Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

1.3.3.3 Превращения в металлах  при сварке

1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных  соединений

Сварные соединения, выполненные сваркой  плавлением, можно разделить на несколько зон (рис. 32), отличающихся химическим составом, макро- и микроструктурой и другими признаками:

1) сварной шов;

2) зону сплавления;

3) зону термического влияния;

4) основной металл.

Сварным швом называется закристаллизовавшийся  металл сварочной ванны. Он характеризуется литой микроструктурой металла. Ему присуща первичная микроструктура кристаллизации, тип которой зависит от условий кристаллизации металла шва.

Зона термического влияния (ЗТВ) –  участок основного металла, примыкающий  к сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения. Это часто приводит к тому, что ЗТВ имеет отличную от основного металла вторичную микроструктуру и величину зерна. В зоне термического влияния выделяют околошовную зону (ОШЗ). Она располагается непосредственно у сварного шва и состоит из нескольких рядов крупных зерен, в т.ч. оплавленных. Поверхность сплавления отделяет металл шва, имеющий литую макроструктуру, от ЗТВ в основном металле, имеющем макроструктуру проката или рекристаллизованную структуру литой или кованой заготовки. На поверхности шлифов, вырезанных из сварного соединения и подвергнутых травлению, она при небольших увеличениях наблюдается как граница, или линия сплавления (ЛС). Зона сплавления (ЗС) – это зона сварного соединения, где происходит сплавление наплавленного и основного металла. В нее входит узкий участок сварного шва, расположенный непосредственно у линии сплавления, а также оплавленный участок околошовной зоны. Первый из этих двух участков образуется вследствие недостаточно эффективного переноса расплавленного основного металла в центральные части сварочной ванны. В случае применения разнородных наплавленного и основного металла этот участок отчетливо наблюдается в виде переходной прослойки, которая имеет существенно отличающиеся от металла шва и ЗТВ химический состав, вторичную микроструктуру и механические свойства. На оплавленном участке ОШЗ возможно появление жидких прослоек между зернами, имеющих смешанный состав в результате перемешивания основного и наплавленного металлов. Распределение элементов по ширине ЗС имеет сложный характер, определяемый процессами перемешивания наплавленного и основного металлов, диффузионного перераспределения элементов между твердой и жидкой фазами и в твердой фазе на этапе охлаждения.

Основной металл, не претерпевающий изменений в процессе сварки, может  влиять на превращения в ЗТВ в  зависимости от его макро- и микроструктуры, определяемых способом первичной обработки  металла (прокатка, литье, ковка, дефомирование в холодном состоянии) и последующей термической обработкой (отжиг, нормализация, закалка с отпуском и др.).

1.3.3.3.2 Виды превращений в металле  сварных соединений

В зоне термического влияния в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также в шве при охлаждении получает развитие целый ряд фазовых и структурных превращений.

Под фазовыми превращениями (переходами I рода) понимают превращения с образованием новых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением, часто составом, свойствами и разграниченных с ними поверхностями раздела (межфазными границами). При образовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяется энтропия, теплосодержание, и в момент превращения теплоемкость стремится к бесконечности. В связи с этим фазовое превращение происходит с поглощением или выделением теплоты.

При структурных превращениях (переходах II рода) происходит перераспределение  дефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменение субструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавным изменением свободной энергии, энтропии и теплосодержания, скачкообразным - теплоемкости. Они не сопровождаются выделением теплоты.

Особенность фазовых и структурных  превращении при сварке по сравнению с термической обработкой заключается в том, что они протекают в неравновесных условиях сварочного термодеформационного цикла (СТДЦ), т. е. в условиях быстрого нагрева и охлаждения и одновременного развития сварочных деформаций и напряжений. Характер превращений зависит от состава сплава, максимальных температур нагрева, а их завершенность — от скоростных и деформационных параметров сварочного цикла.

1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика  диффузионного превращения

В металлах и сплавах в твердом состоянии фазовые превращения вызываются полиморфными превращениями, растворением или выделением фаз из твердых растворов в связи с изменением взаимной растворимости компонентов. Движущей силой превращений служит разность свободных энергий (термодинамических потенциалов в случае, если при превращении возникают высокие внутренние давления) исходной и образующихся фаз. При этом могут происходить два отличающихся своим механизмом типа превращений: диффузионное и бездиффузионное (мартенситное).

Диффузионное превращение происходит по механизму «образование зародыша и рост новой фазы». Этот тип превращения  подчиняется тем же общим закономерностям, что и процессы кристаллизации жидкости. Существуют некоторые особенности, связанные с твердым состоянием исходной и образующейся фаз и относительно низкой температурой превращений. Образование зародышей критических размеров сопровождается увеличением свободной энергии системы, равным 1/3 поверхностной энергии зародышей (остальные две трети компенсируются уменьшением объемной свободной энергии). Возникновение зародышей обеспечивается в результате флуктуационного повышения энергии в отдельных группах атомов. При превращении в сплавах образуются фазы, отличающиеся по составу от исходной, поэтому для образования зародыша необходимо также наличие флуктуации концентрации. Последнее затрудняет образование зародышей новой фазы, особенно если ее состав сильно отличается от исходной. Другой фактор, затрудняющий образование зародыша новой фазы, связан с упругой деформацией фаз, которая обусловлена различием удельных объемов исходной и образующейся фаз. Энергия упругой деформации увеличивает свободную энергию и, подобно поверхностной энергии, вносит положительный вклад в баланс энергии. Критический размер зародышей и работа их образования уменьшаются с увеличением степени переохлаждения (или перегрева) по отношению к равновесной температуре, а также при уменьшении поверхностной энергии зародыша.

С понижением температуры уменьшается  подвижность атомов, что затрудняет присоединение атомов друг к другу в процессе образования зародышей критического размера. Таким образом, зависимость скорости образования зародышей от степени переохлаждения будет иметь максимум. С повышением температуры при нагреве выше равновесной подвижность атомов будет возрастать, что обусловливает монотонное нарастание скорости образования зародышей с увеличением степени перегрева. Рост новой фазы происходит за счет исходной путем относительно медленной миграции межфазной границы в результате последовательного перехода атомов через эту границу. Изменение составляющих энергии при росте фазы, аналогичное ее изменениям при образовании зародышей, также обусловливает зависимость скорости линейного роста от степени переохлаждения, имеющую максимум. При этом максимум скорости линейного роста сдвинут в сторону меньших значений переохлаждения по сравнению с максимумом скорости образования зародышей. При данной постоянной температуре процесс протекает изотермически и относительный объем образующейся новой фазы V увеличивается со временем. Общая скорость фазового превращения определяется суммой скоростей зарождения и роста новой фазы. Кинетика фазовых превращений при различных степенях переохлаждения описывается изотермической диаграммой превращения, называемой также С-образной диаграммой превращения (рис. 33). Фазовое превращение в условиях непрерывного охлаждения или нагрева подчиняется тем же основным закономерностям, что и изотермическое превращение. Условно превращение при непрерывном изменении температуры можно рассматривать как серию многочисленных изотермических превращений при последовательно меняющихся температурах. Чем быстрее меняется температура, тем меньше успевает образовываться новой фазы при каждой степени переохлаждения. В результате превращение протекает в диапазоне непрерывно изменяющихся температур при большей степени переохлаждения или перегрева, чем изотермическое превращение. В этом случае кинетика фазового превращения описывается анизотермической диаграммой превращения (рис. 34). При высоких скоростях охлаждения (w’’) исходная фаза может претерпевать только частичное фазовое превращение диффузионного типа. При очень высоких скоростях, превышающих критическую (w’>w_кр), фазовое превращение диффузионного типа не успевает начаться, и сплав переохлаждается в область температур, где оно не может развиваться из-за чрезвычайно низкой скорости диффузионных процессов.

1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного  превращения

Мартенситное превращение происходит путем совместного (кооперативного) перемещения многих атомов. Результирующее перемещение сводится к тому, что ряд элементарных ячеек исходной фазы как бы однородно деформируются, переходя в ряд элементарных ячеек новой фазы. Мартенситное превращение называют бездиффузионным или сдвиговым.

Превращение начинается и заканчивается при достижении определенных фиксируемых температур Т_м.н. и Т_м.к.. При мартенситном превращении, в отличие от диффузионных, Т_м.н. и Т_м.к. не зависят от скорости охлаждения. При этом превращение начинается сразу после достижения Т_м.н.,т.е. без инкубационного периода. После мартенситного превращения всегда остается некоторое количество исходной фазы, несмотря на охлаждение ниже Т_м.к.. При постоянной температуре в интервале Т_м.н.-Т_м.к. происходит быстрое превращение определенной доли исходной фазы, после чего превращение прекращается. При снижении температуры образовавшиеся ранее участки мартенситной фазы обычно не растут, а образуются ее новые участки. Превращение начинается внезапно и происходит с очень большой скоростью, которая практически не зависит от температуры. Степень превращения зависит от температуры и не увеличивается со временем пребывания при данной температуре.

Мартенсит — метастабильная фаза, для которой характерна высокая  плотность дефектов кристаллической решетки, особенно дислокаций. Практически сразу после образования мартенсит начинает претерпевать превращения в направлении достижения более равновесного состояния. Этот процесс называется отпуском. Отпуск представляет собой совокупность фазовых и структурных превращений, которая включает перераспределение растворенных компонентов, распад с выделением метастабильных и стабильных фаз и перегруппировку дефектов кристаллической решетки. В зависимости от диффузионной подвижности атомов растворенного компонента отпуск может протекать при комнатной температуре и особенно ускоряется при нагреве. Отпуск возможен также в период завершения охлаждения в случае, когда скорость охлаждения замедляется. Этот процесс называется самоотпуском.

1.3.3.3.3 Фазовые и структурные  превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве

Фазовые и структурные превращения  при сварке конструкционных сталей нередко вызывают понижение технологической  прочности, механических и эксплуатационных свойств металла сварных соединений. Под технологической прочностью понимают способность материалов без разрушения выдерживать термомеханические воздействия в процессе сварки. В условиях указанных воздействий часто существенно понижаются механические свойства металла, что вместе с довольно высокими сварочными деформациями и напряжениями может служить причиной образования трещин.

Ориентируясь на максимальную температуру  нагрева, в сварном соединении сталей можно выделить несколько характерных зон, в пределах которых происходят или могут произойти определенные фазовые и структурные превращения (рис. 35).

При нагреве по мере повышения температуры  металл претерпевает последовательно  целый ряд превращений.

На участке полной перекристаллизации (рис. 35, 1б) в металле проходят процессы аустенитизации, роста зерна  и перераспределения легирующих элементов и примесей. Аустенитизация – переход Fe_α→Fe_γ. При нагреве до температур начала аустенитизации сталь получает структуру феррито-перлито-карбидной смеси. Переход в аустенитное состояние представляет собой фазовое превращение диффузионного типа. Превращение начинается на участках перлита. Зародыши аустенита образуются на межфазных поверхностях феррит—цементит. Поскольку на каждом участке перлита возникает несколько зародышей аустенита, превращение Fe_α→Fe_γ приводит к измельчению зерна. При росте зародышей зерен аустенита вместе с перестройкой ОЦК решетки в ГЦК решетку возникает новая кристаллографическая ориентация последней. В результате исчезают границы бывших аустенитных зерен (образовавшихся при предшествующей сварке термической обработке) и образуются новые границы при стыковке растущих зерен. После завершения этого процесса образуются так называемые начальные зерна аустенита. Чем дисперснее исходная структура стали, т.е., чем больше межфазная поверхность, на которой образуются зародыши зерен аустенита, тем меньше размер начального аустенитного зерна.

Рост зерна аустенита характерен для ОШЗ, нагреваемой до наибольших максимальных температур. Интенсивный рост начинается после достижения некоторой критической температуры Т_и.р.з., значение которой зависит от состава стали, наличия примесей и метода раскисления. Элементы, образующие труднорастворимые карбиды (Ti, V, Mo, W и др.), оксиды, сульфиды и нитриды (О₂, S, N₂, Al), а также поверхностно-активные (В), концентрирующиеся на границах зерен, повышают Т_и.р.з.. Рост зерна происходит в результате собирательной рекристаллизации, ведущим процессом которой является миграция границ зерен. Мелкодисперсные частицы карбидов и неметаллических включений замедляют миграцию границ и препятствуют росту зерна. Для каждой стали характерен определенный предельный размер зерна.

При сварочном нагреве высокие  максимальные температуры способствуют растворению карбидов и оксидов и обусловливают высокую скорость самодиффузионных процессов. В то же время большие скорости нагрева и относительно высокие скорости охлаждения ограничивают пребывание металла при высоких температурах. В этих условиях в углеродистых и большинстве низколегированных сталей в процессе сварки дуговыми способами аустенитное зерно в ОШЗ успевает вырасти практически до своих максимальных размеров, при этом рост зерна происходит как на этапе нагрева, так и на этапе охлаждения. Соотношение приращения размера зерна на этих этапах зависит от состава стали и теплового режима сварки q /(vδ) и температуры подогрева.