УДК 621.791.042 (077)

Захарова И.В.

 

Методические указания

 

к выполнению лабораторной работы «Исследование механической неоднородности в сварных соединениях термически упрочненных сталей»

 

Утверждено

на заседании кафедры ОиТСП

«____»___________2010 р.

протокол № ____________

 

 

Мариуполь, ГВУЗ ПГТУ, 2010

УДК 621.791.042 (077)

Методические указания к практическим занятиям «Анализ фазовых превращений в сталях при сварке»/для студентов спец. 6.050504//Сост. И.В. Захарова.- Мариуполь: ГВУЗ ПГТУ, 2010.- с.

 

 

Рассматриваются вопросы расчетного анализа фазовых превращений в сталях при сварке в зависимости от параметров термического цикла

 

 

Составитель: И.В. Захарова, доц., к.т.н.

 

 

Рецензент: В.Н.Матвиенко, доц.,к.т.н

 

Ответственный

за выпуск: В.А. Роянов, проф., д.т.н.

 

1. Теоретические положения

 

1.1. Расчет параметров термического цикла сварки, определяющих характер и кинетику фазовых превращений

 

Термический цикл сварки – один из главных критериев оценки влияния параметров режима на изменение структуры в металле шва и участках основного металла, подвергшихся тепловому воздействию при сварке (рис. 1).

Рис. 1 – Термический цикл сварки

 

Основными параметрами термического цикла сварки являются:

- максимальная температура нагрева Т_max ;

- скорость нагрева W_н в интервале температур … Т_max;

- время пребывания металла выше критической точки при нагреве (t^/), охлаждении (t^//);

- скорость охлаждения в интервалах температур превращения аустенита 800…500 ⁰С (W_800-500) и 600…500 ⁰С (W_600-500), а также соответствующие этим интервалам температур длительности охлаждения t_800-500 и t_600-500;

- мгновенная скорость охлаждения W_о при температуре наименьшей устойчивости аустенита Т_min.

На основе решения уравнения теплопроводности применительно к различным условиям схематизации процессов сварки получены следующие расчетные зависимости, используемые для определения термических циклов сварки и их параметров [1-3]:

а) наплавка валика на массивное тело (точечный быстродвижущийся мощный источник нагрева в полубесконечном теле):

- уравнение предельного состояния процесса распространения теплоты в точке А зоны термического воздействия

(1.1)

где - плоский радиус-вектор, выражающий

расстояние от точки А до оси ОХ/У_о и Z_o – неподвижные координаты точки А, связанные со свариваемым изделием; t – время, отсчитываемое от момента пересечения источником плоскости У_оО Z_o, в которой расположена точка А;

- эффективная тепловая мощность источника

нагрева: I – сварочный ток; U – напряжение на дуге;

η – эффективный КПД нагрева, принимается равным: при

ручной сварке – 0,70…0,85; при автоматической

сварке под флюсом и сварке в инертном газе

плавящимся электродом – 0,80…0,85; при сварке в

углекислом газе, а также в инертном газе

вольфрамовым электродом – 0,60…0,65. Меньшие

значения η соответствуют наплавке на поверхность

удлиненной дугой, а большие – сварке короткой

дугой с углублением ее в разделку кромок или в

сварочную ванну;

V_св - скорость сварки;

λ - коэффициент теплопроводности;

а - коэффициент температуропроводности;

W_о - мгновенная скорость охлаждения:

(1.2)

где Т_о – исходная температура свариваемого изделия;

- длительность охлаждения в интервале 600…500 ⁰С:

(1.3)

- максимальная температура нагрева в зависимости

от r_x до оси перемещения источника:

(1.4)

б) однопроходная сварка листов встык со сквозным проплавлением (мощный быстродвижущийся линейный источник в пластине):

- уравнение предельного состояния распространения теплоты:

(1.5)

где - коэффициент температуроотдачи;

α - коэффициент теплоотдачи;

У_о- расстояние от точки А до оси шва.

- длительность охлаждения в интервале 600…500^оС:

(1.6)

- мгновенная скорость охлаждения:

(1.7)

- максимальная температура нагрева на расстоянии У_о данной точки от оси шва:

(1.8)

Теплофизические характеристики для углеро-дистых, низко- и среднелегированных сталей в интервале 300…800 ^оС равны:

λ = 0,38…0,42 Дж/(см.с.⁰С) = 38…42 Вт/(м.^оС);

Сγ = 4,9…5,2 Дж/(см³.^оС) = 4,9…5,2 МДж/(м³.^оС);

а = 0,075…0,090 см²/с;

α = 5.10^-3 Дж/(см².с.^оС.

Расчет длительности охлаждения в интервале 800…500 ⁰С, а также в любом другом заданном интервале выполняется по формулам, аналогичным (1.6) или (1.3) с подстановкой соответствующих значений температуры.

При использовании формул (1.2) и (1.7) в качестве температуры наименьшей устойчивости аустенита необходимо брать величину в интервале 500…600 ^оС (для углеродистых, низко- и среднелегированных сталей). Исходную температуру Т_о в формулах (1.2), (1.3), (1.6), (1.7) необходимо брать равной комнатной температуре Т_о = 20 ⁰С или температуре предварительного подогрева.

 

1.2. Изотермические и термокинетические диаграммы распада аустенита в сталях при сварке

 

При охлаждении стали кинетику и механизм превращения аустенита можно проанализировать с помощью изотермических диаграмм (т.н. С-кривых), характеризующих превращение при постоянной температуре (рис. 2).

Рис. 2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита (твердость – для стали с 0,8 % С)

 

Перлитное превращение происходит в верхней части диаграммы (выше 500 ⁰С). В результате распада аустенита образуется механическая смесь двух фаз – феррита и цементита, состав которых отличается от состава исходного аустенита. Исходный аустенит содержит 0,8 % С, а образующиеся фазы – феррит ~ 0,02 %, цементит 6,67 %. Следовательно, это превращение является диффузионным. Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже А₁ на 150…200 ⁰С, т.е. соответствует минимальной устойчивости аустенита. При дальнейшем понижении температуры значительно уменьшается скорость диффузии, благодаря чему увеличивается устойчивость аустенита. Кривые начала (левая) и конца (правая) превращения сдвигаются вправо (рис. 2). Выше 500 ^оС скорость диффузии достаточна для того, чтобы образовавшийся феррит содержал равновесное количество угдерода. Если увеличить степень переохлаждения, то ниже изгиба С-кривой образуется игольчатая структура – бейнит. Бейнитное превращение называют также промежуточным, поскольку оно происходит при температурах между перлитным – диффузионным превращением и мартенситным – бездиффузионным. Главное отличие бейнита от перлита – содержание углерода в феррите (до 0,1 % при 400 ⁰С и до 0,2 % при 300 ⁰С). При больших степенях переохлаждения, например, при 230 ⁰С для эвтектоидной стали, аустенит находится в неустойчивом состоянии. При этих температурах аллотропическое превращение происходит в условиях, когда скорость диффузии углерода очень мала. При бездиффузионном превращении весь углерод, растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Так как максимальная растворимость углерода в α – железе не превышает 0,02 %, а в исходной фазе – аустените – может содержаться до 2,14 % С, то образуется пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в - мартенсит (ниже линии М_н на диаграмме рис. 2). Наименьшая скорость охлаждения, необходимая для образования мартенсита, называется критической скоростью закалки V_кр (рис. 2).

На практике изотермичность превращения достигается далеко не всегда, в особенности в условиях сварки – при непрерывно меняющейся температуре. Поэтому для более точной оценки превращений используют термокинетические (анизотермические) диаграммы превращения аустенита, характеризующие распад аустенита при различных значениях скорости охлаждения.

Термокинетические диаграммы строятся также, как С-диаграммы, в координатах «температура превращения – время» и представляют серию кривых охлаждения, на которые нанесены области начала и конца диффузионного и бездиффузионного превращений (рис. 3). При этом следует иметь в виду, что диаграммы превращения аустенита при непрерывном охлаждении, построенные для температурно-временных условий термообработки, не могут быть без дополнительных коррективов использованы для оценки структуры сварного соединения. Это объясняется тем, что эти диаграммы построены при невысоких температурах аустенизации и длительных выдержках. При сварке же в отдельных участках зоны термического воздействия (например, в участке крупного зерна) температура нагрева значительно выше , а длительность выдержки может составлять всего несколько секунд. Поэтому для анализа фазовых превращений в сталях при сварке целесообразно изучение специально построенных диаграмм [3]. В большинстве случаев такие диаграммы строятся применительно к температурно-временным условиям нагрева и охлаждения участка крупного зерна ЗТВ, в наибольшей степени влияющего на

качество сварного соединения.

 

 

Рис. 3 – Термокинетическая диаграмма превращений при сварке стали 15ХГ

На практике термокинетические диаграммы могут быть использованы как при выборе оптимальных режимов сварки (термических циклов), не допускающих образование в участке перегрева закалочных структур (и, как следствие, холодных трещин), так и при прогнозировании структуры и свойств сварных соединений при заданных режимах сварки.

Для получения более полной информации у кривых охлаждения указывают значения твердости для данного типа структуры, а также содержание структурных составляющих в процентах. Реализация того или иного механизма превращения аустенита устанавливается по пересечению конкретной кривой охлаждения соответствующей области термокинетической диаграммы. Кроме того, возможно определение таких важных параметров, характеризующих кинетику процесса - превращений, как длительность охлаждения до появления в структуре бейнита (t_Б), феррита (t_Ф), перлита (t_п) и сопоставление их с длительностями охлаждения t_600-500 или t_800-500 ,соответствующими заданным термическим циклам сварки.

Для анализа состава конечных структур в отдельных участках ЗТВ используются и т.н. структурные диаграммы (рис. 4), построенные в координатах «содержание фаз в % - скорость охлаждения».

 

Рис. 4 – Структурная диаграмма для сварки стали 23Г

1. Исходные данные к расчетам

Индивидуальное задание (вариант) по данной работе работе содержит следующие исходные данные:

- марка свариваемой стали;

- способ и режим сварки, тип сварного соединения;

- термокинетическая диаграмма превращения аустенита с указанными температурно-временными условиями ее построения применительно к заданному участку ЗТВ. Обозначения на диаграммах: А – аустенит; Ф – феррит; П – перлит; Б – бейнит; М – мартенсит; W_o мгновенная скорость охлаждения, ⁰С/с; цифры в кружках – твердость HV, кгс/мм², цифры на кривых – содержание структурных составляющих (если цифры приведены только у линии конца перлитного превращения, то они означают сумму П + Б); Т_н – температура нагрева при построении диаграммы (соответствует определенному участку ЗТВ); t_H – время нагрева до Т_н; t_в – время выдержки при Т_н; пунктирные линии на диаграммах соответствуют условиям печной термообработки и в данной работе не рассматриваются.

- структурная диаграмма – состав конечных структур в зависимости от мгновенной скорости охлаждения.

 

1. Вопросы для самостоятельного выполнения

3.1. По заданным значениям параметров режима сварки с учетом способа сварки и типа сварного соединения рассчитать параметры термического цикла: W_о и t_600-500 (формулы 1.2, 1.3 или 1.6, 1.7).

3.2. По термокинетической диаграмме и полученному значению W_о определить состав конечной структуры в заданном участке ЗТВ и твердость; такую же работу выполнить с использованием параметра t_600-500.

3.3. По структурной диаграмме и полученному значению W_о определить состав конечной структуры и сопоставить с данными п. 3.2.

3.4. По структурной диаграмме определить пороговое значение мгновенной скорости охлаждения W_о^п , обеспечивающее получение в структуре не более 20 % мартенсита.

3.5. Если расчетная скорость охлаждения W_о (п. 3.1) превышает пороговую W_о^п (п. 3.4), то:

- рассчитать новый режим сварки (погонную энергию q/V_св – по уравнениям 1.2 или 1.7 из условия W_o = (0,8…0,9)W_oⁿ ;

- рассчитать температуру предварительного подогрева T_o при использовании заданного режима сварки из условия достижения W_o = (0,8…0,9)W_oⁿ – по уравнениям 1.2 или 1.7.

3.6. Охарактеризовать фазовые и структурные превращения в околошовной зоне сварного соединения при сварке на заданном и рассчитанном (п.5) режимах, списать структуру и свойства металла околошовной зоны в рассмотренных случаях.

3.7. Назначить режим объемной термической обработки сварного соединения для:

- повышения эксплуатационных свойств;

- снятия сварочных напряжений. Описать структуру и свойства соединения после термической обработки. Зарисовать структуру: а) металла шва; б) участка перегрева ЗТВ – до и после термообработки.

 

 

1. Порядок оформления отчета

В отчете по настоящей работе необходимо привести следующие данные и результаты:

4.1. Варианта задания и исходные данные.

4.2. Перечертить термокинетическую и структурную диа-граммы и указать полученные значения W_о и t_600-500 .

4.3. Результаты расчетов и анализа по п.п.3.1…3.7.

4.4. Выводы.

 

5. Рекомендуемая литература

1. Самотугин С.С., Лещинский Л.К.. Соляник Н.Х. Структура и характер разрушения сварных соединений, наплавленных и упрочненных материалов. Мариуполь: ПГТУ, 1996.- 179 с.

2. Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений.- М.: Машиностроение, 1989.- 336 с.

3. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлением.- К.; Наукова думка, 1982.- 416 с.

4. Шоршоров М.Х., Белов Л.В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке.- М.: Наука, 1972.- 219 с.

 

1. Контрольные вопросы

6.1. Как определяются параметры термического цикла сварки?

6.2. Что характеризуют диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита?

6.3. Какие продукты образуются в стали при охлаждении с различной скоростью? Как при этом изменяются свойства (твердость, прочность, вязкость)?

6.4. В чем особенность температурно-временных условий сварки в отличие от условий термообработки?

6.5. Как определить структуру и твердость в отдельных участках сварного соединения с использованием термокинетических диаграмм?

6.6. Какими методами возможно регулирование структуры и свойств сварных соединений?

6.7. К какому классу (по составу, структуре и т.п.) относится сталь заданной марки? Охарактеризуйте свариваемость данной стали.

6.8. Какие виды и режимы термической обработки применяются для сварных соединений из сталей данного класса?

 

1. Сталь 09Г2С (Т_н = 1350 ⁰С; t_н = 5 с; t_в = 4 с)

 

2. Сталь 16ГФР (Т_н = 1250 ⁰С; t_н = 5 с; t_в = 4 с)

___ - нормализованное состояние;

_ _ _ - закаленное состояние

3. Сталь 14Х2ГМР (Т_н = 1250 ⁰С; t_н = 5 с; t_в = 4 с)

 

 

4. Сталь 14Г2САФ (Т_н = 1250 ⁰С; t_н = 5 с; t_в = 4 с)

5. Сталь 13ХГМФ (Т_н = 1325 ⁰С; t_н = 5 с; t_в = 4 с)

6. Сталь 35ХМФА (Т_н = 1350 ⁰С; t_н = 4,5 с; t_в = 4 с)

7. Сталь 12ХН2 (Т_н = 1325 ⁰С; t_н = 9,5 с; t_в = 6 с)

7. Сталь 20НГМ (Т_н = 1325 ⁰С; t_н = 9 с; t_в = 7 с)

 

 

 

 

 

 

 

	18. Сталь 20ХГСА (Тн = 1225 0С; tн = 5 с; tв = 4 с)

 

	17. Сталь 23Г (Тн = 1325 0С; tн = 5,5 с; tв = 4,5 с)

 

 

19. Сталь 30ХМА (Тн = 1250 0С; tн = 5 с; tв = 4 с)

	20. Сталь 18Х2ВФ (Тн = 1325 0С; tн = 5 с; tв = 5 с)

 

 

	21. Сталь 35ХВФА (Тн = 1350 0С; tн = 4,5 с; tв = 4 с)

	22. Сталь 16Х2,5МВФ (Тн = 1350 0С; tн = 5 с; tв = 4 с)

 

	23. Сталь 20Х2МФ (Тн = 1325 0С; tн = 9 с; tв = 6 с)

	24. Сталь 35ХГСА (Тн = 1325 0С; tн = 5 с; tв = 4,5 с)

 

 

	25. Сталь 20ХГС (Тн = 1325 0С; tн = 5 с; tв = 4 с)
		26. Сталь 35ХГСА (Тн = 1325 0С; tн = 5 с; tв = 4,5 с)

 

I = 300 A; U = 28 B; V = 48 м/ч;

ПРИЛОЖЕНИЕ 2