Микроструктура металла шва и зоны термического влияния
Обновлено: 05.07.2024
Зоной термического влияния (ЗТВ) называют участки в области шва. В процессе сварки металл в этом месте испытывает различную термонагрузку, она влияет на изменение структуры сплава. В околошовной области влияние нагрева проявляется внутренними напряжениями, трещинами. Прочность соединения снижается. Хотя металл в ЗТВ полностью не расплавляется, он нагревается до критических температур. Структура и физические свойства сплава в области нагрева изменяются. Это сказывается на прочности сварного соединения.
Свойства
На протяжении зоны термического влияния у металла свойства меняются. Они определяются термопластическим циклом, зависят от локальности нагрева. Под воздействием температуры образуется зернистость. Чем дольше сплав прогревается до температуры фазового перехода, тем крупнее зерна. Меняются показатели ударной вязкости, пластичности. Это основные физические свойства металлоизделий.
Как же изменяется ширина зоны термического влияния с увеличением скорости сварки?
Чем быстрее нагревается и остывает деталь, тем меньше ЗТВ. При снижении силы тока сокращается влияние температуры, уменьшается размер ЗТВ.
Структура и размеры зоны термического влияния
Исходя из понятия зоны термического влияния (это нагреваемая область), нетрудно предположить, что на разном удалении от шва деталь нагревается. Для наглядности представим участок околошовной зоны сварки низкоуглеродистой стали.
Схема структурных изменений в зоне термического влияния делится на несколько участков:
1 – неполного расплава. Он является переходным, металл находится в состоянии диффузии наплавки и основного сплава, соединяются две фазы – жидкая и твердая. Протяженность участка небольшая, от 100 до 500 микрон. При температуре 1500°С начинается образование крупных зерен.
2 – перегрева (длина 3–4 мм), в сплаве образуются крупные зерна, характерные для закалочного процесса, сс-железо переходит в у-железо. Ударная вязкость и пластичность стали снижаются. Температура постепенно падает с 1500 °С до 1100°С.
3 – нормализации или перекристаллизации (длина от 200 мкм до 1,5 мм, t – от 1100 до 900°С). Металл находится в температурном интервале. Образуются вторичные мелкие зерна (ферритовая фаза), физические свойства сплава близки к начальным.
4 – неполной перекристаллизации (длина от 500 мкм до 1,2 мм, t – от 900 до 725°С). Мелкие зерна чередуются с перлитными пластинками. Физические свойства хуже, чем на 3-м участке.
5 – рекристаллизации или старения (длина до 1,5 мм, t – от 725 до 450°С). Структура, характерная для нагартованного металла, разрушается. При нагреве до точки пластичности металл восстанавливается, формируются зерна стандартной величины.
6 – синеломкости, переход к основному металлу, температура понижается до 200°С. На сплаве видны синеватые пятна побежалости. Происходит насыщение поверхностного слоя азотом, водородом и углекислым газом с образованием нитридов, карбидов. Прочность стали повышается, пластичность снижается.
При сварке других сталей, в многопроходных швах структура ЗТВ меняется. Размеры зоны термовлияния зависят от нескольких факторов: толщины заготовок, химического состава стали, вида сварочного аппарата, они установливаются экспериментальным путем.
Микроструктура шва и зоны термического влияния.
Сварочной дугой называется мощный устойчивый электрический разряд в газовой среде, образованной между электродами, либо между электродами и изделием. Сварочная дуга характеризуется двумя основными свойствами: выделением большого количества тепловой энергии и сильным световым эффектом. Она является концентрированным источником тепла и применяется для расплавления основного и присадочного материалов.
В зависимости от того, в какой среде происходит дуговой разряд, различают:
- открытую дугу, горящую в воздухе, где составом газовой среды зоны дуги является воздух с примесью паров свариваемого металла, материала электродов и электродных покрытий;
- закрытую дугу, горящую под флюсом, где составом газовой среды зоны дуги являются пары основного металла, проволоки и защитного флюса; дугу, горящую в среде защитных газов (в состав газовой среды зоны дуги входят атмосфера защитного газа, пары проволоки и основного металла). Сварочная дуга классифицируется по роду применяемого тока (постоянный, переменный, трехфазный) и по длительности горения (стационарная, импульсная). При применении постоянного тока различают дугу прямой и обратной полярности. При прямой полярности отрицательный полюс силовой цепи — катод — находится на электроде, а положительный полюс—анод — на основном металле. При обратной полярности плюс на электроде, а минус на изделии. По принципу работы дуги бывают прямого, косвенного и комбинированного действия (рис. 14).Прямой дугой называют дуговой разряд, происходящий между электродом и изделием. Косвенная дуга представляет собой дуговой разряд между двумя электродами (атомно-водородная сварка).Комбинированная дуга — это сочетание дуги прямого и косвенного действия. В сварочной дуге дуговой промежуток разделяется на три основные области: анодную, катодную и столб дуги. В процессе горения дуги на электроде и основном металле имеются активные пятна,представляющие собой более нагретые участки электрода и основного металла, через которые проходит весь гокдуги. Активное пятно,находящееся на катоде,называется катодным, а пятно, находящееся на аноде, —анодным.
Микроструктура шва и зоны термического влияния.
Часть металла около шва, которая подвергалась нагреву, в результате чего произошло изменение структуры и свойств основного металла, называют зоной термического влияния. Свойства сварного соединения определяются как свойствами металла шва, так и изменившимися свойствами основного металла, расположенного в зоне термического влияния. Изменение структуры и свойств происходит в зависимости от степени нагрева, выдержки при этих температурах и от скорости охлаждения, При сварке низкоуглеродистых сталей различают определенные структурные участки в зоне термического влияни.
1) Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному. Участок представляет собой узкую полоску основного металла, нагреваемую при сварке до температур начала и конца плавления. Значение этого участка для качества сварного соединения очень велико, так как в нем происходит сваривание основного и наплавленного металла. 2) Участок перегрева включает часть металла, нагретого до температуры, близкой к температуре плавления. В связи с этим здесь развивается крупное зерно и возможно появление структуры перегрева, которая снижает вязкость металла, хотя на прочности отражается мало.
3) Участок нормализации охватывает часть металла, нагреваемого в процессе Сварки несколько выше 900° С. Благодаря перекристаллизации при нагреве и охлаждении происходит значительное измельчение зерен металла, что способствует получению высоких механических свойств.
4) Участок неполной перекристаллизации включает часть металла, нагретого при сварке примерно от 725 до 900°. Металл подвергается в процессе нагрева и охлаждения только частичной перекристаллизации. Механические свойства такой смешанной структуры невысоки.
5) Участок рекристаллизации представляет собой температурный интервал (450—725° С), в котором происходит рекристаллизация зерен феррита. Структура такого участка состоит из равноосных зерен феррита и перлита, в то время как основной металл имеет структуру в виде вытянутых неравноосных кристаллических обломков.
6) Участок синеломкости по структуре совершенно не отличается от основного металла, полностью сливаясь с последним. Участок основного металла, подогретый до температуры 200—500° С, обладает пониженной пластичностью и несколько повышенной прочностью.
Следовательно, изменение структуры в участках зоны термического влияния приводит в большинстве случаев к ухудшению механических свойств металла. Поэтому возможные изменения структуры в околошовной зоне следует учитывать при проведении сварочного процесса и принимать меры для получения более благоприятных структур или смягчения данной структуры. Для каждого сварного изделия разрабатывают наиболее рациональную технологию сварки, иногда довольно сложную — с применением подогрева, термической обработки и других операций.
Зона термического влияния сварного шва
Известно, что сварка предназначена для надежного, прочного и плотного соединения заготовок в составную деталь или сложную конструкцию. Но эти условия, не всегда достигаются в полной мере, так как в сварном шве и околошовной зоне в процессе их сварки и охлаждения происходят изменения внутреннего строения (структуры) металла. Эти изменения сопровождаются ухудшением механических свойств шва и околошовной зоны в сравнении со свойствами металла заготовок, что иногда приводит к выходу конструкций из строя и даже авариям. Каковы же причины таких изменений и как их можно предупредить, или в какой мере учитывать?
При сварке плавлением к кромкам соединяемых заготовок подводят сварочное пламя электрической дуги или горящих газов, которое расплавляет эти кромки и присадочный материал с образованием сварочной ванночки жидкого металла. Этот процесс длится в течении 10. 25 с. После удаления источника тепла, металл ванночки охлаждается за 50. 80 с и образуется сварной шов. Обязательным условием успешной сварки плавлением является температура сварочного пламени 2700. 4000°С. При меньшей температуре источника тепла сварочная ванночка будет образовываться очень медленно и неэффективно вследствие высокой теплопроводности холодного металла и больших потерь тепла. Во время интенсивного нагрева и расплавления основной и присадочный металлы сильно перегреваются. В узкой зоне плавления заготовок кристаллизуются зерна, принадлежащие к основному и наплавленному металлу. Соседние участки основного металла по обе стороны шва в процессе сварки тоже нагреваются, причем, по мере удаления от шва температура их нагрева все меньше и меньше. Эта узкая зона нагретого металла называется зоной термического влияния. Размеры зоны термического влияния зависят от способа и технологии сварки, от теплопроводности и теплоемкости того или иного свариваемого металла. Так, при ручной электродуговой сварке электродами с покрытием ширина этой зоны 4. 10 мм, при газовой сварке – 20. 25 мм, при автоматической сварке под слоем флюса при большой скорости нагрева ширина зоны термического влияния невелика – 2. 2,5 мм. Чем уже околошовная зона термического влияния, тем выше механические свойства сварного соединения.
При сварке низкоуглеродистой стали (с содержание углерода менее 0,25 %) структурные изменения в зоне термического влияния в меньшей степени снижают ее механические свойства в сравнении с тем, как сильно изменяются эти свойства при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей.
При сварке стали, в зависимости от удаления слоев металла от шва, эти слои нагреваются в зоне термического влияния до разных температур. А в зависимости от температуры нагрева в различных слоях стали происходят и различные структурные превращения.
В зоне термического влияния условно выделяют шесть участков, нагретых до разных температур и претерпевших различные структурные превращения.
В сварном шве наплавленный металл имеет столбчатое крупно-зернистое строение, характерное для литой стали, прочность и предел текучести которой несколько ниже, чем основного изделия. Некоторая компенсация прочностных характеристик шва достигается его несколько большим поперечным сечением и легированием.
Первый участок. Он примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз. Температура на этом участке выше температуры плавления стали (более 1539°С); образуется крупнозернистая структура.
Затвердевший металл по механическим свойствам близок к металлу шва.
Второй участок. Здесь сталь нагревается до температур от 1500°С до 1100°С. в результате сильного перегрева после охлаждения на этом участке образуется крупнозернистая – грубоигольная структура. Металл этой зоны обладает НАИБОЛЬШЕЙхрупкостью и является САМЫМ СЛАБЫМ местом сварного соединения.
Третий участок. Температура стали в пределах от 900°С до 1100°С. Здесь после медленного охлаждения изделия образуется мелкозернистая структура нормализованной стали, механические свойства которой выше, чем в первых двух зонах, они приближаются к свойствам основного металла заготовок. При электродуговой сварке эта зона преобладающая, а при газовой сварке выражена слабо.
Четвертый участок. Нагрев – 900. 700°С, участок неполной перекристаллизации. В нем наряду с крупными зернами феррита образуются мелкие зерна феррита и перлита. Механические свойства стали ниже, чем на участке 3.
Пятый участок. Нагрев – 700. 500°С. Если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации, в холодном состоянии (менее 300°С), то структурных изменений в ней на этом участке не происходит. Если же сталь упрочнялась холодной пластической деформацией, то на этом участке происходит рекристаллизация с потерей приобретенных свойств и падением ударной вязкости.
Шестой участок. Нагрев ниже 500°С. Если предварительно сталь пластически не упрочнялась, то она не претерпевает заметных структурных превращений, однако наблюдается резкое падение ударной вязкости – синеломкость. Если же сталь предварительно пластически упрочнялась, то в этой зоне происходит частичная рекристаллизация с некоторым (до 30. 40 %) снижением ее твердости и предела текучести.
Из рассмотренного видно, что зона термического влияния является зоной активной реакции металла на нагрев. Учитывать влияние этой зоны необходимо в следующих случаях:
– при сварке сталей, предварительно подвергнутых холодной пластической деформации происходит потеря приобретенных свойств; поэтому недопустимо сваривать и нагревать стальные грузовые тросы;
– при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей образуются закалочные структуры, обладающие значительной хрупкостью, которая может привести к трещинообразованию в зоне термического влияния;
– изделия после сварки должны охлаждаться медленно во избежание образования в околошовной зоне закалочных структур;
– учитывать особенности зоны термического влияния необходимо и при выборе способа сварки изделий.
Таким образом, образование зоны термического влияния сварного шва сопряжено с ухудшением прочностных и пластических свойств свариваемого металла. Это наиболее слабое место в сварном соединении и это необходимо обязательно учитывать, как при проектировании сварных конструкций, так и при их эксплуатации.
Методические указания к выполнению лабораторной работы "Анализ структуры сварного соединения"
Сварка – получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.
Сварное соединение – неразъемное соединение, выполненное сваркой.
Сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.
Образование сварного соединения начинается с возникновения сварочной ванны (часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии)за счет нагрева и расплавления электродного и основного металла. Сварочная ванна покрывается слоем жидкого шлака, защищающего ее от окружающей среды, под которым начинается кристаллизация расплавленногометалла шва(металл шва – сплав, образованный расплавленными основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом).
Одновременно с образованием сварочной ванны и процессом кристаллизации металла шва происходит образование зоны сплавления (зона частично сплавившихся зерен на границе основного металла и металла шва). За счет тепла дуги и тепла кристаллизации сварочной ванны происходит нагрев околошовной зоны (ОШЗ) основного металла. В результате формируется зона термического влияния (ЗТВ) (участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке).
2. Строение сварного шва
В зависимости от реальных условий процесса сварки, температуры, скорости нагрева и охлаждения различных участков металл сварного соединения неоднороден и состоит из следующих зон (рис. 1.1).
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.
Рис. 1.1. - Макроструктура нахлесточного сварного соединения
Зона сплавления – расположена на границе основного металла и металла шва.В данной зоне выделяется участок с крупными зернами, т. е. участок металла, который в процессе сварки нагревался до температуры выше линии солидус, но ниже линии ликвидус (в данной температурной области происходит частичное расплавление основного металла). В нее попадают химические элементы из металла электрода (из сварочной ванны). В месте примыкания к границе сплавления основного металла со швом, из-за большой разницы химического состава основного и электродного (присадочного) металлов может образоваться химическая неоднородность. Эта неоднородность может привести к скачкообразному изменению физико-механических свойств металла околошовной зоны и снижению надежности сварного соединения. Ширина зоны сплавления изменяется в пределах 0,1 – 0,4 мм и зависит от химического состава свариваемого металла (от температурного интервала «ликвидус – солидус»), от способа и режима сварки.
Зона термического влияния – часть основного металла, примыкающая к сварному шву, с измененными в процессе сварки структурой и свойствами. Общая ширина ЗТВ зависит от условий нагрева и охлаждения, от теплофизических свойств и толщины свариваемого металла, от метеоусловий и пр. (при дуговой сварке она составляет – 2 – 6, а при газовой – до 30 мм).
Изменение структуры в околошовной зоне, например на однопроходном стыковом соединении, можно проследить, поместив над сечением сварного соединения кривую распределения максимальной температуры, совместив ее в том же масштабе температуры с диаграммой состояния железо-цементит.
Намечая на диаграмме состояния сплавов характерные зоны и участки, перенесем их границы на график распределения температуры (рис. 1.2). Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сечения сварного соединения. Это позволит определить линейные границы отдельных участков зоны термического влияния. Наибольшее применение в сварочном производстве получили низко- и среднеуглеродистые стали. В процессе сварки плавлением низкоуглеродистых сталей применяют сварочные материалы, при которых металл шва получается либо низкоуглеродистым, либо низколегированным. Такие стали малочувствительны к скорости охлаждения и не образуют закалочных структур. Их структура, как правило, ферритно-перлитная.
Рассмотрим зону термического влияния сварного соединения (см. рис. 1.2 – 1.4):
1 – переходный участок или участок сплавления, обычно размер его невелик. Интервал температуры, для стали 20, около 1490 – 1520 ° С. Структура стали – крупнозернистая, возможно образование видманштеттовой структуры (рис. 1.4);
2 – участок перегрева (см. рис. 1.3, б и 1.4). Металл нагревается выше 1100 ° С, до температуры, близкой к линии солидус. В этом интервале температуры за счет роста зерна аустенита формируется крупнозернистая структура перегретой стали с пониженной ударной вязкостью. Часто на этом участке образуется видманштеттова структура (крупнозернистая с зернами феррита иглообразной формы), что еще больше повышает хрупкость стали. Ширина этого участка – 1 – 3 мм;
3 – участок нормализации (рис. 1.4). Металл нагревается выше третьей критической точки Ас3 (от 900 до 1100 ° С). В процессе полной перекристаллизации в аустенит, на этом участке образуется мелкозернистая (сорбитообразная) структура, которая обеспечивает более высокие механические свойства стали, по сравнению со свойствами исходного металла и свойствами других участков зоны термического влияния. Ширина этого участка – 1,2 – 4 мм;
Рис. 1.2. Схема строения сварного шва
4 – участок неполной перекристаллизации (рис. 1.4). Металл нагревается до температуры 725 – 850 ° С (между первой Ас1и третьей критическими точками Ас3). Процесс измельчения зерна происходит только за счет перекристаллизации той части структуры, которая занята перлитом, а размер зерен феррита не изменяется. Поэтому сталь на этом участке может состоять не только из мелких зерен, но и отдельных крупных зерен феррита. Сталь с разнозернистым строением имеет более низкие механические свойства, чем мелкозернистая сталь. Ширина этого участка – 0,7 – 4 мм;
5 – участок рекристаллизации. Температура нагрева этого участка ниже первой критической точки Ас1(727 ° С). При сварке горячекатаной или отожженной стали, на этом участке ЗТВ никакие структурные изменения в металле не происходят.
Если же сталь перед сваркой была наклепана (нагартована) в результате холодной пластической деформации (штамповка, гибка, правка), то при нагреве в интервале температуры 550 – 600 ° С произойдет процесс рекристаллизации (рост новых равноосных зерен за счет исходных деформированных). По сравнению с исходным металлом прочность и твердость стали снизятся, а пластичность увеличится. В случае если температура нагрева металла на этом участке близка к первой критической точке (727 ° С) и длительность пребывания его при этой температуре значительна, то происходит процесс собирательной рекристаллизации. При этом укрупняется зерно и происходит разупрочнение металла. Данный участок в этом случае называют участком разупрочнения.
Рис. 1.3. Структура стали Ст3сп при автоматической дуговой сварке: а – металл шва, феррит и перлит (проволока Св-08ГА, флюс АН-348А); б – участок перегрева зоны термического влияния (видманштеттовая структура); в – основной металл. ×100
6 – участок синеломкости. Температура нагрева металла на данном участке сварного шва в интервале 200 – 400 ° С, при котором на поверхности стали появляются синие цвета побежалости (пленки окислов). Характеризуется тем, что прочность и твердость металла повышаются, а пластичность и ударная вязкость – резко падают. Это явление получило название «синеломкость». Вероятной причиной этого является старением металла – выделение по границам зерен из пересыщенного твердого раствора дисперсных карбидов и нитридов.
3. Влияние структуры шва на механические свойства сварного соединения
Таким образом, структура и, соответственно, механические свойства металла отдельных зон и участков сварного соединения неодинаковы (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Микроструктура зоны термического влияния при дуговой сварке низкоуглеродистой стали Ст3сп (смотреть слева направо – от основного металла к металлу шва) ×100
В зоне термического влияния наиболее низкие механические свойства наблюдаются у металла шва, на границе сплавления, участке перегрева и участке синеломкости. У наплавленного металла шва это объясняется литой структурой металла и вероятностью наличия дефектов (инородных включений, пор, непроваров, трещин и т. п.) (рис. 1.5), в переходной зоне шва – тем, что структура стали состоит из литых зерен и крупных кристаллов перегретого металла с характерной для них низкой прочностью. На участке синеломкости также низкие пластичность и ударная вязкость. Такая разносвойственность участков сварного шва особенно резко проявляется при эксплуатации сварных конструкций, испытывающих динамические и циклические нагрузки.
Структурную неоднородность сварного соединения можно в определенной степени устранить термической обработкой. Если на термическую обработку возлагается только задача снятия внутренних напряжений, возникших в результате сварки, то можно ограничиться низкотемпературным отжигом при 500 – 600 ° С с последующим медленным охлаждением. Перегрев и видманштеттовая структура ЗТВ устраняются измельчением зерна стали за счет повторной перекристаллизации (полным отжигом или нормализацией).
Рис. 1.5. Макродефекты сварных соединений: а – поры и шлаковые включения; б – межкристаллитная трещина; в – трещина в околошовной зоне.
Наиболее эффективным средством изменения параметров термического цикла является предварительный или сопутствующий подогрев места сварки (последующее снижение скорости охлаждения для уменьшения закалочных явлений). Однако подогрев иногда не может быть использован из-за возможности чрезмерного роста зерна стали (перегрева), образования околошовных горячих трещин или из-за трудности осуществления.
Прочность сварного соединения зависит также от дефектов, не связанных со структурными превращениями, – это неправильное формирование шва, образование наплывов и подрезов, образование трещин при неравномерной усадке в процессе кристаллизации металла шва. При затвердевании объем шва уменьшается, а основной металл препятствует этой усадке. В результате могут образоваться значительные внутренние напряжения и даже трещины.
Порядок выполнения работы
1) Исследовать под микроскопом структуру наплавленного металла и зоны термического влияния. Выявить дефекты сварного соединения.
2) Зарисовать схему строения сварного шва (см. рис. 1.2) и описать особенности структуры каждого участка зоны термического влияния.
3) Определить по структуре сварного шва наиболее вероятное место его разрушения.
Содержание отчета
1) схема строения сварного шва с расшифровкой всех обозначений. Описание выявленных дефектов макроструктуры.
2) Описание особенностей структуры каждого участка зоны термического влияния.
3) Выводы о прочности и надежности исследованного сварного шва.
Вопросы для самоконтроля
1. От чего зависит состав, структура и свойства металла шва и какие дефекты снижают его эксплуатационную надежность?
2. Что собой представляет зона термического влияния сварного соединения и из каких участков она состоит?
3. Чем объяснить формирование в ЗТВ участка перегретого металла. Какая его структура и свойства?
4. Какая термическая обработка используется для исправления дефектной структуры (видманштеттовой) в ЗТВ сварных швов?
Микроструктура сварного соединения
Проведен микроскопический анализ сварного соединения углеродистой стали. Исследования проводились на образцах малоуглеродистой стали. Изучены зоны сварного соединения. Определена марка стали. Приведены фотографии основного металла, металла шва и участков зоны термического влияния. Проведенная работа позволяет вести дальнейшие исследования по изучению участков зоны термического влияния, что позволит оценить их влияние на механические свойства сварного соединения в целом.
Актуальной задачей на сегодняшний день является необходимость получения сварных конструкций с требуемыми механическими свойствами. Это становится возможным при получении определенной микроструктуры сварного шва, что зависит от различных параметров сварки. Предметом наших исследований являлся сварной шов конструкций из углеродистых сталей. Для того чтобы выявить склонность металла и зоны термического влияния к образованию трещин и разрушению сварных конструкций надо исследовать микроструктуру сварного соединения,на которую могут оказывать влияние различные факторы. Мы будем исследовать влияние скорости охлаждения на структуру и зону термического влияния различных сталей при сварке. Для начала нужно исследовать и изучить микроструктуру сварного соединения низкоуглеродистой стали, что мы и сделали в данной работе.
Соединение, выполненное сваркой плавлением (малоуглеродистой, низколегированной) стали, состоит из следующих зон: металл шва 1; зона сплавления 2; зона термического влияния 3 и основной металл 4 (рис. 1).
Рис.1. Строение сварного соединения
Металл шва– сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.
Зона сплавления– зона, где находятся частично оплавленные зерна металла на границе основного металла и металла шва. Эта зона нагрева ниже температуры плавления. Нерасплавленные зерна в этой зоне разъединяются жидкими прослойками, связанными с жидким металлом сварочной ванны, в эти прослойки имеют возможность проникать элементы, введенные в ванну с дополнительным металлом или сварочными материалами. Поэтому химический состав этой зоны отличен от химического состава основного металла.
Зона термического влияния– участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева или пластической деформации при сварке, наплавке или резке.
Основной металл– металл подвергающихся сварке соединяемых частей, чаще это малоуглеродистая сталь после прокатки.
Мы изучали структуру сварного соединения при помощи микроанализа. Микроскопический метод исследования металлов и сплавов (микроанализ), изучает структуру металлов и сплавов с помощью металлографического микроскопа. Для этого были приготовлены шлифы – образцы изучаемого металла со специально подготовленной плоской (шлифованной, полированной) поверхностью. Структура металлов сплавов, наблюдаемая при помощи микроскопа, называется микроструктурой. Специально приготовленные для проведения микроанализа образцы называются микрошлифами.
Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке его поверхности, выбранной для исследования, и последующего травления. На всех стадиях приготовления шлифа необходимо следить за тем, чтобы образец не перегревался, иначе это может повлечь за собой изменения в структуре.
Образец шлифовали вручную, начиная со шлифовальной шкурки с крупным зерном, с последующим переходом к шкуркам с более мелким зерном. При переходе к меньшему номеру зернистости очищали образец от абразиваи меняли направление шлифовки на 90°. После завершения шлифования образец тщательно промывали водой для полного удаления абразива. Затем полировали образец на полировальных станках для удаления рисок шлифования. Вращающийся диск станка был обтянут сукном, в качестве абразива использовали оксид хрома. Поверхность полированного шлифа – зеркальная (отсутствуют риски, царапины). Далее шлиф промывают водой и просушивают прикладыванием фильтровальной бумаги к полированной поверхности.
Под микроскопом изучают сначала шлиф до травления, затем – после травления. На нетравленой поверхности металла непосредственно после полировки можно обнаружить на общем светлом поле отдельные темные или серые точки, линии и пятна, которые могут представлять собой как не устраненные полировкой дефекты поверхности образца (раковины, поры, микротрещины, следы обработки – риски шлифования), так и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, силикаты).
Для выявления полной картины микроструктуры металла образец подвергают травлению. Перед травлением поверхность микрошлифа обезжиривается спиртом, а затем погружается в травитель. Травителем в данном случае являлся 5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. При травлении реактив взаимодействует с различными участками поверхности микрошлифа неодинаково, что приводит к разной степени их травимости и образованию микрорельефа поверхности. Более протравившиеся фазы и зерна выглядят более темными в отличие от светлых, непротравившихся. Для проведения микроанализа мы использовали металлографические микроскопы, вертикальный МИМ-7 и горизонтальный МИМ-8, которые позволяют рассматривать структуру в отраженном свете.
Структура сварного шва определяется условиями охлаждения, влияющими на процессы кристаллизации и на диффузионные процессы. Участок наплавленного металла (шва) имеет столбчатое строение (рис.2), т.к. процесс кристаллизации в металле шва имеет направленность: кристаллы растут в направлении, обратном отводу тепла, вглубь жидкой ванны, и металл приобретает столбчатую структуру. Кристаллит состоит из отдельных дендритов, имеющих общую направленность, которые иногда могут иметь и различную разветвленность. Группа дендритов, имеющая четкую границу, составляет столбчатый кристаллит. В корне шва, ближе к переходной зоне, составляющие столбчатый кристаллит дендриты разветвлены минимально. Сталь малоуглеродистая, микроструктура: феррит и небольшое количество перлита.
Структура литого металла с грубым столбчатым строением характерна для однослойных швов. Если шов выполнен в несколько проходов, то наложение каждого последующего шва оказывает тепловое влияние на нижний шов. В результате структура нижележащего шва становится мелкозернистой. Верхний шов при этом сохраняет литую структуру.
Рис.2. Металл шва
Зона термического влияния (ЗТВ)– это область сварного соединения, в которой происходят изменение структуры и свойств металла под действием выделяемого источником нагрева тепла. В ЗТВ для свариваемых сталей (малоуглеродистые, низколегированные) можно выделить шесть основных участков: неполного расплавления, перегрева, перекристаллизации, неполной перекристаллизации, рекристаллизации и участок перехода от ЗТВ к основному металлу. Зона термического влияния – это весьма неоднородная область сварного соединения, структура и свойства которого определяются фазовыми превращениями в стали, протекающими в процессе нагрева и охлаждения при сварке.
Участок неполного расплавления представляет собой очень узкую область – от 0,1 до 0,4 мм основного металла. Здесь проходит граница сплавления. Данный участок нагревается немного выше температуры плавления, т. е. происходит частичное оплавление зерен Структура: феррито-перлитная с окантовкой перлитных выделений ферритными прослойками. Структура характеризуется значительным ростом зерен, развивается ликвация и как следствие участок имеет пониженную прочность и пластичность. Структурный и химический состав в большой степени зависит от диффузии легирующих элементов между сварным швом и основным металлом,так как область неполного расплавления очень узкая,то сфотографировать ее нам не удалось.
Участок перегрева (рис.3) находится в интервале максимальных температур и ограничивается: со стороны шва – температурой участка неполного расплавления ( 1450°С, идет интенсивный рост зерна аустенита); со стороны основного металла – температурой плавления основного металла (1100 – 1200°С). На этом участке металл претерпевает полиморфное превращение из Fed(ОЦК-решетка) в Feg(ГЦК-решетка). Здесь наблюдается перегрев и, следовательно, рост аустенитного зерна. В процессе остывания образуется крупнозернистая видманштеттова структура. Формирующаяся неблагоприятная структура характеризуется резким снижением пластичности и снижением сопротивления хрупкому разрушению,что оказывает решающее влияние на качество сварного соединения.
Ширина этого участка 1-3 мм, – чем меньше его протяженность, тем выше качество сварного соединения. Перегретый металл является слабым местом в сварном соединении.
Рис.3. Участок перегрева
На участке перекристаллизации или нормализации (рис.4) температура находится несколько выше точки Ас3 (1000–900 °С). На этом участке происходит полная перекристаллизация или нормализация, образуется мелкозернистая структура. Длительность пребывания стали при этих температурах невелика, зерно аустенита не успевает вырасти. Участок характеризуется высоким комплексом механических свойств. Ширина в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 1,2 до 4 мм.
Рис.4. Участок нормализации
Участок неполной перекристаллизации (рис.5) имеет максимальную температуру нагрева в интервале температур точек от Ас1 до Ас3 (725–850°С). Структура состоит из крупных неперекристаллизовавшихся зерен феррита и расположенных вокруг них колоний мелких перекристаллизовавшихся зерен феррита и перлита. Механические свойства более низкие, чем у участка нормализации. Влияние на свойства сварного соединения менее отрицательны, чем у участка перегрева, механические свойства выше.
Рис.5. Участок неполной перекристаллизации
На участке рекристаллизации температура находится в пределах от 0,4Тпл до Ас1 (450–700°С). Здесь наблюдается рост новых равноосных зерен после упрочняющей термической обработки или после пластической деформации (ковка, штамповка, прокатка). Происходит рекристаллизация, которая вызывает разупрочнение металла, пластичность повышается. Если до сварки металл не подвергался пластической деформации (например, литые сплавы), рекристаллизации не происходит.
Рис. 5. Участок рекристаллизации
Участок перехода от ЗТВ к основному металлу охватывает температурный интервал 200–400°С, характеризуется резким снижением вязкости, которое обусловлено старением металла. Из пересыщенного феррита выпадают карбиды железа, оксиды, нитриды. Они скапливаются вокруг дефектных участков кристаллической решетки. На поверхности металла появляются синие цвета побежалости. Иногда этот участок называют участком синеломкости.
Основной металл (рис. 6) – это малоуглеродистая сталь. Структура: феррит и небольшое количество перлита. Приблизительное количество перлита (темные участки) 10-13%, что соответствует содержанию углерода ≈ 0,1%. Определенная нами марка стали 10.
Рис. 6. Основной металл
Данная работа по детальному изучению отдельных зон сварного шва и участков зоны термического влияния имеет научное и практическое значение, так как, изменяя, можно влиять на механические свойства сварного соединения.
Список литературы
Ефименко Л.А., Прыгаев А.К., Елагина О.Ю. Металловедение и термическая обработка сварных соединений. М.: Логос, 2007. 456с.
Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989. 387с.
Дата добавления: 13.05.2014
Это популяризирует авторские исследования и научные изыскания, что и является целью работы истинного ученого или публициста. Таким образом, наша база - электронная библиотека, созданная в помощь студентам и школьникам.
Читайте также: