Теория свариваемости сталей и сплавов

Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин

ТЕОРИЯ СВАРИВАЕМОСТИ

СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Под редакцией Э.Л. Макарова

Москва

2014

УДК 621.79
ББК 34.641
М15

М15

Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ф. Терентьев

Макаров Э. Л.
Теория свариваемости сталей и сплавов / Э. Л. Макаров,
Б. Ф. Якушин; под ред. Э. Л. Макарова. — M. : Изд-во МГТУ
им. Н. Э. Баумана, 2014. – 487, [1] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-3938-6
В монографии рассмотрены теоретические и практические аспекты 
свариваемости конструкционных сталей и сплавов. Приведены
экспериментальные методы оценки показателей свариваемости с помощью 
сварочных технологических проб и специализированных машинных 
испытаний. Показана возможность применения расчетных
методов, реализуемых с помощью компьютерных технологий с использованием 
специализированного программного обеспечения. На
основании анализа металлургических процессов в сварочной ванне,
кристаллизации металла шва, фазовых и структурных превращений в
твердом металле в условиях сварочного термического цикла трактуются 
результаты оценки свариваемости. Приведены принципиальные
металлургические, технологические и конструктивные способы обеспечения 
достаточной свариваемости сталей и сплавов.
Изложенные в монографии сведения будут полезны разработчикам
свариваемых материалов, технологам при проектировании техноло-
ги сварки конструкций, студентам и аспирантам, изучающим курс
теории сварочных процессов.

УДК 621.79
ББК 34.641

ISBN 978-5-7038-3938-6
c⃝ Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин, 2014
c⃝ Оформление. Издательство МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2014

Посвящается памяти Николая
Никифоровича
Прохорова
—
основателя теории технологи-
ческой прочности металлов при
сварке

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время для производства сварных конструкций ши-
роко применяются конструкционные стали и сплавы: углеродистые,
легированные (низколегированные и среднелегированные), высоко-
легированные (аустенитные хромоникелевые и ферритные хроми-
стые) стали, никелевые и алюминиевые сплавы и другие материа-
лы. Одной из важных проблем сварки становится обеспечение сва-
риваемости указанных материалов: стойкости против образования
сварочных дефектов (трещин, пор, несплавления шва с основным
металлом) и механических и специальных свойств металла сварных
соединений, соответствующих эксплуатационным требованиям.
В монографии с современных позиций рассмотрены теоретиче-
ские и практические аспекты свариваемости всех упомянутых вы-
ше материалов. Обращено внимание на прикладной характер оцен-
ки свариваемости, достаточность которой определяется из условия
получения требуемых эксплуатационных свойств сварных соеди-
нений. Рассмотрены экспериментальные методы оценки показате-
лей свариваемости с помощью сварочных технологических проб
и специализированных машинных испытаний. Показана возмож-
ность применения расчетных методов, реализуемых с использова-
нием компьютерных технологий (специализированного программ-
ного обеспечения). На основании анализа металлургических про-
цессов в сварочной ванне, кристаллизации металла шва, фазовых и
структурных превращений в твердом металле в условиях сварочного
термического цикла трактуются результаты оценки свариваемости.
Приведены принципиальные металлургические, технологические и
конструктивные способы обеспечения достаточной свариваемости
материалов.
Главы 3, 4—9 написаны Э.Л. Макаровым, главы 2, 10—13 —
Б.Ф. Якушиным, предисловие и глава 1 написаны авторами со-
вместно. Общее редактирование монографии выполнено Э.Л. Мака-
ровым.

Г л а в а 1

СВАРИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Понятие свариваемости

В сварочной практике традиционно принято различать несколь-
ко качественных степеней свариваемости: хорошая, удовлетвори-
тельная, ограниченная (или трудносвариваемый материал) и плохая
(или несвариваемый материал) [1]. Однако четко не определены
признаки, характеризующие ту или иную степень свариваемости.
По одной из классификаций выделены следующие признаки.
Хорошая свариваемость означает, что сварные соединения, по-
лученные в заданных технологических и конструктивных условиях
сварки, имеют требуемые механические свойства и качество (отсут-
ствие недопустимых дефектов). Удовлетворительная свариваемость
соответствует случаю, когда хорошую свариваемость можно обеспе-
чить выбором рационального режима сварки; ограниченная — когда
для этой цели необходимо применять специальные технологические
мероприятия (подогрев, отпуск и др.) или изменять способ свар-
ки; плохая — когда никакими мерами невозможно достичь хорошей
свариваемости. Степень свариваемости материала устанавливается
в каждом конкретном случае в зависимости от заданной технологии
и конструктивного оформления сварного соединения.
В настоящее время получил широкое применение прикладной
аспект понятия технологической свариваемости материалов, учи-
тывающий назначение изготовленных из них сварных конструк-
ций [1, 2]. Соответствующее определение понятия свариваемости
дано в ГОСТ 26001—84: «. . .свариваемость — свойство металлов
или сочетания металлов образовывать при установленной техноло-
гии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным
конструкцией и эксплуатацией изделия».
Исходя из приведенного определения свариваемость зависит, с
одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного

1.2. Методы оценки свариваемости
5

оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатацион-
ных свойств сварной конструкции.
Эксплуатационные свойства сварных конструкций определяют-
ся предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может
быть одно свойство или комплекс свойств в зависимости от назначе-
ния конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам
сварных соединений с принятыми допущениями удовлетворяются,
то свариваемость материалов следует считать достаточной. Если не
обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из
эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость
материала будет признана недостаточной. Следует отметить, что
при таком подходе свариваемость одного и того же материала мо-
жет быть оценена по-разному в зависимости от назначения изделия.
В связи с этим достаточная свариваемость для заданного варианта
конструкции может быть обеспечена оптимальной по сложности и
минимальной по трудоемкости и стоимости технологией сварки.

1.2. Методы оценки свариваемости

Количественные показатели свариваемости — это выраженные
«числом» характеристики, показывающие степень удовлетворения
требований к сварным соединениям по качеству (отсутствие дефек-
тов или степени их допустимости) и значениям их механических и
специальных свойств. Показатели свариваемости определяют экспе-
риментальными или расчетными методами. В первом случае при-
меняют технологические пробы — сварные образцы специальной
конструкции, в которых моделируются термические и деформаци-
онные процессы, аналогичные процессам при сварке типовых кон-
струкций из исследуемых материалов с учетом их габаритов и тех-
нологии сварки. Моделирование выполняется путем регулирования
режима сварки, искусственного подогрева или охлаждения, жест-
кого закрепления элементов образца при сварке или приложения
внешних сил. В результате испытаний таких образцов определяют
критические условия появления дефектов, по которым оценивают
склонность материала к образованию дефектов при сварке. На изло-
мах образцов устанавливают тип дефекта, на шлифах и темплетах,
вырезанных из сварных соединений, определяют структуру, меха-
нические и специальные свойства различных зон соединений.
В ряде случаев оценка свариваемости выполняется с учетом
требований к фазовому составу структуры и свойствам локальных

Глава 1. Свариваемость материалов

зон сварного соединения — зоны сплавления, околошовного участ-
ка зоны термического влияния и др. Вследствие больших градиен-
тов максимальных температур и скоростей охлаждения по сечению
сварного соединения локальные зоны с относительно постоянны-
ми свойствами имеют размеры порядка 0,1 мм, что затрудняет их
фиксацию и изучение на такой малой базе. Для подобных исследо-
ваний применяют модельные образцы из основного металла (или
металла сварного шва) постоянного по длине прямоугольного или
круглого сечения, в которых на значительной длине (20. . .50 мм)
имитируются сварочные термические или термодеформационные
циклы. В результате получают базу для исследований, увеличен-
ную во много раз по сравнению с аналогом в сварном соединении.
Имитация сварочных циклов осуществляется через нагрев проходя-
щим током, токами высокой частоты, инфракрасным излучением с
последующим регулируемым охлаждением потоком защитного газа.
На модельных образцах выполняют металлографические исследо-
вания и механические испытания.
Значения параметров, полученные при испытаниях образцов
или определенные расчетом, по которым оценивают склонность
материалов к образованию дефектов при сварке и механические
свойства сварных соединений, принимаются за количественные
показатели свариваемости.
Расчетные методы определения показателей свариваемости материалов 
основаны на аналитических или статистических моделях,
описывающих физико-металлургические процессы в металлах при
сварке, в результате которых формируются структура и механические 
свойства металла сварных соединений. В ряде случаев расчетные 
методы реализованы в виде компьютерных программ, позволяющих 
рассчитать количественные показатели свариваемости
и определить оптимальные конструктивно-технологические параметры 
производства сварных конструкций.
В лабораторной практике показатели свариваемости часто используют 
для относительной сравнительной оценки металлургической (
базовой) свариваемости материалов безотносительно к сварке
конкретных конструкций по одному из показателей (например, в
отношении склонности к образованию трещин, склонности к росту
зерна и др.). Испытание на свариваемость выполняют при регламентированных 
типах, размерах образцов (технологических проб)
и режимах их сварки.

1.3. Типовые показатели свариваемости
7

При прикладном использовании сведений о свариваемости по
отдельным показателям или их сочетанию судят, достаточна ли свариваемость 
материала применительно к сварке конкретного типа
конструкций и поведению сварных соединений при эксплуатации.
При этом число показателей свариваемости должно быть равно
числу характеристик и свойств, определяющих работоспособность
сварных соединений.

1.3. Типовые показатели свариваемости

В практике часто пользуются набором основных показателей,
типовых для разных видов материалов, технологий сварки, назначений 
и условий эксплуатации сварных конструкций. Выбор основных
показателей проводится в каждом конкретном случае с учетом того,
какие свойства и характеристики обеспечивают работоспособность
сварных конструкций (табл. 1.1).
Показатель свариваемости материала «склонность к образованию 
трещин» устанавливается по факту образования трещин в сварном 
соединении модельных образцов и оценивается качественно

Таблица 1.1
Примеры типовых показателей свариваемости

Материал
сварной
конструкции

Характер
нагружения,
условия
эксплуатации

Типовые показатели свариваемости

Низкоуглеродистые 
стали
Статическое нагружение


Склонность к образованию в сварных 
швах:
– горячих трещин;
– газовой пористости

Углеродистые,
низколегиро-
ванные и
среднелегиро-
ванные стали

Статическое на-
гружение при
нормальной тем-
пературе

1. Склонность к образованию хо-
лодных трещин в околошовной зо-
не.
2. Нормативные значения механи-
ческих свойств.
3. Склонность к образованию го-
рячих трещин в сварных швах
Статическое на-
гружение при от-
рицательных тем-
пературах

1—3. То же.
4. Нормативные значения порога
хладноломкости

Глава 1. Свариваемость материалов

Окончание табл. 1.1

Материал
сварной
конструкции

Характер
нагружения,
условия
эксплуатации

Типовые показатели свариваемости

Углеродистые,
низколегиро-
ванные и сред-
нелегирован-
ные стали

Циклическое на-
гружение

1—4. То же.
5. Нормативное значение предела
усталости.
6. Нормативное значение критиче-
ского коэффициента интенсивно-
сти напряжений

Высоколеги-
рованные ста-
ли
(аустенит-
ные,
феррит-
ные и др.)

Статическое и ци-
клическое нагру-
жение, корроди-
рующие среды

1. Склонность к образованию го-
рячих трещин в сварных швах.
2. Нормативные значения предела
длительной прочности при повы-
шенных температурах.
3. Склонность к образованию меж-
кристаллитной коррозии

Никелевые
сплавы

Статическое и ци-
клическое нагру-
жение, высокие
температуры, оки-
сляющие газовые
среды

1. Склонность к образованию го-
рячих трещин в сварных швах и в
зоне термического влияния.
2. Нормативные значения предела
длительной прочности при высо-
ких температурах.
3. Склонность к межкристаллит-
ной коррозии

Алюминиевые
сплавы

Статическое и ци-
клическое нагру-
жение

Склонность к образованию:
– горячих трещин в сварных
швах;
– газовой пористости в сварных
швах;
– оксидных пленок

или количественно критическим значением одного из варьируемых
при испытаниях факторов, обусловливающих трещинообразование.
Также применяется показатель свариваемости материала «стой-
кость против образования трещин», который устанавливается по
факту отсутствия трещин применительно к сварке конкретной кон-
струкции. При использовании расчетных компьютерных методов
возможно оценить запас стойкости против образования трещин как
относительное превышение критического значения фактора трещи-

1.3. Типовые показатели свариваемости
9

нообразования над действительным его значением, характерным для
сварной конструкции.
Показатель свариваемости «сопротивляемость образованию трещин» 
устанавливают при механических испытаниях модельных
образцов, когда воспроизводится разрушение, соответствующее
по характеру разрушению металла при образовании трещин. При
воспроизведении горячих трещин сопротивляемость оценивается
критическим темпом высокотемпературной деформации, при воспроизведении 
холодных трещин — минимальным разрушающим
напряжением.
Сопротивляемость образованию трещин является параметром
«технологической прочности металлов и сплавов при сварке».
(Термин был предложен профессором МВТУ им. Н.Э. Баумана
Н.Н. Прохоровым в связи со случаями разрушения металла сварных 
соединений в процессе сварки.) Технологическая прочность
металлов и сплавов — это способность сохранять сплошность в
процессе технологических тепловых и силовых воздействий при
изготовлении изделий (при сварке, литье, обработке давлением и
других процессах).
Технологическая прочность — «кинетический» параметр, непрерывно 
изменяющийся в зависимости от температуры, агрегатного
состояния, фазового состава структуры, скоростных характеристик
технологических нагрузок и других факторов. Для суждения о технологической 
прочности необходимо в процессе всего технологического 
цикла сопоставлять прочностные и пластические свойства материала 
с параметрами напряженно-деформированного состояния,
создаваемого технологическими нагрузками.
Условием обеспечения технологической прочности является
превышение в каждый текущий момент технологического цикла 
деформационной способности или сопротивления материала
разрушению над соответствующими параметрами напряженно-
деформированного состояния. Нарушение этого условия приводит
к разрушению материала, например при сварке — к образованию
различного типа трещин: горячих, холодных, ламелярных и др.
Разработка металлургических, технологических и конструктивных 
методов обеспечения свариваемости новых материалов и конструкций 
возможна только на основе анализа физико-металлургических 
процессов при сварке, в результате которых формируются
структура, напряженно-деформируемое состояние и регулирование

Глава 1. Свариваемость материалов

которых позволяет обеспечить требуемые свойства сварных соединений 
и их стойкость против образования дефектов.
Установленные в результате многочисленных исследований зависимости 
показателей свариваемости от состава свариваемых материалов, 
способов и режимов сварки могут быть учтены при разработке 
хорошо свариваемых сталей и сплавов, сварочных материалов, 
стойких против образования сварочных дефектов, а также при
назначении оптимальных конструктивно-технологических параметров 
процесса изготовления сварных конструкций.

Литература к главе 1

1. Сварка и свариваемые материалы: справочник: в 3 т. Т. 1. Свариваемость 
материалов / под ред. Э.Л. Макарова. М.: Металлургия, 1991.
2. Теория сварочных процессов: учеб. для вузов / А.В. Коновалов,
А.С. Куркин, Э.Л. Макаров и др.; под ред. В.М. Неровного. — М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.