Монтаж и техническое обслуживание судовых машин и механизмов

При сварке плавлением низкоуглеродистых сталей применяются сварочные материалы, при которых металл шва получается низкоуглеродистым и низколегированным. Такие стали малочувствительны к скорости охлаждения и не закаливаются. Микроструктура шва получается, как правило, феррито-перлитной.

Переходная зона, или зона сплавления (иногда ее называют границей сплавления), отмечена на схеме цифрой 1. У низкоуглеродистых сталей она невелика. Обычно она имеет ширину 0,08-0,1 мм при дуговой сварке и 0,15-0,20 мм при газовой и электрошлаковой сварке. Структура данной зоны обычно крупнозернистая (феррит + перлит).

Зона термического влияния нагревается до температур ниже солидуса и в зависимости от температуры нагрева разделяется на ряд участков.

Участок перегрева (2) у низкоуглеродистой стали включает металл, нагретый от температур 1000-1100°C до температур, близких к температуре плавления. В связи с этим здесь развивается крупное зерно; характерным признаком перегрева является повышенная хрупкость. Иногда в участке перегрева встречается так называемая видманштеттова структура. Эта структура впервые была обнаружена Видманштеттом при исследовании метеоритного железа и характеризуется ориентированным расположением феррита. При правильно выбранных режимах сварки структура участка перегрева - крупнозернистый перлит и феррит.

Участок нормализации (3) охватывает металл, нагреваемый в процессе сварки несколько выше критической точки Ас₃ (для низкоуглеродистой стали до температур 900-1100°С). Благодаря процессу перекристаллизации при нагреве и охлаждении и оптимальной температуре этого нагрева имеет место значительное измельчение зерна. Механические свойства этого участка весьма высокие по сравнению со свойствами других участков зоны термического влияния.

Участок неполной перекристаллизации (4) нагревается до температур, лежащих в интервале от точки Aс₁ до Aс₃. Металл этого участка в процессе нагрева и охлаждения подвергается только частичной перекристаллизации. Процесс перекристаллизации доэвтектоидной стали протекает следующим образом. До нагрева основной металл имеет структуру феррит и перлит со значительным преобладанием феррита, поскольку сталь низкоуглеродистая. При нагреве в точке Aс₁ наблюдается эвтектоидное превращение перлита в аустенит, феррит же при этой температуре никаких превращений не претерпевает. При охлаждении зерна феррита остаются без изменения, а аустенит переходит в мелкозернистый перлит. Таким образом, отличительной чертой структуры этого участка будет наличие мелких зерен перлита рядом с зернами феррита, имеющими обычные, характерные для основного металла размер и форму.

Участок рекристаллизации (5) может иметь разную структуру в зависимости от предшествовавшей обработки. У горячекатаной или отожженной перед сваркой стали структура металла, нагревавшегося до температур ниже Ас₁, не меняется.

Если металл перед сваркой был наклепан (путем холодной прокатки, штамповки, гибки, обработки резанием), то структурные превращения наблюдаются и на участках, которые нагревались ниже температуры Ас₁. В холоднодеформированном металле при нагреве происходит процесс рекристаллизации, заключающийся в том, что из деформированных, вытянутых зерен вырастают новые, равноосные зерна. Величина этих новых зерен зависит от степени деформации. Температура начала процесса рекристаллизации вычисляется по формуле:

Т_р = K·Т_пл,

где K - коэффициент, зависящий от чистоты металла. У металлов обычной технической чистоты K = 0,3-0,4;

Т_пл - температура плавления, K.

Если же основной металл перед сваркой холодной пластической деформации не подвергался, то рекристаллизация не происходит и участка рекристаллизации не будет.

Участок синеломкости (6) по структуре совершенно не отличается от основного металла. Температура нагрева этого участка 200-500°С. Характерным для него является снижение ударной вязкости из-за выделения примесей по границам зерен в виде субмикроскопических частиц.

Механические свойства зон и участков сварного соединения неодинаковы. Наиболее низкими механическими свойствами будут обладать металл шва, граница сплавления, участок перегрева и участок синеломкости. Низкие механические характеристики шва объясняются литой структурой металла и вероятностью наличия дефектов (включений, газовых пор, непроваров и т.п.). Переходная зона, как известно, состоит из литых зерен и крупных зерен перегретого основного металла с характерной для них низкой прочностью. На участке синеломкости прочность снижается из-за выпадения примесей по границам зерен. Особенно резко проявляется это явление при эксплуатации сварных конструкций при повышенных температурах.

Возможности термической обработки сварных соединений

Структурную неоднородность сварного соединения можно в некоторой степени устранить путем термической обработки. Если на термическую обработку возлагается только задача снятия внутренних напряжений (возникших в результате сварки), то достаточно ограничиться низкотемпературным отжигом с последующим медленным охлаждением.

Обычно для снятия внутренних напряжений применяют отжиг при 500-600°C, а иногда и при более низких температурах.

Однако часто на термическую обработку возлагают и другие задачи:

1. Получение мелкого зерна путем перекристаллизации.

2. Выравнивание структуры по сечению шва и зоны термического влияния.

3. Выравнивание химического состава путем диффузии.

4. Придание основному и наплавленному металлу заданных свойств и структуры.

В любом случае, прежде чем решиться на термическую обработку сварного соединения, нужно тщательно изучить геометрию и размеры сварного соединения, неоднородность химического состава и структуры. Как правило, после этого требуется экспериментальная проверка принятых решений.

Следует отметить, что прочность сварного соединения зависит также от дефектов, не связанных со структурными превращениями. Это неправильное формирование шва, образование наплывов и подрезов, образование трещин при неравномерной усадке шва. Последнее объясняется тем, что жидкий металл имеет больший объем, нежели твердый. При затвердевании объем шва будет уменьшаться, а основной металл, как правило, препятствует этой усадке. В результате могут образоваться внутренние напряжения и трещины.

Задания по выполнению работы

1. Изучить коллекцию сварных образцов и определить дефекты, которые выявляются внешним осмотром.

2. Определить характерные зоны сварного соединения.

3. Изучить и зарисовать микроструктуру сварного соединения.

4. Определить содержание углерода (по микроструктуре) в шве и в основном металле.

5. Произвести замер твердости по сечению сварного соединения.

6. Ответить на контрольные вопросы.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Материалы и оборудование.

3. Рисунок диаграммы железо-углерод и схемы сварного соединения.

4. Краткая характеристика микроструктуры и свойств зон и участков сварного соединения.

5. Изображение микроструктуры характерных участков и зон сварного соединения.

6. Расчет химического состава шва и основного металла по углероду.

7. Рисунки дефектов сварных швов.

8. График изменения твердости по сечению шва.

Контрольные вопросы

1. Из каких этапов состоит процесс образования сварного соединения?

2. Что такое термический цикл сварки?

3. Попробуйте нарисовать термический цикл при сварке (в координатах температура - время). Сравните с графиком какого-либо вида термической обработки, например, закалки в воду, нормализации. Проанализируйте, в чем сходство и различие вида кривых.

4. Что такое мягкий и жесткий режим сварки? Как их получить практически, например, при ручной дуговой сварке, контактной и др.?

5. Из каких зон состоит сварное соединение?

6. Опишите характерные признаки зон сварного соединения. Как эти зоны образуются при сварке?

7. Как добиваются равнопрочности сварного шва с основным металлом?

8. Всегда ли нужно добиваться равнопрочности шва и основного металла?

9. От каких факторов зависит ширина зоны сплавления? 10. Что называется зоной термического влияния?

11. Из каких участков состоит зона термического влияния?

12. От чего зависит величина зоны термического влияния?

13. Отличается ли химический состав металла в зоне термического влияния от химического состава основного свариваемого металла?

14. Какие изменения происходят в металле участка перегрева?

15. Свойства металла на участке нормализации.

16. Структурные превращения металла на участке неполной перекристаллизации.

17. Что такое наклеп и рекристаллизация?

18. Какие дефекты влияют на качество шва?

19. Причины образования трещин в шве.

20. Как устранить внутренние напряжения в сварном соединении?

Размещено на Allbest.ru