Бесплатная публикация статей в журналах ВАК и РИНЦ

Уважаемые авторы, образовательный интернет-портал «INFOBRAZ.RU» в рамках Всероссийской Образовательной Программы проводит прием статей для публикации в журналах из перечня ВАК РФ по направлениям: экономика, философия, политология, педагогика, филология, биология, сельское хозяйство, агроинженерия, транспорт, строительство и архитектура и др.

Возможна бесплатная публикация статей в специализированных журналах по многим отраслям и специальностям. В мультидисциплинарных журналах возможна публикация по всем другим направлениям. 

Журналы реферируются ВИНИТИ РАН. Статьям присваивается индекс DOI. Журналы включены в международную базу Ulrich's Periodicals Directory и РИНЦ.

Подпишитесь на уведомления о доступности опубликования статьи. Первую рекомендацию вы получите в течении 10 минут - ПОДПИСАТЬСЯ

  • Библиотека
  • Инженерия
  • УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПЕРЕНОСА УГЛЕРОДА ИЗ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

УЛУЧШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПЕРЕНОСА УГЛЕРОДА ИЗ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

Аннотация. Применение стали повышенной прочности для изготовления сварных деталей, узлов и конструкций сдерживается вследствие склонности таких сталей к образованию холодных трещин в околошовной зоне. Актуальность исследований по этой проблематике сохраняется в течение длительного времени вследствие периодически повторяющихся аварий на многих типах ответственных конструкций и сопровождаемых серьезными экономическими, а иногда и травматическими последствиями. Основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях стальных деталей считают неблагоприятное развитие физико-химических процессов в зоне термического влияния сварки. Наибольшая вероятность образования деформаций и остаточных напряжений в аустенитизирующихся областях зоны термического влияния характерна для сталей с высоким углеродным эквивалентом. Результаты проведенных исследований подтверждают возможность управлять локальной концентрацией углерода созданием температурного градиента. Для такого подвижного в диффузионном отношении элемента, как углерод, реальной становится разработка новых технологий, связанных, например, с временным снижением содержания углерода в некоторых зонах стальной заготовки для выполнения каких-либо технологических операций с этим обезуглероженным объемом и последующей гомогенизацией изделия по содержанию углерода. Это может оказаться полезным при сварке высокоуглеродистой стали. В околошовной зоне такой стали можно предварительно на время сварки снизить содержание углерода, оттеснив его за пределы зоны термического влияния в близлежащие слои металла с помощью градиентного нагрева. В связи с этим, особую актуальность и практическую значимость для машиностроения, судостроения, строительных конструкций и др. приобретают исследования, направленные на повышение качества сварного шва в стали с повышенным углеродным эквивалентом. Рассмотрена возможность резким ох¬лаждением поверхности создать градиент активности углерода, достаточный для его перетока, направленного к более горячей сердцевине. Такой массоперенос неизбежно приводит к обезуглероживанию поверхности и повышению концентрации углерода в горячих глубинных слоях. Обоснована и экспериментально подтверждена возможность на период сварки снизить содержание углерода в свариваемых кромках и наплавляемых поверхностях изделий из углеродистой стали путем создания в них градиента температур, направленного от поверхности к сердцевине. Возникающее при этом локальное обезуглероживание носит обратимый характер, и после выполнения сварки или наплавки легко устраняется нормализацией.

Ключевые слова: сварка, наплавка, горячие трещины, термическое влияние, перераспределение углерода, температурный градиент.

Основные признаки, харак­теризу­ющие свариваемость сталей, – склонность к образованию тре­щин и механические свойства сварного соединения.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая группа – хорошо сваривающиеся; вторая группа – удовлетворительно сваривающиеся; третья группа – ограниченно сваривающиеся; четвертая группа – плохо сваривающиеся.

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относятся в основном стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном нагреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергаются обработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

Металл шва – это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры плавления (линии ликвидус) свариваемый металл расплавляется в процессе сварки, перемешивается с металлом электрода и затем кристаллизуется. Металл шва имеет литую дендритную структуру и состоит из кристаллов столбчатой формы. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации отливки в литейной форме, кристаллизация металла шва протекает при одновременном его подогреве со стороны источника тепла и быстром охлаждении за счет интенсивного теплоотвода в основной холодный металл

Основной причиной образования холодных трещин в сварных соединениях является образование подкалённых структур в зоне термического влияния, если сталь имеет углеродный эквивалент Сэкв> 0,4 %. Поскольку величина углеродного эквивалента в максимальной степени зависит от содержания углерода, и именно углерод является причиной образования закаленных структур в околошовной зоне. В зоне, примыкающей к наплавленному слою происходит изменение свойств основного металла под влиянием теплоты процесса наплавки. В этой зоне, называемой зоной термического влияния металл имеет максимальную твердость и наибольшую чувствительность к трещинам.

Поэтому при сварке углеродистой стали углеродный эквивалент служит показателем, используемым для оценки сварочных свойств металла.

Механизм образования горячих трещин в металле, подвергавшемся при сварке полному или частичному расплавлению, состоит в нарушении его сплошности по незатвердевшим жидким прослойкам под действием усадочных напряжений вследствие затруднённой усадки. В жестко связанной с затвердевающим швом зоне термического влияния температура резко снижается, соответственно уменьшается пластичность металла и способность его компенсировать усадку затвердевающего металла. В этих условиях, чем ниже температура, до которой присутствует жидкая фаза, тем вероятнее образование горячих трещин.

Для оценки чувствительности стали к образованию горячих трещин при сварке Уилкинсон [1] предложил показатель, который рассчитывается по выражению:

. (1)

Как видно из приведенного выражения в наибольшей степени склонность к образованию горячих трещин увеличивают сера, фосфор и углерод.

В конце затвердевания жидкая фаза из-за развития микроликвационных процессов может обогащаться серой, фосфором, углеродом и другими элементами до состава легкоплавкой многофазной эвтектики с температурой затвердевания 940С. Марганец весьма эффективно противодействует трещинообразованию, связывая серу в тугоплавкие сульфиды MnS. Положительное влияние хрома, молибдена и ванадия, очевидно, вызвано измельчением зерна стали, вследствие которого суммарная площадь поверхности зерен увеличивается, и пленка легкоплавких ликватов источается и становится разорванной.

Холодные трещины возникают в период завершения охлаждения или после полного охлаждения металла рядом со сварным швом в зоне термического влияния, где под действием тепловых процессов становится возможным образование закаленных структур и резкое снижение локальной пластичности стали. Развитие же высоких внутренних напряжений термического и фазового характера в охрупченной закалкой области приводит к образованию холодных трещин. Сопротивление пластической деформации (твердость) закаленной стали определяется содержанием углерода, который растворяется в железе по типу внедрения, вызывая максимальные искажения кристаллической решетки. Практически все легирующие элементы образуют с железом твердые растворы замещения и на твердость влияют слабо, но они могут расширить зону образования закалочных структур, увеличивая прокаливаемость стали.

Влияние химического состава углеродистой стали на чувствительность к трещинам принято оценивать по углеродному эквиваленту, рассчитанному по формуле [1]:

. (2)

Стали с углеродным эквивалентом Сэ0,4% характеризуются пониженной свариваемостью, а при значениях Сэ0,7% относятся к трудносвариваемым.

Из выражения (2) следует, что определяющее воздействие на свариваемость стали оказывает содержание углерода, влияние других компонентов многократно слабее.

При сварке высокоуглеродистых сталей опасность образования горячих и холодных трещин особенно высока, поэтому возможность уменьшения содержания углерода в свариваемых кромках особенно актуальна.

Вместе с тем известны методы локального и обратимого перераспределения углерода в пределах стальной заготовки. Сверхбыстрый массоперенос обнаружен в условиях создания разных энергетических градиентов значительной величины, например, при облучении лазером, воздействии ультразвуком, импульсной пластической деформации, создании температурного градиента и др. [2]. В ответ на созданный в каждом из этих методов градиент внешнего параметра (градиент давления, температуры и т.п.) в системе возникает градиент термодинамической активности углерода, который и является движущей силой массопереноса этого компонента, протекающего даже против градиента его концентрации, т.е. наблюдается восходящая диффузия.

С целью исследования массопереноса углерода в градиентном температурном поле были проведены эксперименты, в которых создавался стационарный перепад температур по длине массивного образца.

Образец из стали 40Л (0,39 %С) сечением 10х10 и длиной L=25 мм нагревали с одного торца путем непосредственного контакта с разогретой до 1000 °С плитой, а противоположный торец охлаждали медным водоохлаждаемым холодильником. Для изоляции образца от излучения раскаленной плиты и создания резкого перепада температур в локальной области образца использовали асбестовый экран, установленный на образце на расстоянии 14 мм от нагревательного элемента. Температурный градиент поддерживали в течение 20 мин, затем образец подвергли закалке в воде.

Структура части образца, расположенной между холодильником и экраном, соответствовала исходной и не изменялась в ходе эксперимента; в районе экрана она была двухфазной (аустенито-ферритной), ниже экрана -полностью аустенитной, рисунок 1,б.

Термодинамическая активность углерода с повышением температуры снижается в соответствии с уравнением, приведенным в работе [3]:

(3)

где ас – термодинамическая активность углерода, Nc – его атомная доля; Т – температура в К.

Важным следствием выражения (3) является возможность резким ох¬лаждением поверхности создать градиент активности углерода, достаточ¬ный для его перетока, направленного к более горячей сердцевине. Такой массоперенос неизбежно приводит к обезуглероживанию поверхности и повышению концен¬трации углерода в горячих глубинных слоях.

В соответствии с диаграммой изоактивности Бенза-Эллиота термодинамическая активность углерода ас в бинарном сплаве Fe-0,39 %C при 1000 OC равна 0,2, а при 800 °С 0,375. Рисунок 2.

Составляя баланс масс в условиях создания стационарного градиента расчетным путем определили, что гомогенизация стали по химическому потенциалу и термодинамической активности углерода произойдет за счет переноса 0,05...0,06 %С, т.е. в нагреваемой части образца содержание углерода должно возрасти до 0,44...0,45%, а в paйoнe экрана (t ~ 800 0С) - уменьшиться до 0,33...0,34%.

Распределение углерода, установившееся в испытуемом образце под действием градиента температур и зафиксированное закалкой, исследовали методом локального спектрального анализа. Анализируемый спектр возбуждали в точках, расположенных на продольной оси образца и отстоящих друг от друга на расстоянии 1,5...2,0 мм, рисунок 3

Из рисунка 3 видно, что в районе горячего торца содержание углерода достигло значений 0,46%, на расстоянии 14 мм от него (область экрана) концентрация понизилась до 0,36%, а в холодной части образца, не претерпевавшей фазовых превращений, практически не изменилась.

Таким образом, 20 минут действия температурного градиента оказалось достаточно для диффузионного перераспределения углерода в соответствии с созданным градиентом его термодинамической активности.

В стали с более высоким содержанием углерода, например 0,5%, наложением аналогичного градиента температур достигается перепад активности углерода ас0,3. Неизбежное выравнивание активности углерода по сечению стали связано с переносом углерода уже в количестве около 0,094…0,10%, т.е. в «горячей» области содержание углерода уменьшится до приемлемого для сварки уровня 0,4…0,406%.

Результаты проведенных исследований подтверждают возможность управлять локальной концентрацией углерода созданием температурного градиента.

Для такого подвижного в диффузионном отношении элемента, как углерод, реальной становится разработка новых технологий, связанных, например, с временным удалением углерода из одних зон стальной заготовки для выполнения каких-либо технологических операций с этим обезуглероженным объемом и последующей гомогенизацией изделия по содержанию углерода. Это может оказаться полезным при сварке высокоуглеродистой стали. В околошовной зоне такой стали можно предварительно на время сварки снизить содержание углерода, оттеснив его в близлежащие слои металла с помощью градиентного нагрева и зафиксировав достигнутое распределение закалкой. После завершения операции сварки содержание углерода легко выровнять кратковременной аустенизацией или изотермическим отжигом.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Хасуи, А. Наплавка и напыление. [Текст] / А. Хасуи, О. Моригаки // - М.: Машиностроение, 1985.- 32с.
  2. Ильинский, В.А. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий. [Текст] / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтюшин // Металлы. – 1998. -№ 3. – С. 46-50.
  3. Marincek, B. Einflu der Schelzvenfahnen und Schmelzfuhrung auf Fehler bei Ciueisen mit Kugelgraphit und Kontrollmanahmen zur Begpenzung und Vermeidung dieser Fehler (1. Teil). / В. Marincek // Giesserei – Praxis. 1982. №13/14, - P. 217- 229.
  4. Ильинский, В.А. Сверхбыстрое перераспределение углерода в цементованных слоях стальных изделий. / В.А. Ильинский, А.А. Жуков, Л.В. Костылева, В.А. Локтюшин // Металлы. 1998. №3. - С. 46–50.

Метки: Инженерия