Якушин Б.Ф. - Физико-химические и металлургические процессы в металлах при сварке (1043835), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Зто приводит к тому, что избыточный азот в виде Ее4Х выделяется из тверлого раствора Ге„по лиффузионному механизму. 402 В неравновесных условиях свар- Т К ки этот процесс практически не развивается, и получают сталь, пересы- !073 щенную азотом. Прн послелуюшем цагреве или при вылежнвании про- 873 исходит медленное выделение ннтрндов железа. Зто явление называет старением. Оно снижает пластичность стали. Прн 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- Хэ, тэ (мас.) творе Рео и в виде отлельных включений нитрилов — главным образом РНС 910 ДНЫРа"Ма СОСТОЯ- нн» Ре — Хг РеаХ.
В результате сварки и здесь имеют место существенные огклоненюг от равновесной диаграммы состояния Ге — Хз. Поэтому общее количество растворенного в металле азота вследствие перегрева металла может быть увеличенным. Кроме того, прн повышенной скорости охлаждения металла может не закончиться процесс выпадения нитридов железа из твердого раствора Ре„, который останется пересыщенным азотом. С легнрующими элементамн стали азот также образует ингриды, часто значительно более стойкие, чем нитриды железа. Особенно стойкими в области высоких температур являются ингриды кремния н титана. Равновесная растворимость азота в железе сильно зависит от температуры (см.
рис. 9.6, 6). По мере ее роста в интервале существования феррита распюрнмость 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 полиморфиых превращений железа н при переходе его из твердого состояния в жидкое. Прн снижении температуры растворимость азота изменяется по тем же законам.
В период кристаллизации азот, выделяющийся из металла, может вызвать порообразование. Несмотря на малую степень днссоцнации азота в зоне столба дуги (см. Рнс. 8.9, а), а также нонизацни (см. Рнс. 8.9, 6), азот в металле шва присутствует в значительном 403 количестве, что объясняется большим содержанием его в атмосфере и спецификой его поведения в зоне сварки. Исследования процесса насыщения металла азотом покацс~гь что возможны следующие пути его протекания, 1. Диссоциированиый азот непосредственно растворяется в жидком металле капель. При последующем ахлажленин металла образуются нитрилы железа. Роль этого процесса мала, так как степень диссоциации при сварке незначительна, 2.
Диссопиированиый азот образует в высокотемпературной области дугового разряда (см. рис, 9.1) окись азота ]ЧО, которая растворяется в каплях. При температурах металла ниже 3300 К окись азота диссоцнирует 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 кислорола) наиболее вероятен. 3. Диссоциированный азот непосредственно образует с лнссоциированным кислородом в области высоких температур сгойкис нитрилы, которые, распюряясь согласно закону Синертса в жидком металле капли, насыщают его азотом. В этом случае по мере охлаждения металла сварочной ванны из раствора может вылепиться атомарный азот, который, вступая во взаимодействие с железом, образует ингриды железа.
Содержащиеся в стали ингриды азота весьма сильно влияют на ее свойства. Из рис. 9.1! следует, что с увеличениеы содержания аэ па ]Ч а металле шншплшотся прелы лы прочности (а,) и текучести (от]. 500 25 Этим влияние азота на свойства стали 400 принципиально отличается от влиания ес э кислорода. Вместе с тем по аналогии с кислородом снижаютса пластические 200 го свойства и особенно резко — ударная лэ вязкость стали.
Наряду с этим происходят и другие нежелательные изме- нения: появляется склонность металла 0 ломкости); увеличивается склоннссть грации азота в углероли к закалке' понижается магнитная простой сталина еемеханичес- ницаемость; увеличивается электриче. кис свойства скос сопротивление металла. Итак, для углеродистых и низколегированных сталей азот— цюкелательиая примесь в металле шва, особенно при действии на него динамической нагрузки. При сварке легированных сталей осушестваяют микролегирование азотом с целью частичной замены углерода и увеличения пластичности и прочности сталей. Азат, как и углерод, образует твердый раствор внедрен!и, т, е. является сильным упрочнителем, но в отличие ог углерола не образует карбидов, которые при нагреве растворяются в стали.
Нитриды железа более термостойки, чем Ее!С. При сварке деталей из высоколегированных сталей аустенитного класса азот вводится специально, так как ои повышает уатойчивкть аустснита и выступаег как легируюшая добавка, способнаа замени!ъ некоторое количеспю углерода и никеля. В таких статях азот устраюгет явление траискристаллизации и увучшает механические свойства, а также можег вызвать и эффект упрочнеиия чугуна. В условиях сварки деталей из мели азот применякэт в качестве инертного защитного газа, не взаимодействующего с медью.
9.2.3. Влияние водорода на свойства стали Водород может оказывать на металл двоякое влияние: с одной стороны, он защингает его от насыщения кисвородом и азотом, прелупрежлает окисление (связывая кислород), восстанавливает при известных условиях металл из оксидов, препятствует образованию нитридов железа (см. Рис, 9.5); с лругой стороны, водород растворяется в металле н становится причиной появления существенных дефектов в шве — пористости и трещин.
Металлы, растворяющие водород, делятся на две группы: — металлы (Ге, Н), А!, Са, Сц, Мо и др,), не образующие химических соединений с водородом; — металлы (Ег, Т], )7, Та, ТЬ и лр.), образующие твердые растворы и химические соединения с водородом (гидриды), Атомарный водород растворяется как в твердом, так и в жидком агелезе. Как следует из рис.
9.6, б, растворимость водорода в железе с повышением температуры растет и изменяетсл 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 Рнс.
9.О. Влияние температуры и парциааьного давления волоролв в газовой фазе иа его растворимость в жидком железе (кривые 1, 2, 3, 4— лля значений соответственно 10'~, 5 1О ,25 10 ,!О' МПа) !Нз]е смз/100 г 10 Степень насыщения жидкого металла водородом зависит от наличия в газовой среде элементов, способных связывать водород в химические соединения, не растворимые в жидком металле н 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. Об этом свилетельствуют представленные на рис.
9.12 зависимости раствори. мости водорода в металле от температуры среды при разном его парциальном давлении (рн ) в газовой среде. Находясь в окисленном жидком металле, водород взаимодействует с кислородом по реакциям: 8 г. 40 '! 30 б 20 К!О е 1900 2100 2300 2500 ~ о Т,К О 0,02 0,04 0,06 0,08 О, % (мас.) Рис. 9.13, Зависимость растяоримсств аолорола в жалких металлах от концентрации в нем кислорода при температуре, близкой к температуре плавления металла трацию в нем волорода. На рис. 9.13 приведены данные о совместном растворении водорода и кислорода в жидких металлах: жепезе,меди и никеле.
Как следует из рисунка, даже при незначительной окисленности жидкого металла резко снижается содержание в ием водорода. Насыщение водородом жидкого металла отрицательно сказыжются на его свойствах. При достаточно быстром охлажленин металла сварочной ванны не весь растворенный в ней водород успевает выделиться. Особенно много водорода задерживается при снижении температуры превращения у - а.
Оставшийся в металле атомарный водород задерживаетса в ветвях зарождающихся и расту!них лендритов, у поверхности кристаллов, у мест расположения посторонних включений, а также в микронес!шошностях — скоплениях дислокаций и других дефектах кристаллического строения. В этих местах атомы водорола соелиняются в молекулы.
Поэтому парцнальное лавлеине атомарного водорода в районе дефектов резко снижаегся, вследствие чего он продолжает диффундировать в том же направлении. Непрерывно образуюзпийся молекулярный водород создает значительные давления, так как сам он не диффунлирует через металл и практически не растворим в нем. Кроме того, водород может окисляться н образовывать водяной пар, который в металле не растворяется. В связи с тем что давление направлено во все сюроны, в металле возникает объемное напряженное состояние, приволящее к снижению его пластических свойств, а иногда — к хрупкому разрушению и закалочно-волородиым трещинам. Следовательно, хотя водород и ие образует с металлам шва соединений, отрицательно влияющих на прочносп сталей, он усиливаег вредное влияние макро- и микронесплошностей, способствует резкому снижению пластических свойств и хрупкому разрушению закаленных сталей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
