К какой группе свариваемости относится сталь 15хснд. Среднеуглеродистые и высокоуглеродистые конструкционные стали. Теплоустойчивые и высокопрочные стали

Классификация сталей. Принципы классификации .

По назначению: конструкционные, пружинные, инструментальные, котельные, судовые и тд.

по свойствам: кислотостойкие, жаростойкие, теплоустойчивые, быстрорежущие и тд,

биметаллические материалы и методы их получения

по химическому составу: по содержанию углерода (до 0,25; 0,25…0,45; свыше0,45…или свыше 0,5%С.; по раскисленности(к, пс, с, Табл.1); по методам контроля(только х/с; х/с и свойства; обьем контроля свойств); по содержанию легирующих элементов(н/л Σ≤5% и ≤2% каждого; с/л 5…10% и в/л > 10%);сплавы

Сварка низкоуглеродистых сталей

Стали с высоким содержанием хрома и никеля. Эти высоколегированные стали охватывают широкий спектр композиций. Их нержавеющие, коррозионные и термостойкие свойства варьируются в зависимости от содержания сплава и обусловлены образованием очень тонкой оксидной пленки, которая образуется на поверхности металла. Искры соломы окрашены около шлифовального круга, а белые - ближе к концу полосы. Существует средний объем полос, имеющих умеренное количество раздвоенных всплесков.

Марганец используется в стали для получения большей ударной вязкости, износостойкости, более легкой горячей прокатки и ковки. Увеличение содержания марганца снижает свариваемость стали. Стали, содержащие марганец, производят искру, подобную углеродной искре. Умеренное увеличение марганца увеличивает объем искрового потока и интенсивность всплесков. Сталь, содержащая более чем нормальное количество марганца, будет производить искру, подобную высокоуглеродистой стали с более низким содержанием марганца.

по способу выплавки: электро-(дуговые, плазменные, шлаковые), в индукционных печах (втч, вакуумные), конверторные, бессемеровские, мартеновские

по способу переработки: холодно- или горячекатаные, литые, кованные

по свариваемости

Химический состав стали ГОСТ 380 по плавочному анализу ковшовой пробы должен соответствовать нормам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1

Кое что о металлах.

Маркировка сталей:

Например: Ст 3псВ3, Сталь 20,

Сталь 15 Х1М1ФА

*– только в высоколегированных сталях, не в конце.

Основной легирующий элемент – углерод

Бронзы например Бр.АЖМц10-3-1,5(алюминий,железо,марганец); Бр.КМц3-1; МНЖКТ5-1-0,2-0,2(медь, никель,железо,кремний,титан)

Понятие свариваемости.

Под физической свариваемостью понимают совокупность таких свойств металлов и сплавов, как способность их к взаимной растворимости и диффузии в твердом и жидком состояниях, совместной кристаллизации расплавленных основного и присадочного металлов.

Технологическая свариваемость является комплексной характеристикой металла, отражающей его реакцию на процесс сварки и определяющей его относительную техническую пригодность для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям последующей их эксплуатации. Чем больше количество применимых к данному металлу способов сварки и шире для каждого способа сварки пределы оптимальных режимов, обеспечивающих возможность получения сварных соединений требуемого качества, тем лучше его технологическая свариваемость. Определение понятия свариваемости приведено в ГОСТ 29273-92.

«Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.»

Качественные оценки свариваемости сталей получили широкое распространение в производственной практике как оценки степени свариваемости:

I – хорошая свариваемость – когда в заданных (достаточно широких) технологических (режимы) и конструктивных (способ) условиях удовлетворяются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений;

II – удовлетворительная свариваемость – когда она обеспечивается выбором рационального режима сварки и его соблюдением в процессе изготовления изделия;

III – ограниченная свариваемость – когда необходимо применять специальные технологические мероприятия или изменять способ сварки;

IV – плохая свариваемость – когда даже при всех принятых специальных технологических мероприятиях не достигаются требуемые эксплуатационные свойства сварных соединений.

При оценке свариваемости главным образом при помощи проб определяют три характеристики: – стойкость против кристаллизационных трещин; – отсутствие трещин в околошовной зоне; – отсутствие перехода металла ЗТВ в хрупкое состояние. Для выс. лег. сталей еще и потеря коррозионной стойкости.

Таким образом при оценке свариваемости должны учитываться во взаимосвязи: – свойства материалов; – тип, габариты и назначение конструкции; – технология сварки.

Испытания на свариваемость.

Методы испытания стойкости к горячим трещинам (образцы переменной жесткости)

Методы испытания стойкости шва и околошовной зоны к появлению холодных трещин (образцы повышенной жесткости).

Методы испытания всех зон на переход в хрупкое состояние (мех. испытания, структурный анализ).

Испытания на стойкость к потере технологических свойств (коррозионных, механических, износостойкости и др).

Теплоустойчивые и высокопрочные стали

Наилучшие результаты получаются при небольшом круговом движении электрода с площадью переплетения, не превышающей двух диаметров с электроприводом. Никогда не используйте шаблон полного переплетения. Паттерн частичного переплетения не должен превышать вдвое больше диаметра электрода. Иногда рекомендуется подшивать шов, чтобы уменьшить напряжение при охлаждении больших деталей. Сварные сварные швы должны быть гладкими и правильно очерченными. Избегайте трещин ног и подрезания. Электроды, используемые для сварных швов, должны иметь меньшую прочность, чем те, которые используются для стыковой сварки.

Факторы влияющие на переход металла в хрупкое состояние:

Внутренние:

– соединения фосфора

– укрупнения зерна

– нитриды (азот)

– гидриды и флокины (водород)

– выпадение охрупчивающих фаз (интерметаллиды)

– концентраторы напряжений

– динамическое нагружение

– низкие температуры.

Основные свойства материалов (металлов) влияющие на их свариваемость.

Физические:

Одно, двух или многофазная структура (например Tiα или α + β, сталь А или А + Ф)

Наличие фазовых переходов в твердом состоянии (полиморфизм)

Температуры фазовых переходов (в т ч – плавления)

Температуры плавления возможных (наиболее частых) химических соединений металла

Растворимость газов в твердой и жидкой фазах

Коэффициент линейного расширения (18-8)

Пластичность в различных диапазонах температур

Вязкость жидкого металла и ее зависимость от температуры (чугун, титан)

Теплопроводность

Плотность

Способность поглощать или отражать фотоны (при лазерной сварке)

Магнитные свойства.(например, в сталях при ЭЛС или магнитное дутье при РДС, пермаллой)

Химические:

Химическая активность при различных температурах

Экзо или эндо- термические реакции

Влияние пассивационных пленок

Склонность к образованию карбидов, боридов и др.

Токсичность (цинк, свинец, бериллий)

Технологические:

Склонность к образованию горячих трещин

Вероятность образования хрупких структур (в т ч закаливаемость)

Склонность к росту зерна

Состояние поставки (история): литье, нагортовка, термообработка, горячая ковка и т. д.

Загрязненность примесями

Дефектность (поры, расслоения, включения) α

Состояние поверхности

Толщина и геометрические формы

Соответствие чертежу

(Все эти факторы применительно к каждому материалу инженер сварщик должен знать и учитывать)

Основные факторы определяющие свариваемость конструкционных материалов.

Свариваемость сталей : определяется содержанием углерода, других легирующих и толщиной.

Низкоуглеродистые стали (Рис.14) с содержанием углерода С0,20 % свариваются без ограничений, С = 0,21…0,25% иS100 мм – требуется подогрев 100…150 о С.

Почему нужен подогрев? Для уменьшения напряжений нужно уменьшать погонную энергию, но при этом растет скорость охлаждения и вероятность появления трещин.

Низколегированные конструкционные стали: 15ГС, 16ГН, 09Г2С и др. приS30 мм свариваются также, как и низкоуглеродистые. ПриS> 30 мм подогрев 100…150 о С.

Низколегированные теплоустойчивые стали (хромо-молибденовые) см таблицу (Рис.14), требуют предварительного подогрева и последующей термической обработки.

Среднелегированные стали повышенной прочности варятся только с подогревом и последующей термической обработкой. Для оценки температуры предварительного подогрева используются эмпирические уравнения влияния легирующих элементов на склонность к хрупкому разрушению. У разных авторов могут различаться набор элементов и коэффициенты при них, но принцип построения сохраняется. В частности по Д. Сефериану с учетом толщины стали:

Т предв. подогр.= 350 ,

С э = С% + 1/9(Mn% + Cr%) + 1/18Ni% + 1/13Mo%.

S– толщина стенки, мм

В случае невозможности подогрева и ТО всей конструкции применяют предварительную наплавку на свариваемые кромки с использованием сварочных материалов не склонных к образованию трещин.

Высоколегированные стали в зависимости от класса могут по-разному воспринимать цикл сварки.

Большое количество легирующих элементов может приводить к химической и, как следствие, структурной неоднородности.

Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов склонны к закалке и требуют подогрева.

Стали легированные азотом могут образовывать хрупкие трещины в ЗТВ.

Стали аустенитного класса склонны к горячим трещинам. Избежать их можно, добавив в металл шва 5…10% ферритной фазы. Рассчитать требуемый хим состав металла шва позволяет диаграмма Шефлера (Рис. 15).

Важным для высоколегированных сталей является не допустить в процессе сварки потери эксплуатационных свойств (прочности, жаростойкости, коррозионной стойкости и тд).

Особенностями высоколегированных хромо-никелевых сталей являются:

– низкая теплопроводность

– большой коэффициент линейного расширения (≈в 1,5 раза больше, чем углеродистых сталей)

– большая вязкость жидкого металла.

Разнородные стали

Свариваемость соединений из сталей относящихся к разным структурным классам связана, в основном, с тремя факторами:

– Существенное различие коэффициентов линейного расширения

– Образование хрупких структур в шве в процессе перемешивания

– Развитие структурной неоднородности (как правило, в зоне сплавления) в следствие, в том числе, диффузии углерода в строну металла с большей предельной растворимостью.

(Процесс диффузии углерода в сталях (при сварке, термообработке и эксплуатации) начинается с 350 о С и наиболее интенсивно идет в интервале 550…800 о С.)

– Возникшие напряжения в сварных соединениях разнородных сталей нельзя снять (или уменьшить) термообработкой.

Алюминий и его сплавы .

Сварка чистого Alпроизводится редко в основном в электротехнической промышленности где используется холодная сварка давлением.

Alсплавы делятся на две большие группы: термоупрочняемые и деформируемые т.е. упрочняемые наклепом (нагортовкой, деформацией). Общие для всех сплавов проблемы свариваемости следующие:

На поверхности металла всегда имеется плотная тугоплавкая пленка Al 2 О 3 , с температурой плавления 2050 о С, при Т пл Al= 660 о С. Пленка препятствует растеканию и смачиванию жидкого металла и образует острые чешуйчатые оксидные включения.

Высокая жидкотекучесть и резкое падение прочности твердого металла при высоких температурах (вблизи Т пл) приводит к возможности проливания сварочной ванны.

Большая теплопроводность требует применения источников большой мощности или высокой концентрации мощности.

Большая величина коэф. линейного расширения и низкий модуль упругости определяют высокую опасность деформирования конструкции.

Высокая растворимость газов (в первую очередь водорода) в жидком металле и очень низкая в твердом металле приводит к выделению 90…95% газа в момент кристаллизации, что приводит к интенсивной пористости.

Грубая столбчатая кристаллическая структура шва способствует развитию структурной неоднородности и наряду с П2 появлению горячих трещин особенно у сплавов типа АМг и АМц. (Al-Mg; Al-Mn)

При сварке деформируемух сплавов происходит существенная потеря прочности в зоне рекристаллизации (АМг и АМц).

Термо упрочняемые сплавы системы Al-Zn-MgилиAl-Cu-Mg(дюрали), или сплавы с большим содержаниеSi≥5% (силумины) склонны к охрупчиванию и появлению холодных трещин через некоторое время после сварки.

Технологические приемы применяемые при сварке: качественная очистка места сварки (травление, механическая очистка); подформовка стыка; переменный ток или обратная полярность; правильный выбор присадочного материала.

Титан и его сплавы .

Химически активный конструкционный материал – горит в чистом азоте.

Т пл 1665С. При нормальной температуре закрыт плотной оксидной и нитридной пленкой. Способен растворять водород в больших количествах. Максимальная растворимость водорода при Т1200С. В этой точке ЗТВ наиболее вероятно охрупчивание. Газы образуют с металлом химические соединения (TiO 2 ,TiN,Ti 3 N,TiH 2), которые при повышении температуры растворяются в металле, приводя к снижению пластичности. Содержание газов в металле должно быть ограничено: кислорода до 0,15%, азота до 0,05%, водорода до 0,01%.

Титан имеет полиморфное превращение ↔при температуре 882С, поэтому в процессе остывания первичная кристаллическая структура измельчается, что способствует хорошей свариваемости однофазных– сплавов. Двух фазные+сплавы обладают повышенной прочностью и твердостью, но при сварке склонны к образованию хрупких структур и трещин.

Физические особенности:

Коэффициент теплового расширения в 1,5 раза меньше, чем у углеродистых и в 3 раза меньше, чем у высоко легированных аустенитных сталей. Теплопроводность низкая примерно в 2,5 раза ниже, чем у стали, но в интервале температур 1500 ↔Т пл увеличивается почти в 5 раз. Вязкость жидкого металла при средней температуре сварочной ванны в 5 раз больше чем при Т пл, что приводит к образованию газовых полостей и подрезов при автоматической сварке.

Т.о, физико-технологические свойства для большинства титановых сплавов положительные, при условии хорошей защиты.

Медь и ее сплавы .

Характерной проблемой при сварке меди является ее высокая теплопроводность (в 9 раз больше, чем у стали, и в 14 раз больше, чем у нержавеющей стали) и низкая температура плавления 1083С, поэтому сварка меди идет, как правило, с малой скоростью при большом тепловложении и вся конструкция прогрета.

Медь весьма пассивна. Очень мала растворимость водорода, азот по отношению к меди вообще является инертным газом. Окислы имеют Т пл выше чем Т пл (Cu) и всплывают на поверхность сварочной ванны. (CuO– 1336,Cu 2 O– 1235С), при повышенном содержании кислорода образуется эвтектикаCu-Cu 2 Oс температурой плавления 1064С, снижающая пластичность металла.

Латунь (Cu+Zn),Zn– 10…40%. Цинк легко окисляется. Окись цинка – летучее ядовитое соединение. В результате испаренияZn(Т кипения 907С) образуется пористость.

Сплавы меди с другими металлами (кроме Zn) называются бронзами. В качестве конструкционных применяются:

– оловянистые

– алюминиевые

– хромистые

– бериллиевые и др.

Каждая имеет свои проблемы: – оловянистые хорошо сваривается, но склонны к пористости из-за кипения олова; – при сварке алюминиевых бронз (1,5…8%Al), с поверхности приходится удалять окисную пленку, как при сваркеAl; – хромистые бронзы (БрХ1, БрХ07) почти чистая медь; – бериллий еще более ядовит, чем цинк, поэтому бериллиевую бронзу как правило не сваривают.

Цирконий.

По свариваемости и физико-химическим свойствам очень близок с титаном, но еще более активен по отношению к газам. Сварку выполняют преимущественно в камерах с Ar. Для сварных конструкций обычно используют не чистыйZr, а его сплавы с небольшим количеством ванадия или ниобия для повышения пластичности.

Магний.

Сварочные проблемы такие же как и у Al, однако окисная пленкаMgOеще более тугоплавкая (2500 о С), но более рыхлая и не так плотно держится на поверхности. Кроме того,Mgспособен воспламеняться на воздухе. Для конструкций применяются сплавы сAl(МА-1, МА-3).

Тугоплавкие металлы .

Вольфрам, молибден, тантал, ниобий.

Являются весьма активными при высоких температурах и образуют, как правило, хрупкие сварные соединения, особенно MoиW. Сварку тугоплавких металлов ведут обычно в вакууме электронным лучом.

Бериллий.

Активный и ядовитый металл, при этом очень легок и прочен. Сваривают только диффузионной сваркой в вакууме.

Полиэтилен и другие пластмассы

Не электропроводный и плохо теплопроводный материал, что приводит к неравномерному нагреву по толщине стенки (трубы). Применяют нагрев с помощью ТЭНов (радиационный), ВЧ индукторов, потоков горячего воздуха с последующим сдавливанием или вдавливанием присадки.

Под свариваемостью понимается способность стали данного химического состава давать при сварке тем или иным способом высококачественное сварное соединение без трещин, пор и прочих дефектов. От химического состава стали зависит ее структура и физические свойства, которые могут изменяться под влиянием нагрева и охлаждения металла при сварке. На свариваемость стали влияет содержание в ней углерода и легирующих элементов. Для предварительного суждения о свариваемости стали известного химического состава можно подсчитывать эквивалентное содержание углерода, пользуясь формулой

По признаку свариваемости все стали можно условно разделить на четыре группы:

1. Хорошо сваривающиеся у которых экв не более 0,25. Эти стали не дают трещин при сварке обычным способом, т. е. без предварительного и сопутствующего подогрева и последующей термообработки.

2. Удовлетворительно сваривающиеся, у которых С экв в пределах 0,25—0,35; они допускают сварку без появления трещин, только в нормальных производственных условиях, т. е. при окружающей температуре выше 0°С, отсутствии ветра и пр.

К этой же группе относят стали, нуждающиеся в предварительном подогреве или предварительной и последующей термообработке для предупреждения образования трещин при сварке в условиях, отличающихся от нормальных (при температуре ниже 0° С, ветре и др).

3. Ограниченно сваривающиеся, у которых С экв в пределах 0,35—0,45; они склонны к образованию трещин при сварке в обычных условиях. При сварке таких сталей необходима предварительная термообработка и подогрев. Большинство сталей этой группы подвергают термообработке и после сварки.

4. Плохо сваривающиеся, у которых С экв выше 0,45; такие стали склонны к образованию трещин при сварке.

Их можно соединять только с предварительной термообработкой, подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой. Для металла небольшой толщины предельное значение С экв можно повысить до 0,55. Температура предварительного подогрева для низколегированных сталей в зависимости от величины С экв принимается следующей:

Предварительный подогрев замедляет охлаждение и предохраняет от появления холодных трещин при сварке.

Свариваемость стали определяют также различными пробами. С помощью проб устанавливают, не появляется ли при сварке данной стали хрупких структур в металле шва и околошовной зоне, способствующих образованию трещин.

Наиболее простой является технологическая проба, при которой к листу из испытуемой стали приваривают втавр односторонним угловым швом прямоугольную пластину (рис. 127, а). После остывания на спокойном воздухе пластину сбивают молотком, разрушая шов со стороны его вершины. Если будут обнаружены следы ранее образовавшихся трещин или разрушений в виде вырывов основного металла вблизи шва, то сталь является ограниченно сваривающейся и требует предварительного подогрева и последующей термообработки.

Склонность к образованию холодных трещин более толстой стали можно проверять пробой по способу Кировского завода (рис. 127, б, виг). В середине квадратного (130x130 мм) образца делается выточка диаметром 80 мм. Толщина а оставшейся части образца равняется 2, 4, 6 мм. В выточку наплавляют один или два валика (см. рис. 127, виг), охлаждая донышко снаружи воздухом или водой. Если при наплавке валика и охлаждении водой образец не дает трещин, сталь считается хорошо сваривающейся. Если трещины появляются при охлаждении водой, но не возникают при охлаждении на воздухе, то сталь считается удовлетворительно сваривающейся. Сталь считается ограниченно сваривающейся, если

образец дает трещины и при охлаждении на воздухе. Такую сталь нужно сваривать с предварительным подогревом до 100—150° С.

Плохо сваривающейся считается сталь, образец которой дает трещины даже при предварительном подогреве до 100—150° С. Такая сталь требует при сварке предварительного подогрева до 300° С и выше.

Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.06.01