Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Возможность окисления легирующих элементов устанавливают в результате термодинамических расчетов, которые приведены в гл. 8. Таким образом, кислород в стали присутствует главным образом в виде оксидов РеО, МпО, СаО и др., в том числе в виде комплексов с Б!03, Т!Оз и другими кислыми оксидами. Как правило, оксиды КСУ, МДж/м г виде легкоплавких ликватов, образующих при высоких температурах жидкие прослойки, которые после затвердевания становятся хрупкими. Наличие кислорода в стали ухудшает все свойства свариваемого металла (рис.
9.9), С увеличением содержания кисло- рода резко уменьшаются пределы прочности и и текучести о, т относительное удлинение б и ударная вязкость КСУ, причем особенно значительно снижается ударная вязкость. Наряду с этим при увеличении содержания кислорода в стали происходит следующее: уменьшается стойкость против коррозии; обнаруживается склонность к старению; при содержании кислорода более 0,08 ',4 появляется склонность к хладно- и красноломкостн; усиливается рост зерен при нагреве; ухудшается способность к обработке резанием и ковке; понижается магнитная проницаемость и увеличивается электрическое сопротивление. 9.2.2. Влияние азота нв свойства стали Атомарный азот растворяется преимущественно в тех металлах, с которыми он может образовывать химические соединения— ингриды.
При растворении в стали азот образует нитриды как с железом, так и с большинством примесей. С железом азот взаимодействует по эндотермическим реакциям и образует два типа нитридов: 4Ре+0,5Х2 ~ ~Ге4Х (- 18,9 кДж/моль); (9.20) Ге -ь 0,5Хг ~ ~ГегХ ( — 16,4 кДж/моль). (9.21) Нитрид Ре4Х содержит 5,88 '.4 Хг, а нитрид РегХ вЂ” 11,1»4 Хг. Для сварки большее значение имеет нитрид Ге4Х, а для процессов, характеризующихся избытком азота, например для азотизации стали, — ГегХ. В соответствии с равновесной диаграммой состояния «железо— азот» (рис. 9.10) при охлаждении сплава вначале из нитроаустенита (твердого раствора азота в Ре ) выпадает а-фаза, или нитроферрит (твердый раствор азота в Ре,„).
После достижения температуры 865 К, отвечающей точке Ап нитроферрит-эвтектоид распадается на механическую смесь феррита и нитрида железа. При дальнейшем уменьшении температуры в равновесных условиях предельная растворимость азота в нитроферрите снижается от 0,135;4 при 865 К до 0,001 У при комнатной температуре. Это приводит к тому, что избыточный азот в виде Ге4Х выделяется из твердого раствора Ге„по диффузионному механизму. В неравновесных условиях свар- Т К ки этот процесс практически не развивается, и получают сталь, пересы- 1073 щенную азотом.
При последующем нагреве или при вылеживании про- 873 исходит медленное выделение нитридов железа. Это явление называют старением. Оно снижает пластич- 673 ность стали. При нагревании выше 900 К сталей, содержащих ингриды 473 железа, они диссоциируют. Таким образом, в железе азот 0 0,2 0,4 0,6 может находиться в твердом рас- Хг, % (мас.) творе Ре„и в виде отдельных включений нитридов — главным образом Ряс.
9.10. Диаграмм~ состоя- Ре4Х. В результате сварки и здесь иия Ге — Хг имеют место существенные отклонения от равновесной диаграммы состояния Ге — Хг. Поэтому общее количество растворенного в металле азота вследствие перегрева металла может быть увеличенным. Кроме того, при повышенной скорости охлаждения металла может не закончиться процесс выпадения нитридов железа из твердого раствора Ге„, который останется пересыщенным азотом. С легирующими элементами стали азот также образует ингриды, часто значительно более стойкие, чем нитриды железа.
Особенно стойкими в области высоких температур являются ингриды кремния и титана. Равновесная растворимость азота в железе сильно зависит от температуры (см. рис. 9.6, 6). По мере ее роста в интервале существования феррита растворимость азота увеличивается, а в интервале существования аустенита снижается вследствие снижения парциального давления азота в связи с образованием твердых нитридов по аналогии со снижением растворимости водорода в титане (см.
рис, 9.7). В этом интервале кривые зависимости равновесной растворимости от температуры претерпевают скачкообразные изменения в моменты полиморфных превращений железа и при переходе его из твердого состояния в жидкое. При снижении температуры растворимость азота изменяется по тем же законам. В период кристаллизации азот, выделяющийся из металла, может вызвать порообразование. Несмотря на малую степень диссоциации азота в зоне столба дуги (см.
рис, 8.9, а), а также ионизации (см. рис. 8.9, 6), азот в металле шва присутствует в значительном 403 402 м. .з 400 200 количестве, что объясняется большим содержанием его в атмосфере и спецификой его поведения в зоне сварки. Исследования процесса насыщения металла азотом показали, что возможны следующие пути его протекания. 1. Диссоциированный азот непосредственно растворяется в жидком металле капель. При последующем охлаждении металла образуются нитриды железа. Роль этого процесса мала, так как степень диссоциации при сварке незначительна. 2. Диссоцнированный азот образует в высокотемпературной области дугового разряда (см. рис.
9.1) окись азота 140, которая растворяется в каплях. При температурах металла ниже 3300 К окись азота диссоциирует на поверхности сварочной ванны, прн этом атомарный азот, вступая во взаимодействие с железом, образует ингриды железа, а кислород — оксиды железа. Термодинамическим расчетом и экспериментом (см. рис. 9.5) подтверждено, что последний вариант (с участием кислорода) наиболее вероятен. 3.
Диссоциированный азот непосредственно образует с диссоциированным кислородом в области высоких температур стойкие нитриды, которые, растворяясь согласно закону Сивертса в жидком металле капли, насьпцают его азотом, В этом случае по мере охлаждения металла сварочной ванны из раствора может выделиться атомарный азот, который, вступая во взаимодействие с железом, образует ингриды железа. Содержащиеся в стали ингриды азота весьма сильно влияют на ее свойства. Из рис. 9.11 следует, что с увеличением содержания оа г,' о„МПа азота 19 в металле повышаются преде- лы прочности (о,) и текучести (и,).
500 25 Этим влияние азота на свойства стали принципиально отличается от влияния оод кислорода. Вместе с тем по аналогии с 300 кислородом снижаются пластические бз 1О свойства и особенно резко — ударная вязкость стали. Наряду с этим происходят и другие нежелательные изменения: появляется склонность металла 0 к старению и к хладноломкости (сине- Рис 911 В и„нне кон еи ломкости); УвеличиваетсЯ склонность грации азота в углероди- " закалке; понижается магнитная простой стали на ее мехаиичес- ницаемость; увеличивается электриче- кие свойства ское сопротивление металла.
Итак, для углеродистых и низколегированных сталей азот— нежелательная примесь в металле шва, особенно при действии на него динамической нагрузки. При сварке легированных сталей осуществляют микролегирование азотом с целью частичной замены углерода и увеличения пластичности и прочности сталей. Азот, как и углерод, образует твердый раствор внедрения, т. е.
является сильным упрочнителем, но в отличие от углерода не образует карбидов, которые прн нагреве растворяются в стали. Нитриды железа более термостойки, чем ЕезС. При сварке деталей из высоколегированных сталей аустенитного класса азот вводится специально, так как он повышает устойчивость аустенита и выступает как легирующая добавка, способная заменить некоторое количество углерода и никеля.
В таких сталях азот устраняет явление транскристаллизацин и улучшает механические свойства, а также может вызвать и эффект упрочнения чугуна. В условиях сварки деталей из меди азот применяют в качестве инертного зашитного газа, не взаимодействующего с медью. 9.2.3. Влияние водорода на свойства стали Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защищает его от насыщения кислородом и азотом, предупреждает окисление (связывая кислород), восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образованию нитридов железа (см. рис. 9.5); с другой стороны, водород растворяется в металле и становится причиной появления сушественных дефектов в шве — пористости и трешин.
Металлы, растворяюшие водород, делятся на две группы: — металлы (Ге, Х1, А1, Со, Си, Мо и др.), не образующие химических соединений с водородом; — металлы (Лг, Т1, 'Ч, Та, ТЬ и др.), образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды). Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком железе. Как следует из рис. 9.6, б, растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяется скачкообразно в моменты полиморфных превращений.
При переходе железа из твердого состояния в жидкое наблюдается резкое возрастание растворимости водорода, достигающей максимального значения при температуре = 2700 К. Таким образом, наиболее значительное насыщение металла водородом при сварке происходит в процессе формирования и переноса капель с электрода в сварочную ванну.
404 405 Рис. 9.12. Влияние температуры и парциального давления водорода в газовой фазе на его растворимость в жидком железе (кривые 1, 2, 3, 4— для значений соответственно !О ~, 5х10 25х10 ' 10 МПа) (Нг]~, см /! 00 г 1О Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле и тем самым снижающие его парциальное давление в газовой среде. Так, образование в газовой среде соединений ОН и НР, не растворимых в жидком металле, снижает насыщенность металла водородом. Кроме того, весьма существенным является парциальное давление водорода в газе, контактирующем с металлом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
