В период образования сварочной ванны и последующей кристаллизации свариваемый металл в прилежащих зонах подвергается нагреву и охлаждению. В различных его участках в зависимости от свойств металла, скорости нагрева, максимальной температуры нагрева, а также скорости последующего охлаждения протекают фазовые и структурные превращения, определяющие конечные свойства металла.
Оценку структуры металла различных областей з. т. в проводят в первом приближении по диаграмме состояния металлических систем или по критическим точкам, характеризующим полиморфные превращения, а также предельную растворимость. Однако диаграммы состояния и критические точки при нагреве определяются применительно к равновесным условиям. При сварке процессы развиваются в условиях непрерывно изменяющейся температуры. Это сказывается на положении критических точек (рис. 1.6). По этой причине малопригодны для оценки структуры и свойств термокинетические диаграммы, разработанные применительно к термической обработке - равновесным условиям нагрева.
Для оценки структурного состояния металла околошовной зоны широко используют термокинетические диаграммы, построенные для условий нагрева и охлаждения, максимально приближенных к условиям сварки. Для построения таких диаграмм используют быстродействующий дилатометр конструкции ИМЕТ им. А. А. Байкова. Для исследований используют тонкостенные трубчатые образцы, нагреваемые ТВЧ.
Рис. 1.6. Диаграмма превращения при непрерывном нагреве стали 45; μ — средний размер зерна аустенита
При исследовании кинетики фазовых превращений применяют разные скорости нагрева (ωн = 10÷300 °С/с) и разные скорости охлаждения: для стали ωо = 1÷200 °С/с (в интервале 500— 600 °С), для сплавов титана ωо = 4÷450 °С/с (в интервале 800— 1000°С). Максимальная температура нагрева образца Тmax при построении диаграмм составляет для стали 1350—1400 °С, для сплавов титана 1250—1300 °С.
В процессе испытания образцов регистрируется изменение температуры и деформации образца. По этим данным определяют температуры критических точек. По ним строят диаграмму термокинетического превращения для широкого диапазона скоростей нагрева и охлаждения. Дополнительные уточняющие сведения о структуре образцов, нагревающихся по различным термическим циклам, получают в результате металлографического анализа, замеров твердости и других исследований.
На диаграмме, приведенной на рис. 1.7, показано положение С-кривых для двух случаев нагрева стали до температуры 1350 °С, сплошные линии — нагрев со скоростью 8—10 °С/с, время пребывания выше Ас3 40 с, штриховые линии — нагрев со скоростью 150 °С/с, время пребывания выше Ас3 4,5 с.
Рис. 1.7. Диаграмма термокинетического превращения в стали 45 при двух термических циклах нагрева
Сплошными линиями, выходящими из точки, соответствующей температуре Ас3, представлены кривые охлаждения (100, 50,... и 8°С/с). Структура стали после охлаждения определяется соответствующими областями, которые пересекают эти кривые. Так, например, при охлаждении со скоростью w0 = 100 °С/с независимо от условий нагрева образуется структура мартенсита, при охлаждении со скоростью ωo = 50 °С/с и нагреве по второму циклу в структуре могут присутствовать феррит, перлит, мартенсит.
Наряду с рассмотренной выше методикой для исследования кинетики изменения структуры и механических свойств металла в различных участках зоны термического влияния (з. т. в) используют машину ИМЕТ-1. По этой методике плоские или стандартные стержневые образцы нагреваются проходящим током по специальной программе и охлаждаются с заданной скоростью. В процессе нагрева и охлаждения образцы могут быть подвергнуты деформации и разрушению в любой момент термического воздействия. Машину ИМЕТ-1 используют для исследования влияния скорости охлаждения и длительности пребывания металла околошовной зоны выше температуры фазовых превращений на конечные его механические свойства и структуру.
Термокинетические диаграммы (рис. 1.7) и результаты исследований по методике ИМЕТ-1 (рис. 1.8) позволяют ориентироваться при прогнозировании структурного состояния различных участков з. т, в сварных соединений из различных сплавов при сварке на режимах, характеризующихся определенными термическими циклами, а также дают возможность рассчитывать режимы сварки сплавов. При этом основным параметром, по которому определяется режим сварки, является скорость охлаждения в критическом интервале температур. В частности, для сталей перлитного класса расчет (в интервале температур 500—600 °С) при сварке плавлением ведут для точек на оси шва, где она примерно на 10 % выше, чем для околошовной зоны. Это позволяет предупредить чрезмерные закалочные явления.
Рис. 1.8. Диаграммы ИМЕТ-1 для стали 45:
в — изменение механических
свойств; б — изменение структурных составляющих в зоне термического
влияния
В зависимости от химического состава, назначения, условий производства, а также эксплуатации сплава оптимальную технологию и режимы его сварки определяют по скорости охлаждения или некоторому диапазону его значений, в котором обеспечиваются требуемая структура и свойства металла в околошовной зоне.
Помимо рассмотренных методик, позволяющих дифференцированно изучить процессы, развивающиеся в отдельных областях зоны термического влияния, для оценки структуры и свойств сварных соединений используют специальные пробы, например, валиковую пробу, а также методы исследования структуры и свойств сварных соединений: оптическую и электронную микроскопию, локальный рентгеноспектральный анализ, измерение микротвердости, механические испытания.
Валиковая проба по ГОСТ 13585-68 заключается в наплавке на пластины толщиной 14—30 мм валиков с различной погонной энергией дуги. Из пластин поперек валиков вырезают образцы для испытания на статический и ударный изгиб, определения твердости и исследования структуры (рис. 1.9). В образцах для испытания на ударный изгиб надрез делают со стороны валика по его центру таким образом, чтобы вершины надреза находились на глубине 0,5 мм от границы сплавления. Валиковая проба позволяет оценить влияние технологии и режимов свар-КИ на свойства и структуру металла з. т. в.
Рис. 1.9. Метод (валиковая проба) МВТУ:
а — образец испытуемой стали
для наплавки валика и его разметка при изготовлении образцов для
микроисследования (1) и механических испытаний на ударный изгиб (2) и
статический изгиб (3); б — образец для испытаний на изгиб; в — образец для
испытаний на удар
Оценка свариваемости по данным определения механических свойств. В большинстве случаев механические свойства определяют согласно ГОСТ 6996—66, который, в частности, распространяется на испытания, проводимые при определении показателей свариваемости металлов и сплавов.
Стандарт предусматривает следующие испытания:
- металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на статическое (кратковременное) растяжение;
- металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла на ударный изгиб (на надрезанных образцах);
- металла различных участков сварного соединения на стойкость против механического старения;
- твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла;
- сварного соединения на статическое растяжение;
- сварного соединения на статический изгиб;
- сварного соединения на ударный разрыв.
Согласно ГОСТ 6996—66, о свариваемости металлов судят или по нормативному значению соответствующего свойства, или по отношению к аналогичному свойству основного металла.
