Строение и структурно-фазовые превращения при сварке
Сварное соединение состоит из участков с неодинаковым химическим составом и различной структурой. Ориентировочный характер изменений структуры сварных швов объясняется сопоставлением линии максимальных температур нагрева основного металла в отдельных точках околошовной зоны с диаграммой состояния сплава. Так если перенести с диаграммы Fe–Fe3C положение критических точек на линию максимальных температур и на сварное соединение, то в зоне сварного соединения можно выделить несколько участков с характерной структурой (рисунок 3.2).
1 – область температур, вызывающих перегрев стали; 2 – линия максимальной температуры нагрева зоны термического влияния
Рисунок 3.2 – Схема строения основного металла в зоне термического влияния для стали, содержащей 0,23 % углерода
Процесс образования шва при сварке плавлением включает расплавление основного металла, смешение наплавляемого электродного металла с расплавленным основным – образование металла шва, кристаллизацию жидкого металла шва (первичная кристаллизация) и кристаллизацию в твердом металле шва при его остывании (вторичная кристаллизация), наблюдаемую только в сплавах с аллотропическими превращениями.
В сварном шве, так же, как и в слитках, при кристаллизации развивается ликвация – неравномерность в распределении элементов сплава (S, P, C) в шве, обусловленная большей растворимостью элемента в жидкости, чем в твердой фазе.
Непосредственно к сварному шву примыкает участок I, металл которого в процессе сварки нагревался от температуры начала интенсивного роста зерна аустенита (1100-1200°С) до температуры плавления. Поэтому на участке I основной металл имеет по сравнению с исходной более крупную структуру. При длительном перегреве возможно образование так называемой вид манштетовой структуры (крупные зерна перлита и иглообразного феррита). Зона перехода от оплавленных зерен основного металла к кристаллитам шва называется зоной сплавления (ширина 0,08-0,2 мм). Наиболее характерным свойством металла с такой структурой является пониженная ударная вязкость. Участок I – участок крупного зерна или перегрева.
На участке II металл в процессе сварки нагревался выше температуры критической точки Аc3, но ниже температуры перегрева. Переход при нагревании критической точки Ac1 сопровождается образованием мелкого зерна аустенита. Растворение феррита в аустените при нагревании от точки Ac1 до точки Ac3 приводит к росту зерен аустенита. Поэтому при охлаждении на участке II образуется мелкозернистая структура, обеспечивающая металлу более высокую (по сравнению с исходной) вязкость. Участок II называют участком мелкого зерна.
Укрупнение зерна основного металла на участке перегрева I сопровождается уменьшением его пластичности и ударной вязкости; измельчение зерна на участке II приводит к повышению этих характеристик. Характеристики прочности (твердость металла, временное сопротивление, предел текучести) несколько снижаются на участке измельченного зерна II, но всегда возрастают на участке перегрева I. Повышение прочности металла вблизи шва объясняется тем, что он в процессе сварки подвергается не термической, а термопластической обработке (претерпевает сначала пластическое сжатие, а затем пластическое растяжение).
На участке III (нагрев в интервале критических точек Ac1–Ac3) происходит неполная перекристаллизация: зерна феррита остаются в исходном состоянии, а зерна перлита измельчаются. Участок III – это переходная область к основному металлу. Если сварке подвергается сталь или другой сплав, механические свойства которого обеспечиваются путем закалки и низкого отпуска, то в околошовной зоне наблюдается участок отпуска IV (на котором металл нагревался ниже точки Ac1) с пониженной твердостью и временным сопротивлением разрыву.