Процеси, які відбуваються при нагріванні сталей вище від температур поліморфних перетворень

Для аналізу процесів фазових перетворень при швидкому нагріванні під час зварювання важливо те, що чим більша швидкість нагрівання, тим менш гомогенним є утворений аустеніт. У будь-якому випадку гомогенізація аустеніту, утвореного в процесі нагрівання, потребує часу, але цей час параболічно зменшується з підвищенням температури. Тому при певних температурах перегріву, характерних для сталей даного складу, швидкість дифузії вуглецю досягає значень, які обумовлюють перебіг гомогенізації при завершенні нагрівання.

На основі загальних закономірностей (див. п. 14.5) можна розглянути умови утворення аустеніту в ЗТВ зварних з’єднань. Для ділянок металу, в яких при нагріванні під час зварювання та охолодженні після зварювання відбуваються фазові й структурні перетворення і змінюються властивості, швидкість нагрівання залежить від ряду факторів: товщини зварюваного металу (за інших рівних умов швидкість нагрівання зменшується за рахунок тепловіддачі в холодний метал); величини зварювального струму при збереженні швидкості зварювання (зі збільшенням зварювального струму швидкість нагрівання збільшується); кількості шарів при зварюванні. Від цих самих факторів залежить тривалість знаходження металу пришовної зони при температурі аустенітного стану. Вона зменшується зі збільшенням товщини зварюваного металу і збільшується зі збільшенням погонної енергії зварювання та кількості шарів.

Перелічені фактори повинні впливати на гомогенізацію аустеніту в пришовній зоні. По ширині ЗТВ, що нагрівається вище від А_с₃, ступінь гомогенності аустеніту буде неоднаковим. Значний градієнт температур у порівняно невеликій по довжині зоні нагріву може спричинити неоднорідність аустеніту, навіть якщо в ділянках, що примикають до шва, швидкість і температура нагріву обумовлюють отримання гомогенного твердого розчину. Ця гомогенність буде убувати в напрямку віддалення від шва до зони, яка нагріта нижче від температури А_с₃. Градієнт негомогенності аустеніту в ЗТВ, що нагріта вище від А_с₃,має велике значення для перетворень при охолодженні, для структури і властивостей зварного з’єднання.

Крім умов нагрівання і складу сталі, на ступінь гомогенності утвореного аустеніту впливає початковий стан сталі. Чим більш диференційованою є первинна структура, тим складніші під час нагрівання умови гомогенізації. Ця ж обставина і визначає відміну в перебігу гомогенізації аустеніту евтектоїдних, доевтектоїдних і заевтектоїдних сталей. Таким чином, одна і та сама доевтектоїдна сталь з первинною структурою фериту з перлітом (нормалізована або гарячекатана), зернистим перлітом (відпалена) або сорбітом (після гартування і відпуску) буде мати різні за гомогенністю аустеніту ЗТВ при однакових умовах зварювального нагрівання. Найбільш гомогенним аустеніт буде при зварюванні термічно поліпшуваної сталі (після гартування і високого відпуску), а найменш гомогенним – при зварюванні сталі з первинною диференційованою структурою.

Високий нагрів, що приводить до утворення гомогенного аустеніту, обумовлює також і ріст зерна. Цей процес є дифузійним, і гомогенізація параболічно прискорюється з підвищенням температури. Тому при швидкому нагріванні температурна область гомогенного аустеніту може збігатися з областю зерен, що сильно зросли. Але при зварюванні термічно поліпшуваної сталі зона крупного зерна може бути помітно вужчою від зони гомогенного аустеніту у зв’язку з тим, що для цих сталей гомогенізація аустеніту повинна починатися при більш низьких температурах, ніж для сталей з диференційованою структурою.

В умовах зварювання вплив спадкової дрібно- і крупнозернистості менший. Така спадковість має вплив на властивості сталі при обмежених температурах нагріву, а при високих температурах у ділянці поблизу шва (вище 1200 °С) природна дрібнозернистість проявляється менше. Однак дрібнозернистість обумовлює відсутність зони крупного зерна при великих швидкостях нагрівання і малому часі знаходження за максимальної температури.

Крім перетворень і процесів, з якими пов’язане утворення аустеніту при нагріванні вище від А_с₃, для зварних з’єднань мають значення процеси, що відбуваються при нагріванні в міжкритичному інтервалі температур А_с₁…А_с₃ і при нагріванні нижче від температури А_с₁. Нагрівання найбільш часто зварюваних доевтектоїдних сталей до температур в інтервалі А_с₁…А_с₃ характеризується існуванням двох фаз – фериту й аустеніту. При такій температурі аустеніт, як правило, не є гомогенним. Кількість аустеніту і фериту під час нагрівання в міжкритичному інтервалі температур залежить від вмісту вуглецю в сталі. Для нагрівання в міжкритичному інтервалі температур, крім зміни кількості аустеніту і фериту, характерна також зміна вмісту вуглецю в аустеніті при різних температурах нагрівання.

Для процесів, що відбуваються під час нагрівання в міжкритичному інтервалі температур, як і для нагрівання вище від А_с₃, має значення первинна структура сталі.

Найбільш віддаленою від зварного шва є зона, яка нагрівається до температури, нижчої від А_с₁. При нагріванні до температур, нижчих від А_с₁, можуть відбуватися три процеси, кожний з яких впливає на структуру й властивості сталі.

При температурах, близьких до А_с₁, можуть відбуватися процеси коагуляції карбідів, особливо характерні для нагрівання сталей, що пройшли попереднє гартування з відпуском або іншу обробку, в результаті якої структура подрібнилася. Процес коагуляції здатний привести до зниження міцності.

При нагріванні до температури, близької до А_с₁, можуть розчинятися надлишкові дисперсні фази, що виділилися раніше при охолодженні внаслідок підвищення розчинності їх у фериті при зниженні температури (наприклад, дисперсні третинні карбіди, дисперсні нітриди і карбонітриди). Цей процес також може привести до зниження міцності. Однак пересичений твердий розчин не є стабільною фазою, і протягом часу він буде розпадатися, а надлишкова фаза, що виділяється, – підвищувати міцність і крихкість сталі.

У зоні, що нагрівається до температури, більш далекої від А_с₁ (250…450 °С), можуть розвиватися процеси штучного старіння, виділення дисперсної фази з пересиченого твердого розчину.

Таким чином, як при зварюванні плавленням, так і при зварюванні тиском у твердому стані для зварних з’єднань сталі характерне утворення таких ділянок у металі, що примикають до зварного шва (рис. 15.1): 1 – неповного розплавлення; 2 – перегріву; 3 – нормалізації; 4 – неповної перекристалізації; 5 – відпуску, рекристалізації; 6 – старіння.

Рис. 15.1. Будова зварного з'єднання при зварюванні низьковуглецевої сталі

Протяжність ділянок зростає зі зменшенням градієнта розподілу максимальних температур нагріву. Залежить вона також від вмісту хімічних елементів у сталі і перш за все від вмісту вуглецю.