Свариваемость сталей углеродный эквивалент
Обновлено: 03.05.2024
Основными характеристиками свариваемости сталей является их склонность к образованию трещин и механические свойства сварного шва.
По свариваемости стали подразделяют на четыре группы:
1 – хорошая свариваемость; 2 – удовлетворительная свариваемость; 3 – ограниченная свариваемость; 4 – плохая свариваемость.
К группе 1 относят стали, сварка которых может быть выполнена без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки.
Но применение термообработки не исключается для снятия внутренних напряжений.
К группе 2 относят преимущественно стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещины не образуются, а также стали, которые для предотвращения трещин нуждаются в предварительном нагреве, стали, которые необходимо подвергать предварительной и последующей термообработке.
К группе 3 относят стали, склонные к образованию трещин в обычных условиях сварки.
Их предварительно подвергают термообработке и подогревают.
Большинство сталей этой группы термически обрабатывают и после сварки.
К группе 4 относят стали, наиболее трудно сваривающиеся и склонные к образованию трещин.
Сваривают обязательно с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.
Снижать свариваемость могут вредные примеси, если содержание их превышает норму.
Вредные примеси могут ухудшать свариваемость даже и при среднем содержании, не выходящем за норму, если они образуют местные скопления, например вследствие ликвации.
Вредными для сварки элементами в низкоуглеродистой стали могут являться углерод, фосфор и сера, причем последняя, особенно склонна к ликвации с образованием местных скоплений.
Отрицательное влияние на свариваемость может оказывать также засоренность металла газами и неметаллическими включениями.
Засоренность металла вредными примесями зависит от способа его производства, и о ней частично можно судить по маркировке металла: сталь повышенного качества сваривается лучше, чем сталь обычного качества соответствующей марки; сталь мартеновская лучше, чем сталь бессемеровская, а сталь мартеновская спокойная – лучше, чем кипящая.
При изготовлении ответственных сварных изделий указанные отличия в свариваемости низкоуглеродистых сталей должны обязательно приниматься во внимание и учитываться при выборе марки основного металла.
Углеродистые стали, содержащие более 0,25% углерода, обладают пониженной свариваемостью по сравнению с низкоуглеродистыми, причем свариваемость постепенно снижается по мере повышения содержания углерода.
Стали с повышенным содержанием углерода легко закаливаются, что ведет к получению твердых хрупких закалочных структур в зоне сварки и может сопровождаться образованием трещин.
С повышением содержания углерода растет склонность металла к перегреву в зоне сварки.
Увеличенное содержание углерода усиливает процесс его выгорания с образованием газообразной окиси углерода, вызывающей вскипание ванны и могущей приводить к значительной пористости наплавленного металла.
При содержании свыше 0,4–0,5% углерода сварка стали становится одной из сложных задач сварочной техники.
Углеродистые стали вообще обладают пониженной свариваемостью и, если это возможно, рекомендуется заменять их низколегированными конструкционными сталями, которые дают ту же прочность при значительно меньшем содержании углерода за счет других легирующих элементов.
При сварке углеродистых сталей плавлением обычно не придерживаются соответствия химического состава присадочного и основного металлов, стремясь получить наплавленный металл равнопрочным с основным за счет легирования марганцем, кремнием и др. при пониженном содержании углерода.
Сварка углеродистых сталей часто выполняется с предварительным подогревом и последующей термообработкой, причем, если возможно, во многих случаях стремятся совместить термообработку с процессом сварки, например, с газовой сваркой мелких деталей, с газопрессовой, точечной, со стыковой контактной сваркой и т. д.
Ввиду возросшего значения сварки конструкционная низколегированная сталь новых марок, как правило, отличается удовлетворительной свариваемостью.
Если же испытания пробных партий стали показывают недостаточно удовлетворительную свариваемость, то обычно для улучшения свариваемости изготовители корректируют состав стали.
В некоторых случаях требуется небольшой предварительный подогрев стали до 100–200° С, реже приходится прибегать к последующей термообработке.
Для предварительной грубой качественной оценки свариваемости низколегированных сталей иногда прибегают к подсчету эквивалента углерода по химическому составу стали по следующей эмпирической формуле:
Cэ = С+ Mn /20 + Ni /15 + (Cr + Mo + V) /10 , где символы элементов означают процентное содержание их в стали.
При эквиваленте углерода меньше 0.45 свариваемость стали может считаться удовлетворительной, если же эквивалент углерода больше 0.45, то необходимо принимать специальные меры, например, проводить предварительный подогрев и последующую термообработку.
Метод оценки свариваемости по эквиваленту углерода является ориентировочным и далеко не всегда дает верные результаты.
По структуре низколегированные стали относятся обычно к перлитному классу, большое разнообразие химического состава низколегированных сталей весьма затрудняет получение одинакового состава наплавленного и основного металлов при сварке плавлением, что требует большого разнообразия присадочных материалов.
Поэтому, за исключением некоторых особых случаев, когда требуется соответствие химического состава основного и наплавленного металлов (например, получение устойчивости против коррозии, крипоустойчивости и т. п.), обычно ограничиваются получением необходимых механических свойств наплавленного металла, не принимая во внимание его химический состав.
Это позволяет при сварке многих сортов сталей пользоваться немногими видами присадочных материалов, что является существенным практическим преимуществом.
Например, электродами УОНИ-13 успешно свариваются десятки марок углеродистых и низколегированных сталей.
В сварных конструкциях низколегированные стали обычно предпочитают углеродистым той же прочности.
Для установления необходимости небольшого предварительного подогрева и последующего отпуска часто принимают во внимание максимальную твердость металла зоны термического влияния.
Если твердость не превышает НВ200–250, то подогрев и отпуск не требуются, при твердости НВ 250–300 подогрев или отпуск желательны, при твердости выше НВ 300–350 – обязательны.
Из высоколегированных сталей обладают хорошей свариваемостью и находят широкое применение в сварных конструкциях стали аустенитного класса.
Наиболее широко применяются хромоникелевые аустенитные стали, например общеизвестная нержавеющая сталь 18–8 (18% Сг и 8% Ni).
Хромоникелевые аустенитные стали применяются как нержавеющие, а при более высоком легировании, например при содержании 25% Сг и 20% Ni, они являются и жароупорными сталями.
Содержание углерода в хромоникелевых аустенитных сталях должно быть минимальным, не превышающим 0,10–0,15%, иначе возможно выпадение карбидов хрома, резко снижающее ценные свойства аустенитной стали.
Для частей машин, работающих на истирание, например для щек камнедробилок, а также для рельсовых крестовин, применяется обычно в форме отливок сравнительно дешевая марганцовистая аустенитная сталь, содержащая 13–14% Мn и 1–1,3% С.
Сварка аустенитных сталей должна, как правило, сохранить структуру аустенита в сварном соединении и связанные с аустенитом ценные свойства: высокое сопротивление коррозии, высокую пластичность и т. д.
Распад аустенита сопровождается выпадением карбидов, образуемых освобождающимся из раствора избыточным углеродом.
Распаду аустенита способствуют нагрев металла до температур ниже точки аустенитного превращения, уменьшение содержания аустенитообразующих элементов, повышение содержания углерода в низкоуглсродистых аустенитных сталях, загрязнение металла примесями и т. д.
Поэтому при сварке аустенитных сталей следует сокращать до минимума продолжительность нагрева и количество вводимого тепла и применять возможно более интенсивный отвод тепла от места сварки – посредством медных подкладок, водяного охлаждения и т. д.
Аустенитная сталь, предназначенная для изготовления сварных изделий, должна быть высшего качества, с минимальным количеством загрязнений.
Поскольку распад хромоникелевого аустенита вызывается образованием и выпадением карбидов хрома, стойкость аустенита может быть повышена введением в металл карбидообразователей более сильных, чем хром.
Для этой цели оказались пригодными титан и ниобий, в особенности первый элемент, к тому же не являющийся дефицитным.
Титан весьма прочно связывает освобождающийся углерод, не позволяя образовываться карбидам хрома, и тем самым предотвращает распад аустенита.
Для сварки рекомендуется применять аустенитную сталь с небольшим содержанием титана.
Хорошей свариваемостью отличается, например, нержавеющая аустенитная хромоникелевая сталь X18Н9T типа 18–8 с небольшим количеством титана (не свыше 0,8%).
Более строгие требования, естественно, предъявляются к присадочному металлу, который должен быть аустенитным, желательно с некоторым избытком легирующих элементов, с учетом возможного их выгорания при сварке и со стабилизирующими добавками – титаном или ниобием.
ГОСТ 2240-60 предусматривает аустенитную присадочную проволоку для сварки нержавеющих и жароупорных сталей.
Аустенитная присадочная проволока иногда применяется и для сварки сталей мартенситного класса.
Дефицитность и высокая стоимость аустенитной хромоникелевой проволоки заставляют разрабатывать более дешевые заменители.
Стали мартенситного класса, отличающиеся высокой прочностью и твердостью, находят применение как инструментальные стали, как броневые и т. д.
Сварка их связана с известными трудностями.
Стали легко и глубоко закаливаются, поэтому после сварки обычно необходима последующая термообработка, заключающаяся в низком или высоком отпуске.
Часто необходим также предварительный подогрев изделия.
Существенное значение может иметь предшествующая термообработка изделия перед сваркой; желательно по возможности равномерное мелкодисперсное распределение структурных составляющих.
При сварке плавлением часто отказываются от сходства наплавленного и основного металла не только по химическому составу, но и по механическим свойствам, стремясь в первую очередь обеспечить повышенную пластичность наплавленного металла и устранить образование в нем трещин.
Для этой цели при дуговой сварке довольно часто применяют, например, электроды из аустенитной стали.
Стали карбидного класса применяют главным образом как инструментальные, и на практике чаще приходится иметь дело не со сваркой, а с наплавкой этих сталей при изготовлении и восстановлении металлорежущего инструмента, штампов и т. п.
Предварительный подогрев и последующая термообработка для этих сталей по большей части обязательны.
Для дуговой сварки и наплавки применяются электродные стержни легированных сталей, близких по свойствам к основному металлу, а также стержни низкоуглеродистой стали с легирующими покрытиями, содержащими соответствующие ферросплавы.
По окончании сварки или наплавки обычно производится термообработка, состоящая из закалки и отжига.
Стали ферритного класса отличаются тем, что в них совершенно подавлено или ослаблено образование аустенита при высоких температурах за счет введения больших количеств стабилизаторов феррита.
Существенное практическое значение имеют хромистые ферритные стали с содержанием 16–30% Сг и не свыше 0,1–0,2% С, отличающиеся кислотоупорностью и исключительной жаростойкостью.
Стали могут быть сварены с присадочным металлом того же состава или аустенитным.
Обязателен предварительный подогрев; по окончании сварки производится продолжительный отжиг в течение нескольких часов, за которым следует быстрое охлаждение.
Литература:
1.ГОСТ 29273-92 Свариваемость.Определение.
2.ГОСТ 30242-97 Дефекты соединений при сварке металлов плавлением.Классификация, обозначение и определения.
3.Словарь-справочник по сварке / Под ред. К.К. Хренова. Киев, Наукова думка, 1974. 195с.
4.Советский энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров; редкол.: А.А. Гусев и др. – Изд. 4-е. – М.: Сов. энциклопедия, 1987. – 1600с.
5.Сварочные работы. – М.: Вече, 2002. – 176с.
Свариваемость сталей углеродный эквивалент
Свариваемость стали: группы свариваемости, определение свариваемости по эквиваленту углерода
Свариваемость стали — это способность металлов образовывать качественное сварное соединение, удовлетворяющее все эксплуатационные требования.
На свариваемость стали влияют все химические элементы, которые входят в её состав. Каждый из химических элементов придаёт ей особые свойства, которые в последствие влияют на свойства стали. В зависимости от количества легирующих элементов в составе стали, можно определить её способность свариваться.
Также на свариваемость стали может влиять совокупность различных факторов:
1. Толщина свариваемого металла;
2. Климатические условия. Если температура воздуха -5 °C и ниже, тогда сварку нельзя выполнять;
3. Подготовка изделия. К ней относится: очистка поверхности изделия от ржавчины, окалины и других загрязнений;
4. Особенность металла. К такому металлу относится алюминий.
Как на свариваемость сталей влияют легирующие элементы
Стали в своём составе имеют различные легирующие элементы. На свариваемость сталей влияют они по-разному и придают им различные механические свойства. Давайте рассмотрим основные легирующие элементы, которые будут часто встречаться:
Хром повышают твёрдость в зоне термического влияния, что приводит к ухудшению процесса сварки. Высокое содержание хрома приводит к повышению коррозионной стойкости металла.
Никель не влияет на свариваемость стали. Увеличивает её пластичность.
Молибден способствует измельчению зерна, делая сталь устойчивой к ударным нагрузкам. Может приводить к образованию трещин в шве.
Ванадий может ухудшить процесс сварки, так как способствует закалки стали при нагреве.
Вольфрам способствует увеличению твёрдости стали, но в связи с этим затрудняет свариваемость металла.
Титан способствует повышению коррозионностойкости стали.
Марганец в небольших количествах не ухудшает свариваемость. С увеличением марганца до 2,5%, способствует образованию горячих трещин.
Кремний в малых количествах не ухудшает процесс сварки. Когда его содержание превышает 0,8%, препятствует сварке. Образует тугоплавкие окислы.
Сера – вредная примесь, которая приводит к образованию трещин. Содержится в очень малых количествах.
Фосфор делает металл хрупким. Вызывает трещины при остывании металла. Содержится в очень малых количествах.
Углерод очень сильно влияет на свариваемость стали. Его «влияние» намного сильнее, чем суммарное воздействие всех свойств выше приведённых легирующих элементов. Содержание его в стали до 0,25% не влияет на процесс сварки. Если содержание углерода выше 0,25%, то свариваемость стали начинает резко ухудшаться.
Высокое содержание углерода приводит к повышенной твёрдости. Такой сплав имеет повышенную прочность, но при этом становится очень хрупким.
Ознакомившись с тем, как на свариваемость сталей влияют легирующие элементы, можно сделать вывод:
1. При низком содержании легирующих элементов, сталь лучше сваривается. Особенно это касается углерода.
2. Каждый элемент влияет не только на механические свойства металла, но и на качество полученного шва.
3. Нет идеального химического состава. Каждый элемент пытается придать свою «особенность» стали.
Поэтому при выборе металла для своих целей, всегда читайте в справочниках о химическом составе. Также, там описаны все механические свойства и особенности металла. Марочник сталей В. Г. Сорокина можете скачать по этой ссылке.
Группы свариваемости сталей
Каждый из металлов можно отнести к нескольким группам свариваемости. Всего существует 4 группы свариваемости стали.
1 группа. Эта группа характеризуется хорошей свариваемостью металла. Сварка такого металла производится без подогрева и без последующей термообработки. Хотя в некоторых случаях можно провести небольшой подогрев стали после сварки. Это поможет снять внутренние напряжения.
2 группа. Стали этой группы склонны к образованию небольших дефектов (трещин) в процессе сварки. Чтобы этого не допустить, необходимо выполнять предварительный подогрев металла до 120-150°С.
3 группа. Стали этой группы плохо свариваются. Происходит частичное отслоение шва от основного металла. Возможно образование трещин и других дефектов. Для выполнения сварки необходим подогрев до 300-500°С и последующее плавное остывание. Только так можно добиться приемлемого результата.
4 группа. Это самая плохая группа свариваемости стали. Такие стали не используют для изготовления сварных конструкций. Используют их для изготовления деталей путём механической обработки.
Определение свариваемости стали по эквиваленту углерода
Для определения свариваемости стали необходимо посчитать эквивалент углерода (Сэк). Именно от углерода напрямую зависит свариваемость металла. Поэтому коэффициент углерода является важным показателем для определения свариваемости стали.
Посчитать его можно по этой формуле:
Сэк = C + Mn/6 + Cr + Mo/5 + V + (Ni + Cu)/15,
где: С — содержание углерода в процентах, %;
Mn — содержание марганца в процентах, %;
Cr — содержание хрома в процентах, %;
Mo — содержание молибдена в процентах, %;
V — содержание ванадия в процентах, %;
Ni — содержание никеля в процентах, %;
Cu — содержание меди в процентах, %.
Зная Cэк стали, можно определить к какой группе свариваемости относится сталь.
Сэк до 0,25% — 1 группа (Сваривается без ограничений);
Сэк свыше 0,25 до 0,35% — 2 группа (Ограниченно свариваемая);
Сэк свыше 0,35 до 0,45% — 3 группа (Трудно свариваемая);
Сэк свыше 0,45% — 4 группа (Не применяемая для сварки).
Классификация сталей по свариваемости
При классификации сталей по свариваемости, их можно поделить на следующие группы:
1. Сваривается без ограничений (хорошо);
2. Ограниченно свариваются (удовлетворительно);
3. Трудно свариваемые (ограниченная);
4. Не применяется для сварки (плохая).
Какие стали обладают наилучшей свариваемостью
Наилучшей свариваемостью обладают стали с низким содержанием углерода. Низкоуглеродистые стали не требуют дополнительного или сопутствующего подогрева. Являются самыми распространёнными на рынке.
В низкоуглеродистых сталях содержится минимальное количество углерода (до 0,25%) и других легирующих компонентов. Они очень распространены на сегодняшний день.
К ним можно отнести следующие стали:
Углеродистые обыкновенного качества
Ст0, Ст2кп, Ст2пс, СТ3кп, Ст3сп, Ст3пс.
Углеродистые качественные
08кп, 08, 10кп, 10, 15кп, 15, 20кп, 20, 25.
Кроме этих ещё существуют низколегированные стали, которые тоже обладают отличной свариваемостью. К ним можно отнести: 09Г2С, 10Г2, 15ГС, 20ГС, 25ГС, 10ХСНД.
Свариваемость стали
Сварка — один из методов создания неразъемных металлических конструкций. Прочность шва, образующегося в местах соединения составных частей, зависит от такой характеристики стали, как «свариваемость».
Классификация стали по степени ее свариваемости
Сталь представлена различными группами марок, обладающими своими физико-химическими свойствами. Вследствие этого, у металлических изделий неодинаковый показатель свариваемости. В зависимости от этого параметра железо-углеродистые сплавы подразделяется на четыре категории.
- Хорошая
При сварке получается качественный шов. Металл не требует предварительного нагрева для проведения работ, а сами они проходят в обычном режиме и с применением всех известных технологий. - Удовлетворительная
Чтобы создать качественное сварное соединение, стальные изделия необходимо подготовить, то есть разогреть. - Ограниченная
Перед сваркой металлические изделия сначала разогревают, а после их соединения подвергают еще и термической обработке. - Плохая
Такая сталь характеризуется тем, что во время сварки (после нее) на поверхности образуются трещины, а также могут возникать «закалочные» структуры, снижающие прочность и надежность соединения, делающие его хрупким.
Методы расчета углеродного эквивалента
Свойства стали вообще зависят от присутствия в сплаве железа и углерода других металлов. Зная их содержание, с помощью эмпирической формулы не составляет труда рассчитать значение так называемого углеродного эквивалента (Сэ). Эта величина позволяет определить, каких результатов ждать от сварки металлических изделий.
В России для оценки сварных характеристик проката, идущего на создание конструкций, используют формулу, утвержденную ГОСТ ГОСТ 27772-88 :
В Европе для расчетов применяется следующая зависимость:
В Японии такая методика определения углеродного эквивалента:
где С, P, Cr, Mn, Cu, V, Si, Ni, Мо — массовые доли (в %) углерода, фосфора, хрома, марганца, меди, ванадия, кремния, никеля, молибдена.
Сталь считается не склонной к трещинообразованию, если значение углеродного эквивалента «С» меньше 0,45%. В противном случае, когда уже существует вероятность их появления, перед сваркой части, требующие соединения, необходимо прогреть.
Вычисление значения твердости в зоне термического влияния
Следующий параметр, на который следует обратить внимание, — твердость зоны термического влияния (ЗТВ). Так называют участок изделия, который расположен возле образовавшегося шва. В этой области под воздействием температуры происходят фазовые превращения с изменением внутренней структуры металла. Порой это чревато тем, что сталь становится хрупкой.
Твердость металла в этой зоне определяют по методу Виккерса. Если ее значения лежат в диапазоне 350-400 по специальной HV-шкале, то на участке ЗТВ точно находятся продукты распада аустенита (одна из модификаций железа и его сплавов), как раз и инициирующие образование холодных трещин.
Максимальное значение твердости углеродистой и низколегированной стали вычисляют, располагая данными о химическом составе металла, по этой формуле:
где С, Mn, Si, Cr, Ni — массовые доли (в процентах) химических элементов.
Определение чувствительности стали к образованию холодных трещин
Холодные трещины образуются после сварки из-за растягивающих остаточных напряжений. Их сила зависит от жесткости получившейся конструкции и толщины шва. Определить ее значение позволяет коэффициент интенсивности жесткости — К. Он характеризует приложенное усилие, которое на 1 мм раскрывает зазор, оказавшийся в сварном соединении шириной так же 1 мм. Подсчитывается он так:
где Kq — это константа, которую принято считать равной 69, S — толщина стального листа (в мм). Важно отметить, что соотношение справедливо только, если толщина листа не превышает 150 мм.
Насколько сталь может быть подвержена образованию холодных трещин, помогает узнать параметрическое уравнение:
где Рш — коэффициент «охрупчивания» (так называют процесс, когда из вязкого состояния металл переходит в хрупкое), Н — количество диффузионного водорода, К — коэффициент интенсивности жесткости.
Значение Рш находится при решении уравнения Бес-Сио:
Результаты неоднократно проведенных исследований помогли установить порог значения, при котором проявляется чувствительности стали к образованию холодных трещин. Это случается, если значение Pw превышает 0,286.
Способы устранения холодных трещин при сварке
Образование трещин ухудшает поверхность металла и, соответственно, уменьшает прочность готовой конструкции. Предотвратить их появление поможет следующее:
- пересмотр (изменение) конструктивных решений, который позволит снизить жесткость в области сварного узла;
- тщательный контроль за ходом проведения сварки при оптимальном режиме поможет уменьшить содержание диффузионного водорода;
- проведение сварочных работ с соблюдением особых параметров, которые воспрепятствуют охрупчиванию металла и будут содействовать удалению из шва диффузионное водорода.
Из перечисленных способов, снижения вероятности появления холодных трещин при проведении сварочных работ, самый востребованный — последний.
Читайте также: