Диссертация (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 5

Остаточные термические напряжения в окрестности включенийи требования к неметаллическим включениям в металле шва спозиции механики разрушенияВ процессе кристаллизации и последующего охлаждения металла шва вматрице возникают напряжения из-за разности коэффициентов термическойусадки (термического расширения). При температуре выше упругого переходавременные напряжения, вследствие высокой пластичности матрицы, релаксируют.При дальнейшем охлаждении, когда пластичность матрицы понижается,появляется упругая составляющая и напряжения в матрице сохраняются(остаточные внутренние напряжения). В работе Lee Eun U. [25] на модели«сферическая гранула в сферической матрице переменной толщины» показано,что величина и направление остаточных внутренних напряжений зависит откоэффициента несоответствия термического расширения матрицы и гранулы:d=1 - a 2 DT1 - a1DT(1.12)где a1 и a2 – коэффициенты термического расширения соответственно матрицы игранулы K-1; ∆T – температурный интервал охлаждения.Если коэффициент термического расширения матрицы a1 больше чем угранулы a2, то её радиус должен уменьшаться, т.е.

гранула должна сжиматься,при этом δ > 1. При δ < 1 гранула должна расширяться, т.е. на неё действуютрастягивающиевероятностиостаточныеобразованиянапряжения.пустотвокругСледовательно,включенийдляуменьшениянеобходимо,чтобыкоэффициент термического расширения матрицы (a1), был больше чем увключения (a2).Неметаллические включения в металлическом теле в виде оксидов,нитридов, сульфидов и т.п. – неизбежны, особенно при сварке. Поэтомуисследователивпоследнеевремяобратиливниманиенаизысканиеположительных факторов их присутствия в металле. С подачи японских учёныхиспользование неметаллических включений для улучшения структуры и31механическихсвойствкристаллизующегосяметалланазвали«оксиднаяметаллургия» [26, 27]. Неметаллические включения в металле шва, по нашемумнению, необходимо разделить на полезные и вредные.К полезным следует отнести, в первую очередь, оксиды свариваемогометалла и его легирующих элементов, а также неизбежные нитриды и карбиды,вводимые в шов для износостойких наплавок.К вредным – сульфиды и фосфорные соединения, активно адсорбируемыеграницами зёрен и инициирующие зарождение и развитие трещин в металле приэксплуатации конструкции.В связи с этим, представляется необходимым сформулировать требования кфизическим и химическим свойствам полезных неметаллических включений спозиций механики разрушения.1.

В соответствии с формулой (1.6) для уменьшения коэффициентаинтенсивности напряжений в окрестностях включения, размер этого включения«а», по возможности, должен быть минимальным (желательно наноразмерногоуровня).2. Для уменьшения концентрации напряжений на границе «включениематрица» форма включения должна приближаться к глобулярной.3. Для предотвращения образования пустот (пор) вокруг включений придеформацииматрицыповерхностьвключениядолжнаобладатькристаллографическим сродством с матрицей.4. Согласно формуле (1.12), соотношение коэффициентов термическойусадки (расширения) должно обеспечивать создание сжимающих со стороныматрицы напряжений во время кристаллизации сварочной ванны и последующегоохлаждения.321.3.

Формирование структуры металла шва1.3.1. Особенности кристаллизации сварочной ванны при дуговойсваркеКак следует из формулы (1.11), единственным способом снижениятемпературы перехода от вязкого разрушения к хрупкому, а значит и повышенияхладостойкости металла, является измельчение зерна. Металлические сварныеконструкции изготавливают в основном из стального проката, имеющегомелкозернистую структуру и высокие прочностные показатели (листы, профили,трубы). Однако в процессе дуговой сварки вследствие теплового воздействиясварочной дуги, температура которой превышает 6000 К, в шве и околошовнойзоне формируется крупнозернистая структура с пониженными механическимисвойствами. При этом самой слабой зоной соединения оказывается металл шва.Поэтому вопросам улучшения структуры и повышения механических свойствсварныхсоединенийуделяетсяпостоянноевниманиеисследователей.Вмашиностроении улучшение структуры сварных соединений в ответственныхузлах осуществляют с помощью последующей термической обработки сварныхузлов.Однакоприизготовленииимонтажестроительныхидругихкрупногабаритных металлоконструкций производить такую обработку даже взаводских условиях, не говоря о монтажных, весьма затруднительно иэкономически невыгодно.

В таких конструкциях основным способом полученияблагоприятнойструктурысварныхсоединенийявляетсяуправлениекристаллизацией сварочной ванны непосредственно в процессе сварки [28].Образование сварного соединения при сварке плавлением осуществляется всварочной ванне путём локального расплавления и совместной кристаллизацииметалла кромок соединяемых элементов.

Сварочная ванна представляет собойнебольшой объём расплавленного металла, образующегося под действиеммощного источника тепла (электрическая дуга, электронный или лазерный луч). Вней одновременно протекают 2 процесса - плавление свариваемого металла по33линии MNM в головной части и кристаллизация по линии MOM – в хвостовой(Рис. 1.15, а).Рис. 1.15.

Схема образования шва при: а) дуговой сварке, б) формированиеструктуры шва при сварке аустенитной стали с крупным, в) мелким зерном [29]:1г, 1хв,1в - длина головной части, хвостовой и общая длина сварочной ванны;Vсв - направление движения сварочной дуги; МNМ - и МОМ - фронт плавленияи кристаллизацииИсторически сложилось так, что вопросы кристаллизации металлов началиизучать на крупных слитках – при производстве чугуна и стальных отливок.Небольшой перегрев расплава относительно температуры кристаллизации,большой объём расплава и малая скорость теплоотвода способствуют замедлению34процесса кристаллизации отливок. Это позволяет целенаправленно управлятьхимическим составом и структурой металла в широких пределах.В настоящее время в металлургии для получения мелкозернистой структурыприменяется введение в жидкий металл элементов, или химических соединений –модификаторов, которые в процессе кристаллизации обеспечивают образованиемногочисленных устойчивых центров кристаллизации или блокируют рост зерна,предотвращаяегоукрупнение.Экспериментальноустановлено,уменьшением размерамодифицирующихчастицструктурыНапример,использованииотливок.причтосвозрастает дисперсностьнеметаллических(керамических) частиц с радиусом 0,05 мкм (50 нм) зерно в стали измельчается в1,5 – 2 раза по сравнению с отливками без модификатора.

А применение такой жедобавки с радиусом частиц порядка 0,005 мкм (5 нм) обеспечивает измельчение в4 – 8 раз [30, 31].Условия кристаллизации металла сварного шва при электродуговой сваркезначительно отличаются от кристаллизации отливок. Во-первых, как уже сказано,в сварочную ванну небольшого по сравнению с отливкой объёма отвысокотемпературного источника - электрической дуги - непрерывно вводитсятепловая энергия. Температура столба дуги превышает 6000 К, в активном пятнерасплав нагрет до температуры кипения металла, а граница сварочной ванныпредставляет собой изотермическую поверхность с температурой плавлениясвариваемогометалла.Такоераспределениетемпературыврасплавеобуславливает высокий градиент её в зоне кристаллизации сварочной ванны. Так,если при литье в кокиль этот градиент находится на уровне 10 град/см [32], то присварке он на 2-3 порядка выше (100-500 град/см на оси шва и 1000-2000 град/смна линии сплавления [33]).

Во-вторых, на границе сварочной ванны ужесуществуют готовые двумерные зародыши на поверхности частично оплавленныхзёрен свариваемого металла, имеющих размерное и структурное соответствиекристаллизующемуся расплаву, поэтому размер зерна в металле шва вблизилинии сплавления в основном определяется размером зёрен свариваемого металла(Рис. 1.15, б, в).351.3.2. Способы получения мелкозернистой структуры шва при дуговойсваркеВопросам управления кристаллизацией металла шва в процессе сваркипосвящены работы многих исследователей. Для получения мелкозернистойструктуры в шве исследованы и дали положительные результаты различного родатермофизические способы периодического воздействия на сварочную ванну,которые периодически изменяли термоконцентрационную обстановку передфронтом кристаллизации.