Диссертация (Разработка расчетно-экспериментального метода оценки склонности сварных соединений к образованию горячих трещин при сварке тонколистовых металлических конструкций), страница 2

Это позволитрасширить диапазон учета реальных условий и факторов, повысить точностьполучаемых результатов и их повторяемость на различном оборудовании.Отдельноежеиспользованиечисленногомоделированиязатрудненносложностью описания физических процессов при сварке, а также отсутствиемполныхидостоверныхсведенийосвойствахматериаловпривысокотемпературных сварочных процессах.Развитие компьютерной техники позволило существенно расширитьвозможности численного моделирования сварочных процессов в первуюочередь с помощью метода конечных элементов. В частности в последнеевремя вопросу технологической прочности было посвящено несколько работкак отечественных авторов [8-11], так и зарубежных [12, 13].6Глава 1.

Современное состояние теории образования горячих трещинв нержавеющих сталях1.1. Механизм образования горячих трещин при сваркеГорячимитрещинаминазываютсяхрупкиемежкристаллитныеразрушения металла сварного шва или околошовной зоны, возникающие вобласти температурного интервала хрупкости в результате воздействиятермодеформационного сварочного цикла.Наиболеесклонныкобразованиюгорячихтрещиноднофазныеаустенитные стальные швы и швы сплавов на никелевой и алюминиевойоснове. Также возможно появление горячих трещин при сварке ферритномартенситных и ферритных сталей, реже углеродистых и низколегированныхконструкционных сталей.Способность металла шва к сопротивлению образования горячих трещинназывается технологической прочностью металла.

Н. Н. Прохоровым быларазработана теория технологической прочности металлов при сварке [14],согласно которой сопротивляемость сварного соединения образованию горячихтрещин определяется тремя основными факторами: температурный интервал хрупкости (ТИХ); пластичность металла в ТИХ; темп деформации при охлаждении (темпом деформации сварногосоединения).В температурном интервале хрупкости сплавы обладают низкимимеханическими свойствами. Верхней границей температурного интервалахрупкости сплавов является температура начала линейной усадки сплава,нижней - температура вблизи температуры солидус TS . В начальный периодкристаллизации вблизи температуры ликвидуса в жидкой фазе начинаетобразовываться твердая фаза.

Снижение пластичности на этом этапе невелико,7так как деформация металла происходит за счет вязкого течения жидкой фазымежду кристаллитами. Дальнейшее увеличение доли твердой фазы приводит ксоприкосновениюкристаллитовиобразованиютвердогокаркаса,ограничивающего циркуляцию жидкой фазы. При дальнейшем уменьшениидоли жидкой фазы происходит резкое снижение деформационной способностисплава. В этом интервале падения пластичности (Рис. 1.1) возможно хрупкоемежзеренное разрушение, вызванное растягивающими напряжениями идеформацией во время остывания металла.Рис. 1.1. Изменение высокотемпературной пластичности металла шва впроцессе охлажденияИнтенсивность деформаций определяется величиной темпа деформации:,Tгде  - изменение деформации за отрезок времени T .(1.1)При превышении темпа деформации величины  КР , определяемойформулой (1.2), происходит разрушение металла: КР  minТИХ.(1.2)8Величина  КРпревышение  КРопределяет деформационную способность металла,приводит к образованию горячих трещин (Рис.

1.2).Трещины, образующиеся в интервале кристаллизации металла (междутемпературами ликвидус TL и солидус TS ), называются кристаллизационнымиили ликвационными. Кристаллизационные трещины могут возникать как вметалле шва по жидким прослойкам, так и в околошовной зоне пооплавленным границам зерен.Рис. 1.2. Графическое пояснение теории технологической прочностиПри полном затвердевании пластичность однофазного твердого металлавозрастает. Однако по мере снижения температуры ниже температуры солидусаTS возможно падение деформационной способности металла подобно ТИХ винтервале кристаллизации металла.

Данное явление объясняется образованиемпри кристаллизации дефектов строения (вакансий, дислокаций), которые врезультате миграции скапливаются на границах зерен или приводят кобразованиювторичныхграниц.Трещины,возникающиевданномтемпературном интервале, называются подсолидусные.В настоящее время наиболее часто для определения понятия ТИХиспользуют формулировку, данную в ИСО 17641 [5, 15].

Согласно которой заТИХ принимают значение разницы между температурой нулевой прочности9при нагреве и температурой восстановления пластичности до 5% на стадииохлаждения (Рис. 1.3). На данный момент такой подход к определению ТИХявляется наиболее обоснованным., %1 при нагреве2при охлаждении 5% В,при нагревеМПа34567Тпри охлаждении 5%ТТИХРис. 1.3. Определение ТИХ согласно ИСО 176411.2. Методы оценки склонности сварных соединений к образованиюгорячих трещинНа склонность металла к образованию горячих трещин влияет комплексметаллургических, технологических и конструкционных факторов.

Учет ихсовместного действия представляет собой сложную задачу, в связи с этим внастоящеевремяразработанобольшоечислометодикдляоценкитрещиностойкости. Существующие методы можно разделить на расчетные иэкспериментальные методы.1.2.1. Расчетные методы оценки склонности сварных соединений кобразованию горячих трещинВ основу расчетно-статистических методов положены параметрическиеуравнения,полученныеспомощьюрегрессионногоанализа.Оценка10свариваемостиматериалапроизводитсянаоснованиианализаегокомпозиционного состава с помощью численных показателей или структурныхдиаграмм.ДлянизколегированныхсталейможноиспользоватьпоказательУилкинсона H .C.S определяемый по формуле:1000  C  S  P  Si 25  Ni 100 ,(1.3)3  Mn  Cr  Mo  Vгде обозначения химических элементов обозначает их концентрацию вH .C.S рассматриваемом металле, %.Для низколегированных сталей с временным пределом прочности  В до700 МПа при H .C.S  4 металл шва потенциально склонен к образованиюгорячих трещин.Диаграмма Шеффлера, опубликованная в 1949 году, применяется длянержавеющих хромникелевых сталей и позволяет с достаточной точностьюграфически определять фазовый состав металла шва по составу основного иприсадочного металла [16] (Рис.

1.4).Рис. 1.4. Диаграмма Шеффлера11Положения точек, указывающих на структуру материалов, вычисляютсячерез их химический состав с помощью формул эквивалентов хрома Crэкв (осьабсцисс) и никеля Niэкв (ось ординат):Crэкв  Cr  Mo  1,5  Si  0,5  Nb  W  V.(1.4)Niэкв  Ni  30  C  0,5  MnОтрезок, соединяющий точки на диаграмме соответствующие основномуи присадочному материалам, разбивается пропорционально их процентномусоотношению в зависимости от используемого способа сварки. Полученнаяточка служит для оценки фазового состава металла шва и по доли ферритнойфазы судят о склонности материала к образованию трещин при сварке.Диаграмма Де-Лонга, опубликованная в 1974 году [17], представляетсобой усовершенствованную диаграмму Шеффлера, в первую очередь за счетучета аустенизирующего действия азота (Рис. 1.5). Таким образом, по ней сбольшей точностью можно определить структуру в области аустенит-феррит.Рис.

1.5. Диаграмма Де-ЛонгаДля расчета эквивалентов хрома и никеля применяются формулы:Crэкв  Cr  Mo  1,5  Si  0,5  NbNiэкв  Ni  30  C  30  N  0,5  Mn.(1.5)12Поскольку диаграмма Де-Лонга охватывает лишь небольшую область,она редко подходит для оценки структуры смешанных швов, так как ониобычно не попадают в эту область. При этом диаграмма Де-Лонга, так же как идиаграмма Шеффлера, неверно оценивает вклад марганца и долю ферритнойфазы для сталей с большим содержанием легирующих элементов.В 1988 году была разработана диаграмма WRC-1988 [18], в которойскорректирован коэффициент вклада марганца, а также исправлено неверноеопределение доли ферритной фазы. Данная диаграмма охватывает болееширокий диапазон сталей по сравнению с диаграммой Де-Лонга, но меньший по сравнению с диаграммой Шеффлера.

В 1992 году была предложенаскорректированная диаграмма WRC, учитывающая действие меди (Рис. 1.6).При этом эквиваленты хрома и никеля определяются согласно выражению 1.6.Диаграмма WRC-1992 получила широкое распространение в США.Crэкв  Cr  Mo  0,7  NbNiэкв  Ni  35  C  20  N  0,25  Cu.Рис. 1.6. Диаграмма WRC-1992(1.6)13Расчетно-статистические методы в виде числовых показателей илиструктурных диаграмм применимы лишь для материалов с концентрациямилегирующих элементов, входящих в охватываемые этими методами диапазоны.С помощью данных методов невозможно учесть отклонения по химическомусоставу материалов, а также изменения параметров режима сварки, выходящиезаисследованныйдиапазон.Однакорассмотренныеметодыможноиспользовать для экспресс-оценок технологической прочности и для оценкивлияния того или иного легирующего элемента на фазовый состав.1.2.2.