Поэтому даже при сварке горячекатаной низкоуглеродистой стали марки СтЗкп при указанных выше условиях не исключена возможность получения в сварном соединении закалочных структур. Если сталь перед сваркой прошла термическое упрочнение - закалку, то в зоне термиче­ского влияния шва на участках рекристаллизации и старения будет на­блюдаться отпуск металла, т.е. снижение его прочностных свойств. Уро­вень изменения этих свойств зависит от погонной энергии, типа сварного соединения и условий сварки.

При сварке низколегированных сталей изменение свойств металла шва и околошовной зоны проявляется более значительно. Сварка горячекатаной стали способствует появлению закалочных структур на участках перегрева и нормализации (см. рис. 6.2). Уровень изменения механических свойств металла больше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Термообработка низколегированных сталей, наиболее часто - закалка (термоупрочнение) с целью повышения их прочностных показателей при сохранении высокой пластичности (см. табл. 6.7) усложняет тех



Дата добавления: 2016-11-29; просмотров: 2191;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.039 сек.