Горячие трещины при сварке

Горячие трещины при сварке – это хрупкие межкристаллитные разрушения шва и зоны термического влияния, наиболее часто возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации (рис. 20). Возможно также образование горячих трещин в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации. Потенциальную склонность к образованию горячих трещин имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.

Рис. 20. Виды горячих трещин в шве и околошовной зоне:
1 и 2 – продольные; 3 и 4 – поперечные

Согласно физической модели процесса, горячие трещины образуются при критическом сочетании значений следующих факторов:

– температурного интервала хрупкости (ТИХ) в период кристаллизации металла шва, °С;

– минимальной пластичности в ТИХ δ_min , %;

– темпа высокотемпературной сварочной деформации α, %/^°C.

В начальный период кристаллизации (рис. 21) появление твердой фазы не снижает деформационную способность сплава, так как деформирование металла происходит в результате относительного перемещения участков твердой фазы и циркуляции жидкой фазы между ними. По мере дальнейшего охлаждения сплавов непрерывно снижается объем жидкой фазы и металл переходит в твердожидкое состояние, что приводит к соприкосновению кристаллитов при деформировании. Это ограничивает циркуляцию жидкой фазы и резко снижает деформационную способность сплава до минимума (δ_min). Температура, соответствующая этому состоянию, называется верхней границей ТИХ (Т_н.г).

На рисунке обозначено: а) диаграмма состояния сплава (С_i – состав сплава;
Т_л, Т_с, Т_с.н – температуры ликвидуса, равновесного и неравновесного солидуса); б) процесс кристаллизации сварного шва; в) распределение пластичности
δ (ТИХ – температурный интервал хрупкости; δ_min – минимальная пластичность в ТИХ; ε – интенсивность сварочных деформаций; Ж, ТВ – жидкая и твердая фазы).

а) б) в)

Рис. 21. Схема процесса образования горячих трещин в сварных швах

При деформации двухфазного металла кристаллиты воспринимают в местах контакта напряжения, что приводит к появлению определенного уровня сопротивления деформированию. Этому соответствует начало развития высокотемпературной собственной сварочной деформации. Нижняя граница ТИХ (Т_н.г) соответствует неравновесному солидусу Т_с.н, при котором еще сохраняются тонкие жидкие прослойки между кристаллитами. При охлаждении сплава ниже Т_н.г жидкая фаза полностью затвердевает, и деформационная способность сплава резко возрастает и достигает максимума, так как деформация распространяется на весь объем полностью затвердевшего металла.

Размер ТИХ в основном определяется химическим составом сплавов.
В первом приближении для оценки ТИХ используют диаграмму состояния сплава. Для равновесных условий кристаллизации (например, охлаждение расплава в печи) за ТИХ принимают нижнюю половину интервала кристаллизации [(Т_л – Т_с)/2], для неравновесных условий кристаллизации, например при сварке, Т_н.г соответствует неравновесному солидусу Т_с.н (рис. 21 а, б).

В реальных условиях на длину ТИХ оказывают влияние следующие факторы: не учитываемые при построении диаграммы состояния примеси, степень микрохимической неоднородности металла шва. В этом случае более точно размер ТИХ определяют экспериментальным путем.

Минимальная пластичность в ТИХ определяется структурой и свойствами металла в твердожидком состоянии на завершающем этапе кристаллизации; формой и размерами кристаллитов, количеством и распределением жидкой фазы в межкристаллитных пространствах, свойствами жидкой фазы (жидкотекучестью, вязкостью, прочностью в зависимости от объемности напряженно-деформированного состояния и др.). В сварных швах в зоне образования продольных кристаллизационных горячих трещин по оси шва эти параметры зависят от следующих основных факторов:

- характера кристаллизации (равноосная, столбчатая);

- типа кристаллизации (дендритный, ячеисто-дендритный и ячеистый);

- угла схождения осей противоположно растущих кристаллитов (срастание кристаллитов боковыми гранями или их вершинами);

- размера поперечных сечений элементов кристаллитов (мелко- и крупнокристаллитные швы);

- степени межкристаллитной МХН (минимальная при срастании кристаллитов гранями, максимальная при срастании вершинами);

- количества и состава жидкой эвтектической фазы в период завершения затвердевания (полностью или частично заполняющей межкристаллитные пространства);

- распределения высокотемпературных деформаций по поперечному сечению шва (относительное равномерное или сконцентрированное в зоне срастания кристаллитов в центре шва).

Определение минимальной пластичности сварных швов в ТИХ расчетным методом является сложнейшей задачей. Поэтому данных о минимальной пластичности немного. Если судить по имеющимся данным, то значения δ_min находятся приблизительно в диапазоне 0,15... 1,5 %.

Высокотемпературная сварочная деформация ε_с получает развитие при температуре Т_в.г, что соответствует появлению сопротивления двухфазного твердожидкого металла деформированию. Интенсивность этих деформаций количественно определяется темпом деформации: в дифференциальном виде

(23)

и в приращениях

(24)

где ∆ε – приращение высокотемпературной деформации за время охлаждения на ∆Т в определенном узком диапазоне температур.

Вероятность разрушения металла шва определяется его деформационной способностью в ТИХ. Количественно деформационную способность оценивают критическим темпом деформации α_кр.

Если принять закономерность нарастания деформации в ТИХ линейной, то критический темп деформации α_кр численно равен tg β_кр (рис. 21 в), т.е.

(25)

Угол β_кр – угол наклона касательной к кривой зависимости β от температуры.

Превышение действительным темпом деформации критического (α_д > α_кр) в ТИХ приводит к исчерпанию пластических свойств металла и образованию горячих трещин.

Параметр α_кр принимается за показатель сопротивляемости сварных швов образованию горячих трещин, которая является технологическим свойством металла сварного соединения и служит для относительной сравнительной оценки швов различного состава, типа сварного соединения, способа и режима сварки и других конструктивно-технологических параметров. Отсутствие горячих трещин в сварном соединении реальной конструкции классифицируется как стойкость металла соединения против образования горячих трещин и соответствует условию, при котором действительный темп деформации меньше критического.

Действительный темп высокотемпературной деформации при сварке конструкций зависит от многих факторов, основными из которых являются жесткость закрепления свариваемых элементов и удельная погонная энергия.

В некоторых сплавах возможно существование нескольких температурных интервалов хрупкости: ТИХ_I, ТИХ_II и ТИХ_III.

ТИХ_I находится в нижней части интервала кристаллизации и характерен для всех сплавов, ТИХ_II и ТИХ_III существуют у некоторых сплавов в твердофазном состоянии металла при температурах ниже температуры неравновесного солидуса T_с.н. Горячие трещины в ТИХ_I образуются по жидким прослойкам в период завершения кристаллизации шва, а также в околошовной зоне по оплавленным границам в период нагрева. Горячие трещины такого типа называются кристаллизационными или ликвационными трещинами соответственно в шве и в околошовной зоне. Эти трещины характерны для всех типов сплавов.

Горячие трещины в ТИХ_II образуются в закристаллизовавшихся шве и околошовной зоне в период интенсивного развития процессов самодиффузии атомов основы сплава и миграции границ зерен. В результате этих процессов происходит межзеренное проскальзывание и зарождение горячих микротрещин. Горячие трещины такого типа называются подсолидусными трещинами. Они характерны для однофазных аустенитных и никелевых сплавов.

Горячие трещины в ТИХ_III образуются в результате охрупчивания, обусловленного распадом твердого раствора с выпадением мелкодисперсных интерметаллидных и карбонитридных фаз (например, γ'- фазы Ni₃TiAl в высоконикелевых сплавах). Дисперсионное упрочнение объема зерен приводит к локализации пластических деформаций по приграничным участкам, относительному проскальзыванию зерен и зарождению горячих микротрещин. Такие горячие трещины называются трещинами дисперсионного твердения. Они характерны для высоколегированных гетерогенных жаропрочных аустенитных сталей и никелевых сплавов.

Дата добавления: 2014-01-04