Видеокурс по SIMATIC STEP 7


Причины образования холодных трещин в сварных соединениях

Причины образования холодных трещин в сварных соединениях
Качество сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей во многом определяется свойствами зоны термического влияния и прежде всего ее стойкостью к образованию холодных трещин. Склонность к образованию холодных трещин связывают с формированием высокотемпературной химической микро-неоднородностью (ВХМН) у линии сплавления и последующим превращением аустенита в мартенсит в околошовной зоне (ОШЗ), характером и величиной сварочных напряжений, насыщением и распределением водорода в процессе сварки. Вероятность появления холодных трещин в шве и ОШЗ увеличивается при сварке среднеуглеродистых легированных сталей проволокой, близкой по химическому составу к основному металлу. Холодные трещины образуются в интервале температур мартенситного превращения (250 °С и ниже), а также после полного остывания сварного изделия, иногда спустя значительное время после сварки (через 24– 48 ч).

В настоящее время принято считать, что основными причинами образования холодных трещин являются следующие:

1) закалочные структуры в зоне сварного соединения, характеризующиеся пониженной пластичностью и придающие сталям склонность к замедленному разрушению;

2) присутствие диффузионно-подвижного водорода в зоне зарождения и развития трещины;

3) сварочные напряжения 1 рода и напряжения от внешних нагрузок.

Известно, что структурно-фазовое состояние металла во многом определяет его механические свойства. Формирование структуры и фазового состава металла зависит от его химического состава и условий теплового воздействия, главным образом – от скорости охлаждения в температурном интервале распада аустенита. Характер теплового воздействия на металл при сварке определяется термическим циклом сварки (ТЦС), зависящим при прочих равных условиях от режима и условий сварки.

В зависимости от скорости охлаждения в сталях возможно образование различных структур: от феррито-перлитных до мартенситных. Термические циклы при сварке многих сталей характеризуется скоростью охлаждения, часто превышающей критическую для данной стали. В таких случаях в металле шва и ЗТВ возникают закалочные структуры мартенситного типа. Сварные соединения с такой структурой оказываются малопластичными и, как правило, склонными к образованию холодных трещин и замедленному разрушению. Ориентировочно минимальная доля мартенсита в структуре перлитных сталей, при которой возможно образование холодных трещин, составляет 25–30 %.

Мартенситные превращения основной части аустенита обычно протекают при пониженных температурах (250 °С и ниже), когда металл уже приобрел прочность, сопровождаются значительным увеличением объема, что приводит к возникновению структурных напряжений. По сравнению с другими структурными составляющими мартенсит характеризуется высокой твердостью, прочностью и низкой пластичностью.
Углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита, способствуют распаду его при более низких температурах с образованием мартенсита, повышая тем самым вероятность возникновения холодных трещин в сварных соединениях.
В образовании холодных трещин при сварке значительную роль играет водород. В начальный момент после сварки максимальная концентрация водорода наблюдается в металле шва, откуда он диффундирует в области с меньшей концентрацией: околошовную зону и далее в основной металл. При наличии в ОШЗ закалочных структур водород задерживается в ней, так как коэффициент диффузии его в мартенсите в несколько раз меньше, чем в ферритоперлитной структуре. Попадая в микронесплошности (поры, микротрещины), водород переходит в молекулярную форму, развивая постепенно в таких несплошностях высокие давления, которые приводят к развитию холодных трещин.
Влияние водорода на развитие и рост трещин связывают также и с тем, что водород снижает поверхностную энергию, т.е. уменьшает работу развития трещины. Существуют и другие взгляды, объясняющие влияние водорода на склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке.

Временные напряжения в сварном соединении возникают и непрерывно изменяются в процессе его охлаждения в результате усадки и фазовых превращений в металле шва и околошовной зоны. В зависимости от величины временных сварочных напряжений, при температурах близких к температуре начала мартенситного превращения, в ОШЗ наблюдаются различные упругопластические деформации. Это оказывает заметное влияние на кинетику превращения переохлажденного аустенита в этой зоне и, следовательно, на конечную структуру и свойства металла.

Характер и уровень временных напряжений зависят от конструкции сварного узла, способа, режима, условий, техники сварки и других факторов, важная роль среди которых отводится химическому составу металла шва.

Кроме отмеченных факторов, на склонность сталей к образованию холодных трещин оказывают влияние количество, состав, характер распределения и форма неметаллических включений в основном металле. Наиболее неблагоприятной формой неметаллических включений является пленкообразная. При неблагоприятной форме и цепочкообразном расположении включений в месте их скопления возможно зарождение надрывов (особый вид горячих трещин), которые могут служить очагами для последующего зарождения холодных трещин. С уменьшением количества неметаллических включений и при более равномерном их распределении вероятность образования надрывов уменьшается. Равномерное и мелкодисперсное распределение неметаллических включений затрудняет зарождение и распространение холодных трещин.

Верхняя граница начала мартенситного превращения и склонность стали к образованию холодных трещин зависят от вида легирующих элементов и от их содержания в стали. С увеличением содержания углерода возрастает склонность стали к образованию холодных трещин. При повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена, и некоторых других элементов снижается температура мартенситного превращения в легированных сталях. Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем больше вероятность появления холодных трещин. О склонности стали к образованию холодных трещин и ее свариваемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалентного содержания углерода, рассчитываемого по относительному содержанию легирующих элементов.

Стали, у которых Сэ ≥ 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин, так как в этом случае становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжениях может вызвать образование трещин.

Вероятность появления закалочных трещин возрастает с увеличением толщины свариваемого металла. Толщина металла оказывает влияние, как на термический цикл, так и на уровень сварочных напряжений и содержание водорода в сварном шве.

Согласно рекомендациям по использованию этой формулы, для ответственных сварных конструкций может быть применена сталь с содержанием углерода не более 0,22% и Cэ ≤ 0,50%. Однако, при сварке сталей склонных к образованию закалочных структур, у которых Сэ ≥ 0,45 %, значение Сэ не может служить показателем действительной склонности сварного соединения к образованию холодных трещин, т.к. не учитывает концентрацию высоких сварочных напряжений и степень насыщения водородом металла сварного соединения.

Попытки получить качественное равнопрочное сварное соединение

Попытки получить качественное равнопрочное сварное соединение из легированных сталей при помощи недуговых источников энергии не принесли...

Определение наилучшей формы щелевой разделки

С целью определить наилучшую форму щелевой разделки, обеспечивающую лучшее качество, равнопрочность и работоспособность многослойных сварных...

Динас

05.10.11

Основные свойства динаса как огнеупорного материала определяются свойствами отдельных модификаций, стойких при высоких температурах...