Лабораторная работа №4 Якушин (ТСП Лабораторная работа №4 (Определение границ температурного интервала хрупкости в неравновесных условиях при сварке))

Московский Государственный Технический Университет

им. Н.Э.Баумана

Кафедра МТ-7 “Технология сварки и диагностики”

Лабораторная работа №4

по курсу «Теория сварочных процессов»

«Определение границ температурного интервала хрупкости в неравновесных условиях при сварке»

Разработал: проф., д.т.н. Якушин Б.Ф.

Москва, 2014 г.

Теоретическая часть.

При выборе сплавов для изготовления ответственных сварных конструкций разработчику конструкции необходимы сведения о металлургической свариваемости сплавов, без участия многовариантных сварочных материалов, способов и режимов сварки. Такая характеристика должна позволить оценить свариваемость, т.е. пригодность сплава к изготовлению сварной конструкции. Актуальность работ по оценке металлургической свариваемости особо значительна в современных условиях, в связи с непрерывным расширением объема применения высокопрочных сталей и сплавов в сварных конструкциях. Этот процесс сдерживается повышенной склонностью материалов к образованию горячих и холодных трещин различной природы. Для их предотвращения необходимо знать, в каком температурно-временном интервале образуются трещины в соединениях сплава конкретного химического состава. Все современные высокопрочные сплавы (например, В-95) состоят из многих компонентов (Al, Cu, Mg, Zn и т.п.). Это препятствует определению температуры неравновесного солидуса и соответственно, ТИХ по диаграммам состояния, разработанным для кристаллизации в равновесном состоянии.

В МГТУ разработан экспериментальный метод определения границ ТИХ в кристаллизующемся металле шва [1] по методике ЛТП-4. Он состоит в сварке встык двух пластин с одновременным дискретным растяжением шва поперек оси на дозируемую величину Δε_i до появления трещин. Фиксируя координаты положения источник в момент растяжения и распределения температуры вдоль оси шва, а также координаты концов трещины, определяют температурные границы интервала хрупкого разрушения.

Для металла ЗТВ, также некоторое время находящегося при сварке в двухфазном твердожидком состоянии при оплавлении границ зерен в околошовной зоне (заштрихованная зона (рис.1), также возможно образование ГТ по границам оплавленных зерен (ТИХ_ОШЗ). При выборе сплавов необходимо знать температуру начала оплавления границ зерен, не прошедших расплавление, а также температуру их затвердевания и восстановление пластических свойств сплавов в зависимости от жесткости ТСЦ, т.е. скорости нагрева и охлаждения.

Рис.1. Схема определения границ температурного интервала хрупкости в металле шва а), б) и виды шва с горячими трещинами в), г).

Методика испытания

Для определения температурных границ хрупкости в металле ОШЗ применяют методику физического процесса разрушения путем определения мгновенных значений σ и δ% при различных температурах (методика ЛТП-3). Для этого применяют пластинчатые образцы, нагреваемые до разрушения и определяют температуру начала оплавления границ зерен, за которую принимают температуру снижения σ до 20-30 Мпа или δ% практически до нулевых значений. Такая температура на этапе нагрева названа T_НП (NST – США), т. е. температура нулевой прочности и перехода в хрупкое высокотемпературное состояние. Это T_{ВГ ТИХ}, т. е. верхняя граница ТИХ в ОШЗ. Для нахождения нижней границы, т. е. температуры выхода из ТИХ при охлаждении ОШЗ серия аналогичных образцов нагревается до T_НП, а на этапе охлаждения оценивают пластичность при различных температурах. При этом находят температуру (T_ВП), т. е. восстановление пластичности (5%). Эту температуру принимают за нижнюю границу ТИХ в ОШЗ. Этот параметр (ТИХ_ОШЗ) является определяющим для образования ликвационных ГТ в ОШЗ. На рис.2 представлены зависимости δ%(T) для двух сталей. Для стали №1 T_НП и T_ВП весьма значительно, так как за время охлаждения в большом интервале ТИХ в металле ОШЗ при непрерывном охлаждении соединения накапливается большая деформация, распределяемая по границам зёрен в ОШЗ, и тем самым создается большая склонность к высокотемпературному хрупкому разрушению.

Рис.2. Схема выявления верхней T_ВП и нижней T_НП границ ТИХ в металле ЗТВ по заданным термическим циклам сварки T(t) по характеру изменения σ(t) и δ(t); ε_i – мгновенное растяжение образца при различных температурах; T_НП, t_НП – температура и время наступления нулевой прочности в сплаве при хрупком разрушении; T_ВП, t_ВП – температура и время восстановления пластичности при охлаждении; T_C и T_ВП – температуры равновесного и неравновесного солидусов соответственно.

Методика проведения лабораторной работы.

Работа проводится в два этапа: для металла шва и ЗТВ.

На первом применяют образцы в виде пластин 3x120x100 мм, которые проплавляют вдоль 120 мм TIG сваркой без присадки и разрушают ударом пружины в специальной оснастке до появления трещин в шве. По зафиксированным режимам сварки рассчитывают термический цикл и определяют интервал температур, пропорциональный длине образовавшейся трещины, т.е. ΔT_ТИХ шва.

На втором этапе для определения ТИХ в ОШЗ 3x15x200, к которым в центре приваривают термопару ХА. Испытания для заданного термического цикла проводят на машине ЛТП-3-5М, путём электроконтактного нагрева, испытания растяжением и оценке σ и δ% при различных температурах до определения T_НП и T_ВП, разность которых (T_ВП – T_НП) определяет величину ТИХ_ОШЗ и пластичность в ОШЗ.

Необходимое оборудование и приборы

1. Испытательные машины ЛТП 1-6 и ЛТП 3-5М.

2. Термопара ХА.

3. Образцы из высоколегированных сплавов алюминия (Д-16) двух типов.

4. Имитатор ТСЦ с компьютерным управлением.

Содержание отчёта

В отчёте по лабораторной работе должны быть описаны:

– теоретические основы испытания, их целевое назначение;

– полученные результаты расчёта и эксперимента и их конкретные приложения в плане повышения технологической прочности при сварке.

Отчёт заканчивается ответами на контрольные вопросы и представляется к защите.

Контрольные вопросы

1. Что входит в понятие металлургическая свариваемость и какие аналогичные понятия вам известны?

2. Как разделить по смыслу неравновесный солидус и нижняя граница ТИХ?

3. Как оценивают неравновесный солидус?

4. Почему при сварке более информативны данные по определению границ ТИХ в неравновесных условиях?

5. Что физически происходит на границе определенного зерна в период пребывания в ТИХ?

6. Как влияет интенсивный рост зерна на горячие трещины в ОШЗ?

7. Как прогнозировать склонность к холодным трещинам по величине ТИХ в ОШЗ?

8. В чём отличие термических циклов в металле шва и в околошовной зоне?

9. От каких параметров зависит длительность пребывания металла ОШЗ в ТИХ?

10. Что понимают под «горячими трещинами различной природы»?

11. Как подавить склонность сталей и сплавов к образованию трещин в ОШЗ?

12. Какова роль новых способов сварки с минимум q/v и сварки без расплавления (СТП)?