Структурные изменения в зоне термического влияния и их регулирование

Основной металл в зоне термического влияния подвергается своеобразной термической обработке. Структура металла в этой зоне изменяется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения. При данном термическом цикле характер изменений структуры зависит от химического состава основного металла и его предшествующей термической и механической обработки. Термические циклы слоев зоны, различно удаленных от границы зоны проплавления, неодинаковы, поэтому сварное соединение представляет собой агрегат слоев с неоднородной структурой и механическими свойствами.

Околошовная зона образуется при всех видах электрической сварки плавлением. Ширина ее изменяется в зависимости от способа и режима сварки, состава и толщины основного металла. Меньшей ширине околошовной зоны соответствуют условия сварки, характеризуемые большим перепадом температур.

Схема строения околошовной зоны приведена на рис. 1.3. Металл первого участка околошовной зоны (зона сплавления), примыкающий непосредственно к металлу шва, находился в твердо-жидком состоянии. Участок имеет сравнительно небольшую ширину (0,1—0,4 мм) и отличается от соседних участков основного металла. Эти изменения вызваны диффузионными процессами, протекающими в процессе сварки в зоне сплавления. Направление диффузии элемента определяется коэффициентом распределения в твердой и жидкой фазах, а также содержанием элемента в основном металле и сварочной ванне. В зависимости от соотношения этих величин диффузия элемента может происходить из основного металла в металл шва или из металла шва в основной металл. При сварке сталей малоуглеродистой проволокой происходит перемещение элементов из основного металла в металл шва.

Рис. 1.3 Участки околошовной зоны:1- твердо-жидкого состояния; 2 - перегрева; 3 - перекристаллизации; 4- участок неполной перекристаллизации; 5 — рекристаллизации; 6 — старения.

Участок металла околошовной зоны, примыкающий к металлу шва, обедняется этими элементами. Например, при соблюдении указанных условий наблюдается заметная диффузия углерода из основного металла в сварочную ванну. При этом максимальная концентрация углерода в жидкой ванне в месте контакта твердой и жидкой фаз достигает 0,145%, а участок основного металла обедняется до концентраций 0,019%. При сварке чугунным электродом малоуглеродистой стали диффузия происходит в обратном направлении. Узкий участок основного металла околошовной зоны обогащается углеродом и его ширина достигает 0,01 см. Прилегающие объемы сварочной ванны, наоборот, обедняются углеродом. Рассмотренные явления могут приводить к изменению состава и структуры металла в зоне сплавления.

При замедленном охлаждении или изотермической выдержке рассмотренное распределение углерода может претерпевать изменения в направлении выравнивания первоначального распределения в соответствии с растворимостью его в контактирующих основном и наплавленном металлах или образование карбидов в участках первоначального скопления углерода и дальнейшее усиление неоднородности вследствие реактивной диффузии.

Свойства зоны сплавления в ряде случаев оказывают резкое влияние на свойства сварного соединения. Ширина зоны сплавления зависит от характера источника нагрева, состава свариваемого и электродного металла и ряда других факторов.

Второй участок околошовной зоны называется участком перегрева или участком крупного зерна (см. рис. 1.3). В него входит металл, который нагревался от температуры 1200° С до температуры плавления основного металла. Ширина его изменяется от 1 до 3 мм. При нагреве металл претерпевает α→γ превращение. По мере перегрева выше температуры Ас3 аустенитное зерно растет и даже при незначительной продолжительности пребывания при высоких температурах успевает вырасти до значительных размеров.

При охлаждении происходит γ→α превращение. Превращение вследствие некоторого переохлаждения происходит при более низких температурах, чем при нагреве, и при более крупном исходном зерне аустенита после полного охлаждения образуется крупнозернистая структура.

Характер структуры, образующейся в участке перегрева, зависит от характера термического цикла сварки и состава металла. Так, в некоторых случаях в этом участке образуется видманштеттова структура, характеризующаяся резко выраженной направленностью ферритных выделений под углом около 120° друг к другу. Появление видманштеттовой структуры менее характерно для дуговой и более характерно для электрошлаковой сварки углеродистых и низколегированных сталей.

В легированных сталях участки металла, нагревающиеся при сварке выше температуры Ac3, в результате быстрого охлаждения могут приобретать структуры закалки. При этом для одних и тех же условий конечная структура этих участков может быть получена либо мартенситной, либо мартенсито-бейнитной. Однако структура зоны по ширине — от участка сплавления до участка, имевшего при сварке максимальную температуру, только несколько превышающую Ас3,— будет неодинаковой. В результате распада крупных аустенитных зерен в участках, прилегающих к границе сплавления и нагревавшихся при сварке выше 1200° С, образуется более крупнопластинчатый мартенсит, чем на участках металла, нагревавшихся только несколько выше Acs. Структура зоны сплавления является почти такой же, как и участка перегрева.

Обычно металл второго участка обладает меньшей пластичностью и стойкостью против перехода в хрупкое состояние, чем основной металл вдали от зоны термического влияния. Поэтому задача выбора оптимальной технологии сварки сводится к обеспечению наименьшего снижения свойств на этом участке.

Третий участок околошовной зоны — участок перекристаллизации или участок нормализации. Он включает металл, нагретый от температуры несколько выше α→γ превращения до температуры 1100—1150° С. Ширина участка нормализации 1,2—4,0 мм.

В малоуглеродистых и низколегированных сталях в участке нормализации образуется мелкозернистая структура, характеризующаяся в целом достаточно высоким комплексом механических свойств (прочностью, пластичностью, вязкостью).

В среднелегированных сталях в металле третьего участка образуется мелкопластинчатый мартенсит или смесь мартенсита и продуктов промежуточного превращения, т. е. те же структуры, что и в участке перегрева, но более дисперсные. Размер зерна в участке нормализации так же, как и в участке перегрева, зависит от термического цикла сварки и химического состава стали.

Четвертый участок околошовной зоны включает в себя металл, нагретый от температур Ас1 до AC3. Металл участка подвергается только частичной перекристаллизации и поэтому называется участком неполной перекристаллизации. Металл этого участка на малоуглеродистых и низколегированных сталях характеризуется почти неизменяющимся ферритным зерном и некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков. В участке неполной перекристаллизации среднелегированных сталей после охлаждения формируется структура частичной закалки.

Структура четвертого участка зоны термического влияния зависит от структуры исходного состояния перед сваркой. Если в исходном состоянии металл был закален или отпущен, то его нагрев между Ac1 и Ас3 и последующее охлаждение приводит к конечным структурам частичной закалки.

Феррито-перлитная структура малоуглеродистых и низколегированных сталей после нагрева и охлаждения по термическим циклам после перекристаллизации остается той же, хотя размер зерна перлита может изменяться. Например, при исходном крупном зерне перлита в результате воздействия на металл термического цикла более мелкое зерно перлита (по ширине участка) будет характерно для участка, который нагревался до более низких температур (несколько выше Ac1). Ферритное зерно в участке неполной перекристаллизации останется без изменений. Изменения структуры металла в этом участке значительно меньше влияют на качество сварного соединения, чем изменения в первых трех участках.

Следующий участок — пятый — называется участком рекристаллизации. Этот участок включает металл, который нагревается от 500° С до температур несколько ниже Ас1. Участки зоны, нагревавшиеся ниже Ас1 по структуре и свойствам могут быть различными, в зависимости от исходного состояния металла перед сваркой. Если металл перед сваркой подвергался холодной пластической деформации, то при нагреве до температур ниже Ac1 происходит рекристаллизация, приводящая к значительному росту зерна.

Вследствие относительного непродолжительного нагрева нижний предел температур рекристаллизационной зоны обычно несколько выше нижнего предела рекристаллизации рассматриваемого металла. Если нижний предел рекристаллизации чистых металлов обычно определяется соотношением t ≈0,4 tпл, где tпл—температура плавления, то для чистого железа эта температура примерно равна 450° С. Однако в сварных соединениях рекристаллизационная структура обычно наблюдается в участках, которые нагревались до температур выше 500— 525° С.

Для рекристаллизованного участка металла околошовной зоны характерно некоторое разупрочнение и снижение твердости по сравнению с исходным состоянием.

Если исходный металл перед сваркой находился в закаленном состоянии, то при нагреве до температур ниже Act он претерпевает отпуск при различных температурах (в интервале 500° С — несколько ниже Ас1). Так, участок, прилегающий к участку частичной закалки, получит кратковременный высокий отпуск и в нем образуются сорбитообразные структуры. По мере удаления от него температура отпуска снижается и уменьшается общая продолжительность выдержки при повышенных температурах. Твердость металла повышается. На этом участке околошовной зоны при сварке углеродистых и ряда других сталей происходит снижение пластичности и ударной вязкости и повышение прочности металла. Полагают, что это явление вызывается процессом старения, который протекает при охлаждении.

Шестой участок включает металл, который нагревался в интервале температур 100—300° С. Этот участок в процессе сварки не претерпевает видимых структурных изменений. Однако при сварке малоуглеродистых сталей с повышенным количеством газов в участке, который нагревался до температур 100—300° С, наблюдается снижение ударной вязкости.

В легированных закаленных перед сваркой сталях в этом участке происходит образование структуры мартенсита отпуска. Этот мартенсит структурно при металлографических исследованиях не отличается от исходного и при несколько меньшей или примерно той же твердости обладает лучшей пластичностью и вязкостью.

Термическое воздействие сварочного процесса иногда практически безразлично (например, в малоуглеродистой стали), но вызванные им изменения структуры часта ухудшают механические свойства околошовной зоны (например, в некоторых марках углеродистой и низколегированной стали) или снижают ценные в эксплоатации специальные свойства (например, сопротивление коррозии хромоникелевой аустенитной стали).

Термический цикл является основой для оценки влияния параметров режима сварки на изменения структуры в основном металле. Теория процессов распространения тепла позволяет установить влияние режима сварки, последовательности укладки слоев или швов, формы и размеров изделия и условий подогрева на термический цикл, от которого зависят структура и свойства основного металла в зоне термического влияния (а в некоторой степени и наплавленного металла).