Минас Хачатурович Шоршоров
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ СВАРКИ СТАЛИ
И СПЛАВОВ ТИТАНА
*** 1965 ***
|
ВВЕДЕНИЕ
Основные проблемы повышения конструктивной прочности сварных изделий из перлитных и мартенситных сталей и сплавов титана связаны с высокой склонностью этих материалов к образованию холодных трещин при сварке и задержанному разрушению, а также с понижением пластичности и прочности соединений в сравнении с основным металлом. В ряде случаев известные методы упрочнения за счет легирования и термической обработки не позволяют удовлетворительно решать эту проблему без специальных методов регулирования структуры и свойств сварных соединений в процессе сварки. Указанные стали и сплавы титана обладают повышенной реакцией на термический цикл сварки, в результате чего в околошовной зоне, шве и других участках сварных соединений происходят неблагоприятные изменения структуры и свойств. К основным явлениям, лимитирующим повышение конструктивной прочности сварных изделий из этих материалов, следует отнести: развитие химической и физической неоднородности в сварных швах (внутрикристаллическая неоднородность, полигонизация), в околошовной зоне (рост зерна, перегрев) и на границе сплавления, образование хрупких закалочных структур в шве и околошовной зоне, разупрочнение основного металла в участках высокого отпуска или рекристаллизации обработки и т. д. В настоящее время исследователи и практики в области сварки располагают более широкими возможностями воздействия на металл сварных швов, чем на основной металл в зоне термического влияния и особенно в околошовной ее участке. К этим мерам улучшения свойств сварных швов относятся: использование присадочного металла, отличающегося от основного металла химическим составом или малым содержанием вредных примесей; применение защитных газов или специальных модифицирующих галоидных бескислородных флюсов, сварка без присадочного металла и т. д. Известные меры воздействия на основной металл в околошовной зоне и других участках зоны термического влияния (регулирование скорости охлаждения, длительности пребывания металла выше определенной критической температуры и т. п. путем изменения погонной энергии источников теплоты, применения специальных видов технологии многослойной сварки и подогрева, термообработки до и после сварки) не всегда приводят к положительным результатам. В большинстве случаев это обусловлено недостаточной исследованностью кинетики фазовых превращений и структурных изменений в специфических условиях термического цикла сварки, а в ряде случаев неудачной композицией основного металла и неправильным выбором присадочных материалов. Структурные изменения перлитных и мартенситных сталей и сплавов титана в твердом состоянии имеют много общих черт благодаря наличию полиморфных превращений. Близким является также и подход к регулированию структуры и свойств при сварке и термообработке. Однако имеется и ряд существенных отличий, предопределяющих неодинаковое поведение этих материалов в процессе обработки давлением, сварки, термической обработки и в эксплуатации. Наиболее существенными особенностями сплавов титана являются невозможность исправления грубой перегретой структуры путем фазовой перекристаллизации из-за малого объемного эффекта полиморфного превращения; высокая активность по отношению к атмосферным газам; способность образовывать гидриды; повышенная склонность к локальной внутризерепной деформации из-за отсутствия множественного скольжения у сплавов с а-структурой, имеющей плотноупакованную гексагональную решетку; замедленный эвтек-тоидный распад; относительно низкая теплопроводность; невысокий модуль упругости; малая разница между величинами пределов текучести и прочности и т. д. Из-за этих, а также некоторых других особенностей обеспечение высоких механических свойств сварных соединений ряда сплавов титана часто представляет собой более сложную задачу, чем при сварке перлитных сталей. Однако некоторые высокопрочные сплавы титана имеют ряд преимуществ в сравнении с мартенситными сталями с повышенным содержанием углерода, которые вследствие образования более хрупких закалочных структур обладают повышенной склонностью к растрескиванию. Уже из этого краткого анализа видно, что постановка параллельного исследования особенностей поведения этих материалов при сварке представляет определенный научный и практический интерес. Целесообразность такого подхода обусловлена еще и тем, что стали и сплавы титапа во многих случаях предназначаются для одинаковых объектов. Решение же вопроса о применении того или иного материала зависит не только от более высоких эксплуатационных показателей, но часто и от технологических преимуществ при производстве сварных конструкций. При написании монографии автор ставил перед собой задачу разработать и рассмотреть следующие основные вопросы теории и практики металловедения сварки сталей и сплавов титана: 1) особенности и закономерности фазовых превращений в сталях и сплавах титана различных систем легирования при нагреве и охлаждении в условиях термических циклов сварки; оценка степени влияния роста зерна, незавершенности процессов гомогенизации и воздействия пластической деформации при сварке на устойчивость высокотемпературных фаз и кинетику их превращений; 2) механизм задержанного разрушения сварных соединений закаливающихся сталей и сплавов титана с различным пределом текучести; оценка сопротивляемости этих материалов образованию холодных трещин при сварке в зависимости от химического состава и структурного состояния; 3) влияние параметров термических циклов сварки на структуру и свойства различных участков сварных соединений сталей и сплавов титана; 4) установление системы критериев (по допустимым значениям параметров термических циклов), позволяющих вести расчеты технологии и режимов однопроходной и многослойной сварки сталей и сплавов титана на основе уравнений теории распространения теплоты при сварке; определение этих критериев для сталей и сплавов титана различных структурных классов и систем легирования; разработка и систематизация методов предупреждения образования холодных трещин и регулирования структуры и механических свойств соединений в процессе сварки и путем рационального сочетания режимов термообработки до и после сварки; разработка новых путей повышения прочности и надежности сварных соединений с помощью термомеханической и механико-термической обработки. При сварке плавлением превращения в основном металле протекают в сложной и непрерывно изменяющейся обстановке, которая существенна отличается от термообработки. Наиболее важными процессами, определяющими характер и кинетику превращения в твердом состоянии, являются непрерывный нагрев и последующее охлаждение металла, а также развитие в нем деформаций и напряжений. В то же время фазовые превращения сами оказывают существенное влияние на кинетику развития деформаций и напряжений. Без достаточно полного представления об основных закономерностях этих процессов нельзя анализировать ни кинетику превращений, ни их влияние на технологическую и эксплуатационную прочность сварных соединений. Поэтому перед изложением особенностей фазовых превращений в характерных для сварки неравновесных условиях необходимо было кратко рассмотреть основные виды превращений в сталях и сплавах титана в твердом состоянии в изотермических условиях и дать анализ обстановки, в которой они протекают при сварке, т. е. обсудить закономерности связи между изменением температуры и развитием деформаций и напряжений. Монография состоит из семи глав. В гл. I рассмотрены основные положения теории фазовых превращений в металлах и сплавах в твердом состоянии, а также закономерности превращений железа, титана и их сплавов в изотермических условиях. В гл. II показаны условия их протекания в зоне термического влияния при сварке плавлением. В гл. III описаны новые методы и аппаратура для изучения кинетики фазовых превращений и изменений структуры и свойств металлов в неравновесных условиях при сварке и термомеханической обработке, а также для исследования задержанного разрушения и образования холодных трещин. В гл. IV приведены результаты исследования превращений при непрерывном нагреве, кинетики роста зерна и гомогенизации аустенита и 5-фазы сплавов титана при сварке. В гл. V рассмотрены основные закономерности фазовых превращений в условиях непрерывного охлаждения при сварке. В гл. VI изложен механизм задержанного разрушения сталей и сплавов титана, установлены критерии оценки этого явления и показано влияние легирующих элементов, параметров термического цикла и жесткости сварных соединений насопротивляемость этих материалов образованию холодных трещин при сварке. В гл. VII приведены характеристики свариваемости сталей и сплавов титана различных структурных классов и систем легирования, сформулированы критерии выбора технологии и режимов их сварки и показаны пути регулирования структуры и свойств сварных соединений как в процессе сварки, так и при последующей термической, термомеханической или механико-термической обработке. Главное внимание в монографии уделено процессам в зоне термического влияния не только в связи с тем, что они недостаточно рассмотрены в работах других авторов, но в основном потому, что наиболее резкие изменения структуры и свойств сплавов при сварке в однородных сочетаниях происходят именно в этой зоне сварных соединений. Однако исследования свариваемости сталей и сплавов титана лишь в зоне термического влияния не могли бы претендовать на полноту без одновременного анализа процессов в шве и на границе сплавления. Поэтому эти вопросы также рассмотрены в настоящей работе, хотя и в более ограниченном объеме. Включенные в монографию исследования выполнены под руководством автора в лаборатории теории сварочных процессов Института металлургии им. А. А. Байкова. Автор благодарит своего учителя, члена-корреспондента АН СССР Н. Н. Рыкалина за постоянное внимание и поддержку, которые он оказывал при постановке и проведении рассматриваемого комплекса работ, а также сотрудников В. В. Белова, Г. Е. Каинову, Г. Н. Клебанова, А. С. Котелкина, В. Н. Матханова, В. Н. Мещерякова, Г. В. Назарова, А. М. Сенина, Б. А. Смирнова и И. Ф. Суркову, которые участвовали в создании аппаратуры и проведении экспериментальной части исследований. |
