Технологическая прочность сварных соединений стали Р18, Р6М5, Р6М5К5

Внедрение в промышленность сталей новых марок с внутренними свойствами затрудненно из-за сложности обеспечения технологической прочности и эксплуатационной надежности сварных соединений. Как правило, при прочих равных условиях повышение эксплуатационной прочности металла сварных конструкций сопровождается снижением показателей технологической прочности при сварке. Поэтому разработка эффективного технологического процесса сварки может быть осуществлена только с учетом комплекса сведений, характеризующих как технологическую, так и эксплуатационную прочности, т.е. с учетом сведений о свариваемости стали.

В практике исследований свариваемости обычно применяются сварные образцы специальной конструкции или образцы с имитацией сварочных термических или сварочно-деформационных циклов. В результате испытаний таких образцов определяются условия появления дефектов характеристики структуры, механических и специальных свойств сварных соединений или зон имитации, абсолютные или относительные значения которых принимаются за количественные показатели свариваемости. Наряду с экспериментальными используются расчетные методы определения показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соединения, способ и режимы сварки, и другие факторы.

При сопоставлении материалов и технологий показатели свариваемости используются непосредственно в качестве критериев сравнения. При прикладном применении сведений о свариваемости по отдельным показателям или их сочетаниям судят о поведении сварного соединения при эксплуатации. Количество показателей свариваемости может быть равно количеству характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений. На практике пользуются набором основных показателей типовых для каждого вида материалов и условий эксплуатации изготовленных из них конструкций. Выбор основных показателей производится в каждом конкретном случае с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.

При разработке наплавочных материалов и технологий наплавки, позволяющих получать наплавленные быстрорежущие стали с пленкообразующими компонентами, обладающими эффектом внутренней смазки, наиболее значимым показателем свариваемости, на наш взгляд, является технологическая прочность.

 Во-первых, быстрорежущие стали относятся к высокоуглеродистым и высоколегированным сталям, что определяет их высокую склонность к образованию трещин при наплавке.

Во-вторых, применение таких поверхностно-активных добавок, как сера, образующая с легирующими элементами соединения, являющиеся очагами смазки, может оказывать значительное влияние на снижение технологической прочности наплавленных быстрорежущих сталей

Под технологической прочностью принято понимать способность металла шва или наплавленного металла сопротивляться образованию горячих трещин, т.е. претерпевать без разрушения лишь упругопластическую деформацию при высоких температурах в процессе сварки или наплавки.

Стойкость металла шва или наплавленного металла против образования горячих трещин определяется соотношением между величиной температурного интервала хрупкости (ТИХ), минимальной межкристаллитной пластичностью и прочностью металла в температурном интервале хрупкости. Важно что, технологическая прочность определяется величиной и интенсивностью нарастания растягивающих напряжений и деформаций (темпом деформаций) в наплавленном металле или шве по мере снижения температуры. Межкристаллитной пластичностью называют способность кристаллитов взаимно проскальзывать относительно друг друга под действием напряжений без нарушения металлической связи между ними.

При исследовании технологической прочности учитываются следующие основные показатели: склонность к образованию трещин, стойкость против образования трещин и сопротивляемость образованию трещин.

Склонность к образованию трещин, как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту образования трещин в сварном соединении и оценивается качественно или количественно критической величиной одного из факторов, вызывающих образование трещин.

Стойкость против образования трещин, как показатель свариваемости материала, который устанавливается по факту отсутствия трещин и оценивается качественно или количественно подкритической величиной (максимальной, при которой трещины еще отсутствуют) одного из факторов трещинообразования.

Сопротивляемость образованию трещин означает свойства материала в структурном и напряженно-деформированном состоянии шва или зоны термического влияния сопротивляться разрушению, по характеру соответствующему разрушению при образовании трещин.

В процессе наплавки быстрорежущих сталей имеют место горячие трещины. Под горячими трещинами понимают хрупкие межкристаллитные разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, и в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития зерновой деформации. Потенциально склонность к горячим трещинам имеют все стали при любых видах сварки плавлением.

Природа горячих трещин адекватна природе высокотемпературной хрупкости не равновесно кристаллизующихся сплавов .

 Всего различают три типа высокотемпературной хрупкости, проявляющихся в определенных ТИХ:

ТИХ_Ь

ТИХ₂,

ТИХ₃.

Указанные факторы взаимодействуют на фоне постепенного снижения объема жидкой фазы по мере охлаждения и выделения из них эвтектик второго и третьего порядка, что постепенно приводит к снижению пластичности у нижней границы ТИХ. Это явление отсутствует у сплавов, содержащих 5-10% эвтектики определенного состава, кристаллизующейся в последнюю очередь при постоянной температуре, т.е. практически мгновенно. Такие сплавы сохраняют значительную пластичность в ТИХ.

Обнаружение и идентификация ТИХ_П и ТИХ_Ш в полной мере обеспечиваются при испытаниях механических свойств с малой скоростью деформации, что способствует развитию диффузии легирующих и примесных элементов, образующих карбидные и карбонитридные фазы.

Остановимся коротко на причинах образования горячих трещин при сварке. Первой причиной является наличие температурно-временного интервала хрупкости. Вторая причина - высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затрудненной усадки металла шва, формоизменения свариваемых заготовок и при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при после сварочной термообработке, усиленные тепловой, структурной и механической концентрацией деформации.

Деформацию при сварке принято рассматривать двумя составляющими: как температурную деформацию е_т и наблюдаемую от формоизменения свариваемых заготовок £_и. Температурная деформация по величине равна деформации металла при его нагреве и охлаждении в свободном состоянии, но противоположна по знаку, т.е. способствует растяжению шва. Вторая составляющая деформации может способствовать сжатию (-£н0 ^или растяжению шва (+£нг) или перехода от его растяжения к сжатию по мере снижения температуры (£_И2)- Величина и знак деформации при сварке определяются алгебраической суммой рассмотренных составляющих. Деформация достигает наибольшей интенсивности, когда составляющая £н велика и имеет положительное значение. 

 При этом е = е_т + £ц. Примером данной ситуации служат участки шва, в которых максимум наблюдаемой деформации от формоизменения заготовок отстает от времени максимума температуры, когда имеет место малая геометрическая жесткость заготовок по толщине и ширине .

В условиях синхронного развития функций Т(1) и £(%) деформация в ТИХ минимальна, что описывается уравнением: £=е_т- %

Высокотемпературные деформации имеют монотонный характер нарастания в температурном интервале хрупкости. За количественный показатель интенсивности принимают величину темпа деформации В.

где Де - накопленная в ТИХ относительная деформация. Темп деформации в любой точке шва не должен превышать критический, в этом случае не происходит исчерпания пластичности металла в ТИХ, и, как следствие, его разрушения.

Геометрически критический темп деформации представляет собой (Хкрю между осью температур и касательной к линии изменения пластичности в ТИХ, - ТИХц, проведенной из точки В_г . = В_кр [%/°С] .

Угол tga_кp может быть определен приближенно соотношением П/ТИХ, где П - средняя пластичность в ТИХ. Таким образом, В_кр. является обобщенным показателем деформационной способности.

Если В>В_кр, то пластичность исчерпывается и это обстоятельство является необходимым и достаточным для возникновения горячих трещин. Геометрически это выражается пересечением линий еиПв ТИХ 

 Если В< В_кр имеется запас по стойкости против образования горячих трещин.   К ,_т является коэффициентом запаса. Геометрически пересечение обозначенных выше линий отсутствует.

Однако стойкость сварных соединений против образования трещин зависит не только от величины сварочных деформаций и напряжений. Прежде всего, стойкость определяется степенью сопротивляемости сталей образованию горячих трещин.

Быстрорежущие стали с пленкообразующими компонентами, обладающие эффектом самосмазывания, наиболее целесообразным, на наш взгляд является изучение металлургических и технологических аспектов предупреждения трещинообразования, связанных со структурой и свойствами данных сталей.