Материалы и их поведение при сварке


A. H. ЗАЙЦЕВ





                МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ





Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791
ББК 34.641
     3-17



Рецензенты:
д. т. н., профессор кафедры сварочных, литейных и аддитивных технологий ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» А. Ю. Медведев;
д. т. н., директор ООО «Головной аттестационный центр РБ»
В.  В. Атрощенко




    Зайцев, А. Н.

3-17      Материалы и их поведение при сварке : учебное пособие / А. Н. Зай-
    цев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 236 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1079-3

     Рассмотрены общие закономерности и особенности металлургии и металловедения сварного соединения, в том числе: кристаллическое строение и кристаллизация; диффузионные процессы в металлах при сварке; характеристики свариваемых и вспомогательных материалов; металлургические процессы при сварке; свариваемость различных конструкционных материалов; равнопроч-ность сварных швов; основные механические и эксплуатационные свойства сварных соединений и методы их определения.
     Для студентов, изучающих курс «Материалы и их поведение при сварке» по направлению подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение» в высших учебных заведениях.

УДК 621.791
                                                           ББК 34.641











ISBN 978-5-9729-1079-3

     © Зайцев А. Н., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.........................................................8
ЧАСТЬ I. Общие закономерности и особенности металлургии сварных соединений...............................................9
1. Физический принцип сварки. Кристаллизация металла сварочной ванны..................................................9
1.1. Физические принципы образования сварного соединения.........9
1.2. Кристаллическое строение и свойства металлов...............10
Кристаллическое строение металла................................10
Несовершенства (дефекты) кристаллической решетки................12
1.3. Плавление и кристаллизация металла сварочной ванны.........14
Самопроизвольная и несамопроизвольная кристаллизация............16
Общие закономерности кристаллизации и формирования первичной структуры металла...............................................17
Химическая неоднородность.......................................19
Особенности плавления и кристаллизации металла сварочной ванны при дуговой сварке..............................................20
2. Диффузионные процессы в металлах при сварке..................23
2.1. Механизмы диффузии.........................................23
2.2. Самодиффузия и гетеродиффузия..............................24
2.3. Виды диффузии..............................................24
2.4. Основные законы диффузии...................................25
Первый закон Фика...............................................25
Второй закон Фика...............................................25
2.5. Диффузионные процессы в формировании структурно-фазового состояния в металлах при сварке.................................26
3. Характеристика свариваемых и вспомогательных материалов......29
3.1. Классификация конструкционных материалов...................29
3.2. Классификация и маркировка сталей..........................30
3.3. Углеродистые конструкционные стали.........................32
Низкоуглеродистые конструкционные стали.........................34
Средне- и высокоуглеродистые стали..............................34
3.4. Низколегированные и среднелегированные стали...............35
Низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали.......35
Низколегированные среднеуглеродистые стали......................36
Среднелегированные стали........................................36
Высоколегированные стали........................................38
3.5. Титановые сплавы...........................................41
3.6. Алюминий и его сплавы......................................42
3.7. Неметаллические свариваемые материалы. Пластмассы..........44
3.8. Вспомогательные материалы, применяемые при сварке..........46
Электроды.......................................................46
Сварочная и присадочная проволока...............................50
Флюсы...........................................................51

3

Защитные газы....................................................52
Горючие газы.....................................................52
4. Металлургические процессы при сварке..........................53
4.1. Основные металлургические процессы, протекающие при сварке плавлением.......................................................53
Диссоциация газов и соединений...................................53
Окисление металла при сварке.....................................54
Раскисление металла при сварке...................................55
Взаимодействие металла с азотом..................................56
Взаимодействие металла сварочной ванны с водородом...............57
Рафинирование металла шва........................................57
Модификация металла при сварке...................................58
4.2. Обеспечение стабильности процессов в сварочной ванне........59
Основные факторы, влияющие на стабильность процессов в сварочной ванне................................................59
Механизм процесса крупнокапельного переноса электродного металла..60
4.3. Особенности металлургических процессов при различных способах сварки..................................................64
Металлургия дуговой сварки под флюсом............................64
Металлургия дуговой сварки в активных и инертных защитных газах..65
5. Свариваемость различных конструкционных материалов............67
5.1. Свариваемость сталей........................................67
Влияние на свариваемость легирующих элементов и примесей.........67
Углеродный эквивалент стали......................................69
5.2. Классификация сталей по свариваемости.......................69
Группы свариваемости.............................................69
Характеристика свариваемости сталей различных групп..............69
5.3. Дефекты сварных соединений..................................72
5.4. Трещины при сварке. Механизм образования и методы устранения.72
Горячие трещины..................................................73
Холодные трещины.................................................80
5.5. Свариваемость титановых сплавов.............................82
Поры и холодные трещины при сварке титана........................82
5.6. Свариваемость алюминиевых сплавов...........................83
Сопротивляемость горячим трещинам................................83
Оксидные пленки..................................................84
Газовая пористость...............................................84
6. Равнопрочность сварных швов...................................85
6.1. Равнопрочность сварного соединения..........................85
6.2. Примеры расчета сварного соединения с учетом равнопрочности.85
7. Основные механические и эксплуатационные свойства сварных соединений. Методы их определения........................88
7.1. Основные механические и эксплуатационные свойства металлов..88
7.2. Методы определения механических свойств сварных соединений..89

4

Определение механических свойств металла отдельных зон сварного соединения.......................................................90
Определение механических свойств сварного соединения в целом.....95
7.3. Эксплуатационные свойства сварного соединения...............99
7.4. Механические свойства сварных соединений при повышенных температурах и методы их испытаний..............................100
Ползучесть......................................................100
Релаксация......................................................103
7.5. Механические свойства сварных соединений при переменных нагрузках. Усталостная выносливость.............................103
Литература к части I............................................106

ЧАСТЬ II. Металловедение и термообработка сварных соединений....109
8. Фазовые и структурные превращения в стали при сварке и последующей термообработке....................................109
8.1. Диаграмма состояния Fe-C...................................109
8.2. Основные фазы и структурные составляющие на диаграмме Fe-C.111
8.3. Критические точки в стали: температурные координаты и обозначения...................................................112
8.4. Превращения железоуглеродистых сплавов при медленном охлаждении из расплава..........................................113
8.5. Термический цикл сварки и его влияние на структуру и свойства сварного соединения.............................................116
8.6. Строение зоны термического влияния (ЗТВ)...................119
Распределение электродных потенциалов в ЗТВ при стыковом соединении......................................................123
8.7. Образование остаточных напряжений после термического цикла сварки....................................................124
Образование остаточных напряжений после нагрева и охлаждения....124
Образование остаточных напряжений после фазовых превращений.....125
8.8. Фазовые превращения в сталях при нагреве, охлаждении и термообработке................................................126
Рост аустенитного зерна. Наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали...........................................126
Перлитные превращения переохлажденного аустенита................128
Мартенситное превращение аустенита при непрерывном охлаждении...131
8.9. Влияние легирующих элементов на процессы структурно-фазовых переходов.......................................................134
Взаимодействие легирующих элементов с углеродом.................135
Влияние легирующих элементов на превращения в стали.............136
9. Виды термической обработки...................................138
9.1. Термическая обработка сплавов..............................138
9.2. Основные виды термической обработки........................138
Отжиг...........................................................140

5

Нормализация..................................................144
Закалка.......................................................145
Закалка без полиморфного превращения..........................146
Отпуск........................................................147
Старение......................................................149
Улучшение.....................................................150
10. Термическая обработка сварных соединений различных сталей и сварных конструкций различного применения...................151
10.1. Термическая обработка сварных соединений различных сталей...151
Термическая обработка сварных соединений низкоуглеродистых нелегированных сталей.........................................151
Термическая обработка сварных соединений низколегированных сталей.152
Термическая обработка сварных соединений из низколегированных теплоустойчивых сталей........................................154
Термическая обработка сварных соединений высоколегированных сталей........................................................157
Термическая обработка сварных соединений аустенитных сталей.......157
Аустенизация сварных соединений сталей........................159
10.2. Общие требования к назначению термической обработки сварных конструкций различного назначения.............................160
10.3. Оборудование для термической обработки сварных швов.....162
11. Фазовые и структурные превращения в сплавах цветных металлов при сварке и последующей термообработке..............166
11.1. Фазовые превращения, структура и свойства сварного соединения титановых сплавов.............................................166
Влияние примесей и легирующих элементов на структуру и свойства титановых сплавов.............................................167
Структура шва титанового сплава...............................172
11.2. Термическая обработка титана и его сплавов..............174
11.3. Свойства алюминиевых сплавов............................178
Диаграмма состояния алюминиевых сплавов.......................179
11.4. Строение сварного соединения алюминиевых сплавов........180
Сплавы системы Al-Mn..........................................182
Сплавы системы Al-Cu (дюралюмины).............................183
11.5. Термическая обработка алюминия и его сплавов............184
12. Свариваемость разнородных конструкционных сталей и сплавов....187
12.1. Разнородные материалы для сварки. Сварные конструкции из разнородных материалов.....................................187
12.3. Сваиваемость разнородных сталей.........................191
Диаграмма Шеффлера............................................192
Основные особенности сварки разнородных сталей................194
12.4. Сварка стали с алюминием и его сплавами.................195
12.5. Сварка стали с медью и ее сплавами......................197
12.6. Сварка стали с титаном..................................199
13. Технология наплавки.......................................201

6

13.1. Классификация способов наплавки..........................201
13.2. Материалы для наплавки...................................204
Основной металл................................................204
Наплавленный металл............................................205
Флюсы для наплавки.............................................208
Порошки для наплавки...........................................208
Электродные проволоки для наплавки.............................209
Электродные ленты для наплавки.................................209
13.3. Выбор состава наплавленного металла для различных видов изнашивания....................................................211
Абразивный износ...............................................212
Газоабразивный износ...........................................213
Гидроабразивный износ..........................................214
Кавитационная эрозия...........................................214
Материалы для наплавки медных сплавов при кавитационной эрозии..216
Термическая усталость..........................................216
Износ при трении металла о металл..............................217
13.4. Методы легирования наплавленного слоя....................217
14. Сварка пластмасс...........................................219
14.1. Виды пластмасс...........................................219
Термопласты....................................................219
Реактопласты...................................................219
Аморфные термопласты...........................................221
Частично кристаллизованные термопласты.........................222
14.2. Способы получения полимеров..............................223
Полимеризация..................................................223
Поликонденсация................................................225
14.3. Физические принципы соединения пластмасс.................225
Диффузионно-реологический......................................225
Химический процесс.............................................226
Литература к части II..........................................227

7

        ВВЕДЕНИЕ


     Основными процессами, определяющими формирование и свойства сварных соединений, являются металлургические и металловедческие процессы.
     Знание этих процессов необходимо для рационального построения технологии сварки и получения заданных свойств сварных соединений.
     Первая часть конспекта «Общие закономерности и особенности металлургии сварных соединений» содержит необходимый материал по разделам курса, касающимся общих закономерностей и особенностей металлургии и металловедения сварного соединения, в том числе: кристаллического строения и кристаллизации; диффузионных процессов в металлах при сварке; характеристики свариваемых и вспомогательных материалов; металлургических процессов при сварке; свариваемости различных конструкционных материалов; равнопрочно-сти сварных швов; основных механических и эксплуатационных свойств сварных соединений и методов их определения.
     Вторая часть конспекта «Металловедение и термообработка сварных соединений» содержит необходимый материал по разделам курса, касающийся металловедения и термообработки сварных соединений различных материалов, в том числе: фазовых и структурных превращений в сталях и сплавах; термической обработки сварных соединений различных сталей и сварных конструкций различного применения; свариваемости разнородных материалов; наплавки; сварки пластмасс.
     Настоящий конспект лекций является компилятивной работой, построенной на основе известных научно-технических, патентных, учебно-методических публикаций, представленных в разделе «ЛИТЕРАТУРА» в соответствии с рабочей программой учебной дисциплины «МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ» по направлению подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение» (прикладной бакалавр).

8

ЧАСТЬ I


Общие закономерности и особенности металлургии сварных соединений

        1. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП СВАРКИ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ

    1.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОБРАЗОВАНИЯ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

     Согласно ГОСТ 2601-84 под сваркой вообще понимается процесс образования контакта элементов на атомном уровне, образующегося при нагревании или пластической деформации отдельных частей свариваемых изделий.
     Основой неразъемного сварного соединения является образование связей между атомами соединяемых деталей. Такое соединение формируется при сближении поверхностей на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки. При этом межатомные связи устанавливаются, когда атомы соединяемых деталей получают некоторую дополнительную энергию - энергию активации, необходимую для преодоления существующего между ними энергетического барьера. При сварке энергия активации может быть термической (сварка плавлением), за счет нагрева или механической (сварка давлением), при пластическом деформировании.
     Внешняя механическая энергия деформации при сварке давлением затрачивается на преодоление сил отталкивания, возникающих между поверхностными атомами сближаемых тел. Когда расстояния между ними приближаются к межатомным, в решетке кристаллов начинается взаимодействие электронных оболочек атомов.
     При сварке плавлением, тепловая энергия, сообщенная поверхностным атомам при повышении температуры способствует развитию электронного взаимодействия и облегчает соединение поверхностей.
     В атоме электроны внешней оболочки наименее прочно связаны с ядром, что обусловлено как наибольшим удалением этих электронов от ядра, так и экранирующим влиянием силовых полей электронов промежуточных оболочек.
     Для установления между свариваемыми поверхностями электронного обмена необходимо, чтобы наименее прочно связанные с ядром электроны внешних электронных оболочек были способны отделиться от своего атома и перейти

9

на внешнюю электронную оболочку атома другой свариваемой поверхности или же атомы обеих свариваемых поверхностей были способны «владеть» одновременно какими-то электронами внешних оболочек обоих атомов. Происходит объединение атомов свариваемых поверхностей и образуется прочная связь.
     Таким образом, среди многих показателей, связанных с особенностями атомного строения металлов, для сварки наибольшее значение имеют следующие:
     -  прочность связи наиболее легко отделяемых электронов внешней оболочки с ядром;
     -  тип и прочность связи между атомами;
     -  показатель свободной энергии поверхности.
     В литературе рассматривается следующая физико-технологическая схема реализации сварки плавлением [51]:
     -  Локальное расплавление основного (свариваемого) и дополнительного (присадочного) металлов по кромкам соприкасающихся поверхностей без сжатия.
     -  Расплавленные основной и дополнительный металлы самопроизвольно, без приложения внешних сил, сливаются в общую сварочную ванну, смачивающую твердую поверхность соединяемых элементов.
     -  Сближение атомов металла сварочной ванны и основного металла до расстояния, при котором возникают атомно-молекулярные связи.
     По мере удаления источника нагрева жидкий металл в сварочной ванне остывает и происходит его кристаллизация с образованием кристаллов. Но для получения сварного соединения с требуемыми механическими свойствами необходимо обеспечить оптимальные условия охлаждения и кристаллизации жидкой ванны.

    1.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

     В твердом состоянии все металлы и металлические сплавы обладают кристаллическим строением со строго определенным регулярным расположением атомов.

     Кристаллическое строение металла

     Кристаллические тела состоят из множества мелких зерен - кристаллитов, внутри которых атомы расположены закономерно, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В идеальной кристаллической решетке

10

атомы находятся на определенных расстояниях друг от друга и располагаются в определенных местах.
     У металлов наиболее распространены 3 типа решеток: о.ц.к., г.ц.к. и г.п.у. (рис. 1.1).
     Некоторые металлы при изменении температуры способны изменять тип кристаллической решетки. Способность материала образовывать несколько кристаллических структур (модификаций) одинакового состава называют полиморфизмом¹, или аллотропией. Различные модификации одного и того же вещества называют аллотропическими модификациями и обозначаются буквами греческого алфавита, например, а, 0, у, 5 и др. Буквой а обозначают модификацию металла, существующего при самой низкой температуре. Следующие буквы относятся к модификациям с более высокой температурой.
     Железо ниже температуры 911 °С имеет о.ц.к. решетку и обозначается Fe (а). Выше 911 °С железо перестраивается в г.ц.к. и обозначается Fe (у). Известно, что температурным полиморфизмом обладают около тридцати металлов (Fe, Ti, Co, Be).


Рис. 1.1. Схемы расположения атомов в кристаллических решетках: а - объемноцентрированная кубическая (о.ц.к. или ОЦК);
б - гранецентрированная кубическая (г.ц.к. или ГЦК); в - гексагональная плотноупакованная (г.п.у. или ГПУ) [6]

¹ Явление полиморфизма в железе было открыто Д. К. Черновым в 1868 г.

11

     Несовершенства (дефекты) кристаллической решетки

     Кристаллические решетки реальных металлов несовершенны, они имеют дефекты. Дефекты определяют основные физико-механические свойства металлов. Они могут быть классифицированы по геометрическим признакам:
     -  точечные (нулъ-мерные);
     -  линейные (одномерные);
     -  поверхностные (двумерные).


     Точечные дефекты. Эти дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся (рис. 1.2):
     -  вакансии (дефекты Шоттки), т. е. узлы решетки с отсутствующими атомами, которые образуются в резулътате перехода атомов из узла решетки на поверхностъ или междоузлие;
     -  точечные несовершенства, которые появляются в резулътате присутствия в кристаллической решетке атомов примесей. Атомы примесей или замещают атомы основного металла, или располагаются в междоузлии, искажая решетку.


Рис. 1.2. Схемы образования точечных дефектов кристаллической решетки металлов:
а - атом 1 покинул свое место в кристаллической решетке; б - перемещение атома 2; в - перемещение атома 3; г - точечный дефект; на всех рисунках принято: 1 - дислоцированный атом; 2, 3 - перемещающиеся атомы

     Линейные дефекты. Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства могут быть образованы рядом вакансий или рядом межузельных ато-


12

мов. Важнейшими видами линейных несовершенств являются краевые и винтовые дислокации, способные двигаться под действием внешнего силового воздействия.

экстраплоскость

Рис. 1.3, а. Краевая дислокация

                    а
Рис. 1.3, б. Винтовая дислокация: a - сдвиг части кристалла; б - винтовая дислокация EF; G - плоскость сдвига abcd-части кристалла

13

     Поверхностные дефекты. Эти дефекты малы только в одном измерении. Они представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами в по-ликристаллическом металле. К поверхностным дефектам относятся дефекты

упаковки.

Рис. 1.4, а. Блочная структура кристалла

Рис. 1.4, б. Схемы межфазных границ: а - когерентные; б - полукогерентные; в - некогерентные

      Как правило, дефекты кристаллического строения появляются в процессе кристаллизации.


    1.3. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ВАННЫ


     Как известно из термодинамики, при фиксированной температуре тело стремится минимизировать свободную энергию F (Свободная энергия Гельмгольца). При этом свободная энергия F системы может быть определена следующим образом:


F = U - Т ■ S,


(1.1)

где U - внутренняя энергия, T - абсолютная температура, S - энтропия.


14

     Чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше. С изменением внешних условий, например, температуры, свободная энергия системы изменяется различно для твердого и жидкого состояния. При низких температурах второе слагаемое (произведение температуры T и энтропии S²) несущественно и в результате все сводится к минимизации энергии U. Состояние с минимальной энергией - это кристаллическое твердое тело.
     При повышении температуры второе слагаемое возрастает и при некоторой температуре оказывается выгоднее разорвать некоторые связи. При этом энергия U слегка повысится, но при этом сильно возрастет и энтропия, что в результате приведет к понижению свободной энергии системы.
     При достижении температуры Ts энергия системы F для жидкости и для твердого состояния сравняются. Одновременно металл может находиться как в жидком, так и твердом состоянии (рис. 1.5).


Рис. 1.5. Изменение свободной энергии F системы от температуры T для жидкой и твердой фазы: 1 - жидкость; 2 - твердая фаза

     Выше температуры Ts меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, ниже температуры Ts - в твердом.


² Энтропия определяется как функция состояния системы, определённая с точностью до произвольной постоянной. Разность энтропий в двух равновесных состояниях 1 и 2, по определению, равна приведённому количеству тепла ( 5 Q / T ), которое надо сообщить системе, чтобы перевести её из состояния 1 в состояние 2 по любому квазистатическому пути:
= S₂-SX= I
1—>2

15