Материаловедение для сварщиков: от кристаллической решётки до металлургии сварного шва

Материаловедение — фундаментальная дисциплина для любого специалиста, работающего с металлом. Для сварщика понимание того, как устроен металл на атомарном уровне, как он деформируется, какие фазовые превращения происходят при нагреве и охлаждении, — это не академическая теория, а ежедневная практическая необходимость. Качество сварного соединения напрямую зависит от того, насколько хорошо сварщик и контролёр сварочных работ понимают процессы, происходящие в металле при сварке.

В этом материале подробно разобраны основы строения металлов, пластическая деформация и механические свойства, железоуглеродистые сплавы, фазовые превращения и термическая обработка, а также металлургические процессы при сварке распространённых материалов.

Кристаллические решётки

Все металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в определённых температурных диапазонах образуют упорядоченные структуры — кристаллические решётки. На атомы, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, действуют силы притяжения и отталкивания, которые удерживают их в определённых «исходных» позициях. Атомы не остаются неподвижными — они колеблются около положения равновесия, сохраняя сбалансированные промежутки.

Наименьшее число атомов, образующих структуру, которая даёт полное представление об упорядоченном расположении, называется элементарной ячейкой. Элементарные ячейки не существуют как самостоятельные единицы — они имеют общие атомы с соседними ячейками в трёхмерной матрице.

Основные характеристики кристаллической решётки включают: углы между осями (α, β, γ); периоды решётки (a, b, c); число атомов, приходящееся на ячейку (n); координационное число (k) — количество ближайших равноудалённых частиц; коэффициент компактности (K) — долю объёма ячейки, занятую частицами: K = (n · 4/3 π R³) / Vm.

К наиболее распространённым кристаллическим структурам относятся:

Объёмно-центрированная кубическая (ОЦК). Куб, в каждом из восьми углов которого находится по атому, и ещё один атом — в центре ячейки. К металлам с ОЦК-структурой относятся железо (при комнатной температуре), хром, молибден, вольфрам.

Гранецентрированная кубическая (ГЦК). Куб с атомами в восьми углах и по одному атому в центре каждой из шести граней. Эту структуру имеют алюминий, медь, никель, а также аустенитная нержавеющая сталь.

Гексагональная плотноупакованная (ГП). Шестиугольная призма с атомами в углах и центре оснований и тремя атомами в среднем слое. Такую структуру имеют цинк, кадмий, магний.

Объёмно-центрированная тетрагональная (ОЦТ). Похожа на ОЦК, но одна из осей удлинена, придавая структуре прямоугольную форму. Мартенсит — фаза стали, образующаяся при закалке резким охлаждением, — имеет именно ОЦТ-структуру.

Аллотропия железа

Железо — полиморфный металл, то есть оно существует в разных кристаллических формах в зависимости от температуры: до 911 °C и от 1392 до 1539 °C — ОЦК-решётка (α-железо и δ-железо); в интервале 911–1392 °C — ГЦК-решётка (γ-железо).

Этот переход из одной твёрдой фазы в другую при изменении температуры называется аллотропическим, или твердофазным, переходом. Именно аллотропия железа лежит в основе всех видов термической обработки стали: при нагреве выше критической точки A1 (727 °C) происходит фазовое превращение, которое радикально меняет структуру и свойства металла.

Твёрдые растворы

Сплавом называется твёрдое вещество, обладающее признаками металлов и состоящее из двух и более химических элементов. Основу сплава всегда составляет металлический элемент, но компонентами могут быть и неметаллы.

В металловедении различают три типа твёрдых растворов:

Твёрдые растворы замещения образуются путём замены атомов металла-растворителя в его кристаллической решётке атомами растворённого элемента. Если атом растворённого элемента больше атома растворителя, решётка расширяется; если меньше — сжимается. Возникающие искажения решётки повышают прочность сплава.

Твёрдые растворы внедрения образуются, когда атомы растворённого элемента размещаются в порах решётки растворителя. Это возможно, когда радиус атома растворённого элемента невелик — например, при растворении в железе атомов углерода, азота или водорода. Раствор внедрения также вызывает искажение решётки и упрочнение.

Упорядоченные твёрдые растворы (сверхструктуры) — это растворы замещения, в которых атомы растворителя и растворённого элемента занимают строго определённые положения в решётке (например, система Cu-Au). Упорядочение наблюдается при относительно невысоких температурах; при нагреве до точки Курнакова (TK) оно исчезает.

Кристаллизация и строение слитка

Затвердевание металлов с образованием кристаллической структуры происходит через процесс «образование и рост центров кристаллизации». При охлаждении группы атомов служат ядрами кристаллизации в местах, где присутствуют посторонние включения или на границе жидкости и твёрдого тела — то есть на участке соединения расплавленного металла шва и более холодного металла зоны термического влияния.

В металле сварного шва ядра стремятся прикрепиться к существующим зёрнам зоны термического влияния у поверхности контакта. Каждое ядро растёт в определённом направлении; атомы выстраиваются в порядке, соответствующем типу элементарной ячейки, и образуют зерно неправильной формы, или кристалл.

В структуре слитка различают три зоны: зону мелких равноосных кристаллов (у поверхности), зону столбчатых кристаллов (внутри) и зону крупных равноосных кристаллов (в центре). В верхней части слитка может образоваться усадочная раковина.

Пластическая деформация и механические свойства

Упругая и пластическая деформация

При приложении нагрузки к металлу происходит деформация кристаллической решётки. Если нагрузка не превышает предела упругости, деформация упругая — после снятия нагрузки атомы возвращаются в исходные позиции, и металл восстанавливает первоначальную форму. Величина удлинения прямо пропорциональна приложенной нагрузке, что называют свойством линейности.

Если нагрузка превышает предел текучести, металл переходит в пластичное состояние — деформация становится необратимой. Атомы отдаляются настолько, что силы притяжения не возвращают их в исходное положение. При дальнейшем увеличении нагрузки происходит разрушение.

Теоретическая прочность на сдвиг может быть рассчитана по формуле S = G / 2π ≈ 0,16G, где G — модуль сдвига. Однако реальная прочность металлов значительно ниже теоретической из-за наличия дефектов кристаллической решётки — дислокаций.

Дислокации и скольжение

Пластическая деформация в металлах происходит не одновременным сдвигом всех атомов по плоскости, а перемещением дислокаций — линейных дефектов кристаллической решётки. Модель скольжения дислокации можно сравнить со складкой на ковре: переместить складку по ковру гораздо легче, чем сдвинуть весь ковёр целиком.

Дислокация состоит из экстраплоскости и ядра — области, где атомы смещены относительно своих равновесных позиций. Под действием напряжения дислокация перемещается по плоскости скольжения, и металл пластически деформируется.

Пути повышения прочности

Теоретическая прочность металла достигается только в нитевидных кристаллах («усах»), практически лишённых дислокаций. В реальных металлах прочность зависит от плотности дислокаций и препятствий на их пути:

Чистые неупрочнённые металлы — плотность дислокаций 10⁶–10⁸ см⁻² — низкая прочность.

Сплавы, упрочняемые легированием, наклёпом и термообработкой — плотность дислокаций 10¹⁰–10¹² см⁻² — высокая прочность.

Нитевидные кристаллы («усы») — минимальная плотность дислокаций — теоретическая прочность.

Таким образом, парадоксальным образом повышение плотности дислокаций и создание препятствий для их движения (легирование, наклёп, термическая обработка) увеличивают прочность металла.

Возврат и рекристаллизация

При нагреве деформированного (наклёпанного) металла происходят два процесса:

Возврат — при относительно невысоких температурах происходит частичное снятие внутренних напряжений без существенного изменения структуры. Прочность незначительно снижается, пластичность несколько возрастает.

Рекристаллизация — при более высоких температурах деформированная структура полностью заменяется новыми равноосными зёрнами бездефектной структуры. Процесс проходит в три стадии: после деформации (вытянутые искажённые зёрна) → первичная рекристаллизация (зарождение новых зёрен внутри деформированной матрицы) → собирательная рекристаллизация (рост новых равноосных зёрен).

Температуру рекристаллизации можно оценить по формуле Бочвара: Tрекр = α · Tпл, где α — коэффициент, зависящий от чистоты металла: для металлов технической чистоты α = 0,4; для сплавов α = 0,5–0,85.

При нагреве выше температуры начала рекристаллизации (tp) происходит разупрочнение металла. Если нагрев продолжается до температуры t1, наблюдается перегрев — рост зерна и ухудшение механических свойств.

Железоуглеродистые сплавы: фазы, структура, классификация

Фазы в системе железо-углерод

Диаграмма состояния железо-цементит — основной инструмент для понимания структуры и свойств сталей и чугунов. В системе железо-углерод существуют следующие фазы:

Феррит — твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе. Предельная растворимость углерода в α-феррите — всего 0,02%, а в δ-феррите — 0,1%. Феррит — мягкая пластичная фаза с твёрдостью НВ 80–100.

Аустенит — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе. Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14%. Аустенит пластичен, с невысокой прочностью (твёрдость НВ 160–180).

Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (6,67% C). Твёрдый и хрупкий.

Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся при 727 °C. Содержание углерода в перлите — 0,8%.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита, образующаяся при 1147 °C. Содержание углерода — 4,3%.

Графит — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Образует слоистую гексагональную кристаллическую решётку, мягок, имеет низкую прочность.

Классификация сталей

По структуре различают: доэвтектоидную сталь (до 0,8% C) — структура состоит из феррита и перлита; эвтектоидную сталь (0,8% C) — структура состоит только из перлита; заэвтектоидную сталь (0,8–2,14% C) — структура состоит из перлита и цементита.

По содержанию углерода качественные углеродистые конструкционные стали подразделяются на: низкоуглеродистые (до 0,25% C) — отлично свариваются; среднеуглеродистые (0,3–0,5% C) — свариваются с предварительным подогревом; высокоуглеродистые (0,6–0,8% C) — свариваются с трудом, требуют подогрева и последующей термообработки.

По способу производства различают стали, выплавляемые в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом. По способу раскисления — кипящие, полуспокойные и спокойные. Спокойные стали раскислены кремнием, не содержат растворённых газов и имеют однородную структуру. Кипящие стали содержат больше газов и менее однородны.

По качеству стали делятся на три категории: обыкновенного качества — не более 0,05% S и не более 0,04% P; качественные — не более 0,04% S (для инструментальных до 0,03%) и не более 0,035% P; высококачественные — менее 0,02% S и 0,03% P.

Стали обыкновенного качества маркируются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6 (Ст 0, Ст 1, …, Ст 6), определяющими химический состав. В зависимости от условий раскисления добавляются индексы: «сп» (спокойная), «пс» (полуспокойная), «кп» (кипящая). Например: Ст 3сп, Ст 3пс, Ст 3кп.

Качественные стали маркируются двумя цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 08, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70.

Влияние углерода и примесей на свойства стали

С увеличением содержания углерода твёрдость и прочность стали растут, а пластичность и ударная вязкость снижаются. При содержании углерода до 0,3% сталь хорошо сваривается; при 0,3–0,5% требуется контроль тепловложения; при содержании более 0,5% сварка затрудняется.

Сера и фосфор — нежелательные примеси. Сера выше 0,05% вызывает хрупкость (красноломкость), фосфор — охрупчивание при низких температурах (хладноломкость). Сера в количестве 0,03% и фосфор в количестве 0,12% существенно снижают ударную вязкость стали, особенно при отрицательных температурах.

Классификация чугунов

Чугуны классифицируют по форме нахождения углерода:

Белые чугуны — углерод связан в цементит (Fe3C). Твёрдые, хрупкие, практически не поддаются механической обработке. Структура: перлит + ледебурит (доэвтектический), ледебурит (эвтектический), цементит первичный + ледебурит (заэвтектический).

Серые чугуны — углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Получению серого чугуна способствует повышение содержания кремния и медленное охлаждение. Химический состав: 2,9–3,5% C, 1,7–2,6% Si, 0,5–1,0% Mn. Маркируются СЧ с указанием предела прочности на разрыв (например, СЧ-20 — 200 МПа).

Ковкие чугуны — графит имеет хлопьевидную форму. Получают отжигом белого чугуна в две стадии графитизации: первая при 950–970 °C, вторая при 720–730 °C. Маркируются КЧ (например, КЧ-50-5 — предел прочности 500 МПа, относительное удлинение 5%).

Высокопрочные чугуны — графит имеет шаровидную форму. Получают модифицированием серого чугуна магнием или церием. Химический состав: 3,0–4,0% C, 2,5–3,8% Si, 0,2–0,7% Mn, 0,02–0,08% Mg. Маркируются ВЧ (например, ВЧ-45-10).

Фазовые превращения и термическая обработка

Превращения при нагреве

При нагреве стали выше критической точки A1 (727 °C) происходит эвтектоидное превращение: перлит (феррит + цементит) превращается в аустенит. Процесс проходит в четыре стадии: 1) образование зародышей аустенита на границах феррит-цементит; 2) исчезновение феррита; 3) растворение цементита (аустенит неоднороден по углероду); 4) гомогенизация — выравнивание концентрации углерода в аустените.

Скорость превращения зависит от температуры: при 1050 °C процесс завершается за секунды, при 830 °C — за десятки минут.

Рост аустенитного зерна при нагреве зависит от состава стали. Стали, раскисленные алюминием, имеют наследственно мелкозернистую структуру — зерно растёт медленно до 900–1000 °C. Стали с малым содержанием алюминия — крупнозернистые, зерно растёт быстро уже при 830 °C.

Превращения при охлаждении

При охлаждении аустенита возможны два пути:

Диффузионное превращение — аустенит распадается на феррито-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит). Структура и твёрдость зависят от скорости охлаждения: при скорости 1 град/с образуется перлит (НВ 200), при 10 град/с — сорбит (НВ 300), при 50 град/с — троостит (НВ 400).

Бездиффузионное (мартенситное) превращение — при быстром охлаждении аустенит не успевает распасться и превращается в мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с ОЦТ-решёткой. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как в исходном аустените.

Кинетика превращения описывается С-образной диаграммой изотермического превращения аустенита. Левая ветвь — начало превращения, правая — конец. При температурах выше «носа» диаграммы происходит диффузионное превращение, при температурах ниже — мартенситное.

Отжиг

Отжиг первого рода — не использует фазовые превращения. Включает: гомогенизационный (диффузионный) отжиг (нагрев 1100–1250 °C, цель — уменьшение дендритной ликвации); рекристаллизационный отжиг (нагрев 600–720 °C, цель — устранение наклёпа); отжиг для снятия внутренних напряжений (нагрев 200–700 °C).

Отжиг второго рода — основан на фазовых превращениях. Включает: полный отжиг (нагрев доэвтектоидной стали до Ac3 + 30–50 °C, охлаждение 150–200 град/ч); неполный отжиг (нагрев в интервал Ac1–Ac3); изотермический отжиг (ускоренное охлаждение до Ac1 − 50–100 °C, выдержка); сфероидизирующий отжиг (нагрев 740–780 °C для заэвтектоидных сталей, структура — феррит + зернистый цементит); нормализация (нагрев до Ac3 + 30–50 °C с охлаждением на воздухе).

Закалка

Закалка — нагрев выше критической температуры с последующим быстрым охлаждением. Температура нагрева: для доэвтектоидной стали t = Ac3 + 30–50 °C (полная закалка); для заэвтектоидной стали t = Ac1 + 30–50 °C (неполная закалка). Скорость охлаждения при закалке должна превышать критическую: Vохл > Vкр, где Vкр = (Ac3 − tmin) / (1,5 · tmin).

Различают три способа закалки: обычная (непрерывное охлаждение), ступенчатая (охлаждение в соляной ванне), изотермическая (выдержка при температуре бейнитного превращения).

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определённую глубину. Закаливаемость — способность стали к повышению твёрдости при закалке. Низкоуглеродистая сталь (до 0,2% C) не обладает закаливаемостью.

Отпуск

Отпуск — нагрев закалённой стали ниже точки Ac1 с последующим охлаждением. Три вида отпуска:

Низкий отпуск (150–250 °C). Структура — отпущенный мартенсит: пересыщенный α-твёрдый раствор с частицами метастабильного карбида Fe2C, сохраняющего когерентную связь с решёткой мартенсита. Высокая твёрдость, снижаются внутренние напряжения.

Средний отпуск (400–480 °C). Полностью завершается выделение углерода из мартенсита. Частицы карбида Fe2C преобразуются в Fe3C, когерентная связь нарушается. Структура: феррит + цементит. Повышается упругость.

Высокий отпуск (500–680 °C). Коагуляция и сфероидизация частиц цементита, укрупнение зёрен феррита. Структура — сорбит отпуска. Оптимальное сочетание прочности и ударной вязкости (улучшение).

Механические свойства стали 45 после закалки в воде с 850 °C и отпуска при различных температурах:

Температураотпуска, °CНВσB, МПаδ, %ψ, %aH, МДж/м²2504351400360,140037012006200,255025080012450,665020065014551,0

При отпуске легированных сталей возможно вторичное твёрдение — рост твёрдости при отпуске 450–550 °C за счёт выделения дисперсных карбидов легирующих элементов.

Металлургия сварки: процессы в зоне термического влияния

Остаточные напряжения и деформации

При сварке тепло передаётся неравномерно: определённая часть металлической детали нагревается до очень высокой температуры, в то время как температура на участках, примыкающих к околошовной зоне, остаётся более низкой. Это приводит к тому, что расширение происходит в разных масштабах на разных расстояниях от шва.

Нагретый участок расширяется, но отчасти сдерживается холодной частью бруска, и под воздействием дуги происходит выгибание концов. После гашения дуги горячая расплавленная секция начинает охлаждаться и сжиматься. Теплота распространяется на ранее холодный участок. По мере остывания расширенная секция сжимается, изменяя направление деформирующих сил, что в итоге приводит к уменьшению длины и выгибанию концов вверх. В детали сохраняется остаточное напряжение.

Существует несколько способов снижения или устранения остаточных напряжений:

1. Термический — равномерный нагрев всей детали или крупной секции, выдержка, медленное равномерное охлаждение. При повышении температуры прочность металла уменьшается, что позволяет снизить остаточное напряжение.

2. Вибрационный и механический — снятие напряжений с помощью вибрационной обработки.

3. Проковка шва — ударное воздействие пневматическим молотком по лицевой стороне промежуточных слоёв многослойного шва. Деформация вызывает расширение и удлинение шва, остаточная нагрузка снижается. Не рекомендуется выполнять проковку слоя в корне шва (может привести к разлому) и последнего слоя (следы проковки могут скрыть нарушения сплошности).

Зона термического влияния и углеродный эквивалент

Зона термического влияния (ЗТВ) — область основного металла, примыкающая к сварному шву и нагретая от температуры чуть ниже температуры превращения до температуры чуть ниже точки плавления стали. В ЗТВ плавления не происходит, но достигаются крайне высокие температуры, и благодаря «контактной закалке резким охлаждением» здесь наблюдается высокая скорость охлаждения.

Условия сварки, влияющие на скорость охлаждения и формирование фазового состава: количество подводимого тепла (погонная энергия) — больше тепла, ниже скорость охлаждения; предварительный подогрев — снижает скорость охлаждения; толщина основного металла — больше толщина, выше скорость охлаждения; углеродный эквивалент основного металла.

Углеродный эквивалент (CE) — эмпирическое выражение, определяющее суммарное действие легирующих элементов на способность стали к закаливанию:

CE = %C + %Mn/6 + %Ni/15 + %Cr/5 + %Cu/13 + %Mo/4

Эта формула применима для углеродистой и легированной стали с содержанием не более 0,5% C, 1,5% Mn, 3,5% Ni, 1% Cr, 1% Cu и 0,5% Mo.

Рекомендуемые температуры предварительного подогрева:

Углеродный эквивалент	Рекомендуемая температура подогрева
Менее 0,45	Подогрев, как правило, не требуется
0,45–0,60	100–200 °F (38–93 °C)
Более 0,60	200–400 °F (93–204 °C)

Термообработка при сварке

Основные виды термообработки, применяемые при сварке:

Предварительный подогрев — нагрев детали до сварки. Цель — снизить скорость остывания участков основного металла, прилегающих к шву, и обеспечить образование микроструктурных составляющих иного типа, чем мартенсит.

Нагрев после сварки — нагрев после завершения сварки при более высокой температуре, чем предварительный подогрев. Цель — снижение остаточного напряжения и улучшение структуры металла в твёрдых и хрупких фазах, образовавшихся при остывании.

Снятие термических напряжений — нагрев до температуры ниже минимальной температуры превращения (ниже A1), выдержка и медленное охлаждение. При повышении температуры прочность металла уменьшается, что позволяет снизить остаточное напряжение и восстановить структуру. Этот метод решает проблемы, связанные с деформацией.

Диффузия и растворимость в твёрдом состоянии

Атомы в твёрдом состоянии могут изменять своё положение — этот процесс называется диффузией. Растворимость одного твёрдого тела в другом ограничена и зависит от температуры: чем выше температура, тем больше растворяется второй элемент. При повышении температуры масштабы диффузии и растворимости повышаются.

Примером растворения одного твёрдого тела в другом служит цементация — повышение поверхностной твёрдости стали. Если сталь поместить в среду, содержащую углерод, и нагреть, углерод будет диффундировать в поверхностный слой, повышая его твёрдость.

Металлургия сварки распространённых материалов

Нержавеющая сталь

Нержавеющей считается сталь, содержащая не менее 12% хрома. Существует множество типов нержавеющей стали, которые сильно отличаются по свариваемости.

Аустенитные сорта (серии 200 и 300, включая 304 и 316) — наиболее распространённые, легко свариваются. Однако подвержены образованию «горячих» трещин при очень высокой температуре металла. Проблема решается подбором присадочных металлов с содержанием дельта-феррита 4–10% (ферритное число). Дельта-феррит имеет ОЦК-структуру и магнитные свойства, в отличие от аустенита (ГЦК, немагнитный), что позволяет измерять его магнитным микрометром.

Межкристаллитная коррозия — распространённая проблема при сварке аустенитных нержавеющих сталей. При нагреве до 800–1600 °F (427–871 °C) хром и углерод соединяются, образуя карбид хрома, что обедняет зёрна хромом и снижает коррозионную стойкость. Максимальная температура воздействия — около 1250 °F (677 °C); эта температура достигается дважды: при нагреве до температуры сварки и при охлаждении.

Методы предотвращения межкристаллитной коррозии:

— Безуглеродистая сталь (например, 304L) — содержание углерода менее 0,03%, что снижает образование карбидов хрома. Недостаток — снижение механических свойств при повышенной температуре.

— Сталь с добавлением титана (321) — титан связывает углерод, предотвращая образование карбидов хрома.

— Сталь, стабилизированная ниобием (347) — ниобий также связывает углерод.

— Отжиг на твёрдый раствор — повторный нагрев до 1950–2000 °F (1066–1093 °C) для распада карбидов хрома.

Ферритные сорта (например, 430) — пригодны для сварки с надлежащими присадочными металлами.

Мартенситные сорта (например, 416) — наиболее трудно свариваются, часто требуют специального предварительного подогрева и термообработки после сварки.

Дисперсионно-твердеющие сорта (например, 17-4 PH) и двухфазные сорта (например, AL-6XN) — поддаются сварке, но следует обращать внимание на изменения механических свойств, вызванные сваркой.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы отличаются прочной оксидной плёнкой, которая очень быстро образуется на поверхности при контакте с воздухом. Оксидная плёнка защищает от коррозии, но препятствует соединению деталей.

Для сварки алюминия используется переменный ток: благодаря изменению полярности оксиды разрушаются, а для предотвращения повторного образования плёнки применяется газовая защита (гелий или аргон). Металлургия алюминия крайне сложна из-за множества сплавов и видов термообработки.

Медь и медные сплавы

Чистую медь и большинство медных сплавов нельзя закалить резким охлаждением, как сталь. Твёрдость и прочность повышаются деформацией в холодном состоянии (нагартовкой). Сварка приводит к размягчению нагартованного материала, что необходимо учитывать до выполнения сварочных работ.

Для повышения твёрдости ряда медных сплавов используется дисперсионное твердение — после сварки требуется термообработка для восстановления механических свойств.

Основная проблема при сварке меди — относительно низкая температура плавления и крайне высокая теплопроводность. Требуется подвод значительного количества тепла для компенсации потерь. При использовании надлежащих методов большинство сплавов меди поддаются сварке.

Практическое значение материаловедения для сварщика

Понимание материаловедения — это не академическое упражнение, а ежедневная практическая необходимость. Вот как рассмотренные выше концепции применяются в сварочном производстве:

1. Выбор присадочного металла. Присадочный металл должен обеспечивать механические свойства наплавленного металла, эквивалентные или превосходящие свойства основного металла. Для аустенитных нержавеющих сталей необходимо подбирать присадочный металл с содержанием дельта-феррита 4–10% для предотвращения горячих трещин.

2. Контроль тепловложения. Для закалённых и отпущенных сталей чрезмерный нагрев при сварке приводит к деградации свойств в ЗТВ. Контролёр должен следить за режимами сварки: количество подводимого тепла, скорость перемещения, температура между проходами.

3. Предварительный подогрев. При углеродном эквиваленте более 0,45 требуется предварительный подогрев для снижения скорости охлаждения и предотвращения образования мартенсита в ЗТВ.

4. Предотвращение деформаций. Неравномерный нагрев при сварке вызывает остаточные напряжения и деформации. Снижение напряжений достигается термической обработкой, вибрационной обработкой или проковкой промежуточных слоёв шва.

5. Термообработка после сварки. Для мартенситных нержавеющих сталей, дисперсионно-твердеющих сплавов и нагартованных медных сплавов термообработка после сварки необходима для восстановления механических свойств.

6. Учёт направления прокатки. Прокатанные металлы обладают ярко выраженной направленностью свойств. Прочность в поперечном направлении может снижаться до 30%, пластичность — до 50% по сравнению с направлением прокатки. При проектировании сварных соединений нужно избегать ориентации, при которой ось шва параллельна направлению прокатки листа.

7. Защита от межкристаллитной коррозии. При сварке аустенитных нержавеющих сталей следует применять безуглеродистые сорта (304L), стабилизированные титаном (321) или ниобием (347), либо выполнять отжиг на твёрдый раствор после сварки.

8. Учёт температуры эксплуатации. При низких температурах ударная вязкость и пластичность снижаются. Для конструкций, работающих в условиях низких температур, необходимо выбирать стали с низкой температурой перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Глоссарий

— Аллотропия — способность металла существовать в разных кристаллических формах при разных температурах.

— Аустенит — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе; пластичен, немагнитен.

— Дислокация — линейный дефект кристаллической решётки; перемещение дислокаций обеспечивает пластическую деформацию.

— Зона термического влияния (ЗТВ) — область основного металла, примыкающая к шву, нагретая без плавления до высоких температур.

— Мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе с ОЦТ-решёткой; твёрдый и хрупкий.

— Перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется при 727 °C.

— Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определённую глубину.

— Проковка — интенсивная механическая деформация металла шва для снижения остаточных напряжений.

— Растворимость в твёрдом состоянии — способность металлов в твёрдом состоянии к взаимному растворению посредством диффузии.

— Снятие напряжений — вид термообработки, позволяющей снять остаточное напряжение путём нагрева, выдержки и охлаждения.

— Углеродный эквивалент — эмпирическое выражение, определяющее суммарное действие легирующих элементов на способность стали к закаливанию.

— Феррит — твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе; мягкий, пластичный, магнитный.

Рекомендуемые статьи:

Основы электротехники для сварщиков

Почему механические характеристики металлов важны для сварки

Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость