ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Термическая обработка стали и, как частный случай, термическая обработка сварных соединений включает различные операции теплового воздействия на металл, при котором происходят различные изменения строения, фазового состояния, напряженного состояния и, соответственно, свойств, уровня свободной энергии фаз, величины и распределения микро- и макронапряжений.

Назначение термической обработки сварных соединений:

- снятие или снижение уровня остаточных сварочных напряжений;

- восстановление или улучшение структурного состояния и свойств металла в ЗТВ, на которую нагрев сварочным источником теплоты оказал неблагоприятное влияние;

- рекристаллизация и улучшение качества соединения в результате протекания диффузионных процессов при методах сварки давлением.

Общие положения термической обработки

Сварных соединений

Для различных по составу и фазово-структурному состоянию сталей и их сварных соединений в зависимости от поставленной цели применяют различные виды термической обработки, связанные с различными условиями нагрева до определенной температуры, продолжительностью пребывания при этой температуре, различными условиями охлаждения. При этом под различиями в условиях охлаждения подразумевают как различную скорость охлаждения, так и ступенчатое охлаждение с задержкой снижения температуры на определенное время.

Существуют различные подходы к классификации видов термической обработки сварных соединений – по температуре нагрева, скорости охлаждения, влиянию на свойства и т. д. Рассмотрим виды термической обработки сталей с точки зрения их влияния на свойства различных зон и сварного соединения в целом. Термическая обработка влияет:

– на изменение фазового состояния и микроструктуры стали, на повышение микро- и макронапряжений;

– на повышение прочности и вязкости стали, на снижение уровня остаточных сварочных напряжений.

Известно, что различные фазы в сталях имеют различное кристаллическое строение, химический состав и микроструктуру. Эти различия и являются одной из основ изменения свойств стали и уровня внутренних напряжений. В сталях могут существовать твердые растворы на основе γ-железа – аустенит с различным содержанием углерода и легирующих элементов. Эта фаза является сравнительно мягкой (НВ 190…300) и очень вязкой.

Ударная вязкость аустенитных сталей 2…3 МДж/м². Она обладает повышенной хладостойкостью, что достигается в основном легированием никелем. Устойчивости этой фазы к распаду и переходу в другие фазы при охлаждении способствует легирование углеродом, марганцем, никелем, хромом, азотом и другими элементами. Поэтому стали, сохраняющие аустенитное состояние после охлаждения до нормальной и более низкой температуры, содержат большое количество никеля или марганца, или обоих элементов вместе и часто легируются азотом. Аустенит является также основой многих жаропрочных сталей. Это связано с тем, что скорость диффузии в аустените ниже, чем в другой фазе – феррите, который может быть основой стали. Пониженная скорость диффузии замедляет коагуляцию упрочняющих дисперсных фаз при эксплуатационных нагревах аустенитных сталей. Кроме того, сам характер разрушения аустенитного сплава с ГЦК- решеткой предопределяет его повышенную жаропрочность. Для повышения жаропрочности аустенитных сталей их легируют элементами (Mo, W, V, Al, Ti и др.), дающими устойчивые дисперсные упрочняющие фазы – карбиды или интерметаллиды.

В связи с тем, что аустенитные стали содержат большое количество никеля и хрома, они обладают повышенным сопротивлением электрохимической коррозии. Кроме того, наличие в аустените значительных количеств хрома приводит к образованию на поверхности защитной пассивной пленки.

Таким образом, аустенит является основой (матрицей) высоколегированных сталей, имеющих специальные свойства – высокие хладостойкость, жаропрочность и кислотостойкость.

Другой фазой, которая может быть основой нелегированных и низко- или среднелегированных сталей, является феррит. Как отмечалось, феррит – раствор углерода в α-железе – также является мягкой фазой, более мягкой и менее вязкой, чем аустенит (НВ 90…200, KCU = 0,8…1,0 МДж/м²). Феррит не обладает высокой хладостойкостью, жаропрочность сталей на основе феррита значительно ниже, чем сталей на основе аустенита. Низко- и среднелегированные ферритные стали не кислотостойки, кислотостойки только ферритные стали с большим содержанием хрома – за счет наличия на их поверхности пассивной пленки окислов хрома.

Карбидная фаза представляет собой химическое соединение углерода с одним или несколькими металлами. Карбиды могут иметь твердость до НВ 3000, а иногда и несколько выше. Наиболее мягким является карбид железа, имеющий твердость НВ 1050. Карбиды являются хрупкой фазой. Для процессов, происходящих при термической обработке, наличие карбидов в стали имеет большое значение, так как одним из условий нагрева при упрочняющейили разупрочняющейобработке является растворение карбидов при нагреве с переходом в γ-твердый раствор углерода и легирующих элементов. Карбиды могут упрочнять сталь и при их выделении в дисперсной форме из феррита или аустенита в процессе старения.

Другое значение карбидов при термической обработке заключается в том, что при определенных условиях охлаждения конструкционных сталей после нагрева до аустенитного состояния, чаще всего при охлаждении на воздухе или высокого отпуска закаленной стали,карбиды с определенной долей феррита образуют новые фазы – перлит и сорбит, обладающие хорошим сочетанием прочности и вязкости (особенно сорбит).

В конструкционных углеродистых, низко- и среднелегированных сталях особое значение имеет неравновесная фаза – мартенсит. Она представляет собой пересыщенный раствор углерода в α-железе, образуется по особому механизму и обладает высокими прочностью и твердостью (тем выше, чем больше содержится в мартенсите углерода) и низкими пластичностью и ударной вязкостью.

Происходящие при различных операциях термической обработки изменения структуры вносят свой вклад в изменение свойств сталей. Изменение структуры, состоящее в изменении размеров и состояния фазовых составляющих, определяет изменения в движении и торможении дислокаций и тем самым сопротивление деформации и предельную величину деформации при нагружении стали. Наличие в аустенитной или ферритной матрице избыточной фазы в дисперсном состоянии или даже в состоянии предвыделения приводит к рассредоточенному множественному блокированию движения дислокаций и тем самым к значительному упрочнению стали. При этом, естественно, несколько снижаются пластичность и ударная вязкость стали. К образованию таких выделений чаще всего приводит нагрев с длительной выдержкой при температуре 300…600 ⁰С в зависимости от состава стали (старение).

Увеличение длительности нагрева, а в большей степени повышение его температуры способствует развитию диффузионных процессов, приводящих к увеличению размеров выделений избыточной фазы (карбидов, интерметаллидов). Уменьшается количество точек блокирования дислокаций, расчищаются отдельные участки основы стали, что сопровождается разупрочнением и повышением пластичности и ударной вязкости. Такие процессы коагуляции избыточной фазы происходят при отпуске и отжиге стали.

Важным является образование мартенсита.

При образовании мартенсита из аустенита, что связано с переходом γ-железа, в котором растворимость углерода высока (>2 %),в α-железо, в котором равновесная растворимость углерода крайне низка (< 0,01 %), весь содержавшийся в аустените углерод фиксируется в α-железе, образуя сильно пересыщенный неравновесный раствор. Такое пресыщение α-твердого раствора углеродом приводит к сильным искажениям кристаллической решетки α-железа, сдвигам в атомных плоскостях и, как следствие, к созданию высокой плотности дислокаций. Степень искажения решетки α-железа и плотность дислокаций тем выше, чем выше содержание углерода в стали.

γ→α-переход связан с увеличением объема. Для стали А → М превращение связано с увеличением объема приблизительно на 1…4 %, в зависимости от содержания в стали углерода.

При локальном нагреве и охлаждении стальных изделий между закаленной и незакаленной зонами возникают зональные напряжения, которые тем выше, чем больше углерода в стали. Эти напряжения при охлаждении возрастают, благодаря разности коэффициентов объемного сжатия таких зон.

Надо также иметь в виду, что мартенсит является метастабильной неустойчивой фазой и при увеличении подвижности атомов при нагреве начинает переходить в устойчивое фазовое состояние (Ф + К). При этом из мартенсита выделяются карбиды в очень мелком (дисперсном) состоянии. Эти карбиды, если сам мартенсит является низкоуглеродистым, могут его упрочнять, создавая эффект старения. При дальнейшем повышении температуры нагрева (отпуска) происходят обособление и коагуляция карбидов с соответствующим изменением свойств.

Теперь следует остановиться на характеристике различных видов термической обработки, связывая их с процессами изменения свойств, происходящими в зонах сварных соединений, подвергающихся тепловому воздействию сварочного источника теплоты.

Для разных по составу сталей воздействие сварочной теплоты на зоны свариваемой стали, примыкающие к сварному шву, будет различным. В соответствии с этим различными будут задачи последующей термической обработки сварных соединений.

Закалка аустенитных сталей заключается в нагреве до температуры 1050…1200 ⁰С, в зависимости от состава стали, с последующим охлаждением на воздухе, в масле или воде. При такой обработке в аустените растворяются карбиды, и сталь становится более гомогенной, однородной, часто чисто аустенитной. Такую обработку называют аустенитизацией.

Закалка конструкционных сталей заключается в нагреве до температуры, которая на 50…100 ⁰С выше температуры завершения перехода феррита в аустенит, небольшой выдержке для обеспечения завершения этого перехода и охлаждении со скоростью, большей критической. Обычно для конструкционных сталей температура нагрева под закалку находится в пределах от 820 до 920 °С в зависимости от содержания в стали углерода и легирующих элементов. Продолжительность выдержки после прогрева около 20 мин. Охлаждение сталей в воде, масле или на воздухе также зависит от содержания легирующих элементов в стали. В результате закалки конструкционных сталей основной фазой в них должен стать мартенсит, обладающий высокой прочностью, низкой вязкостью и пластичностью.

Высокий отпуск закаленных конструкционных сталей состоит в нагреве до температуры, которая ниже температуры перехода перлита в аустенит (Ас₁).Обычно для сталей разного состава температура высокого отпуска различна и находится в пределах от 550 до 650 ⁰С. При высоком отпуске закаленных конструкционных сталей происходит распад мартенсита с образованием мелкой ферритно-цементитной смеси – сорбита. При более высокой тем­пературе отпуска частицы смеси получаются более крупными. Распад мартенсита и образование сорбита обусловливают понижение прочности и повышение пластичности и ударной вязкости стали. Высокий отпуск конструкционных сталей является завершающей операцией термической обработки, позволяющей получить хорошее сочетание прочности и ударной вязкости.

Старение с выделением новой фазы в дисперсном виде из твердого раствора приводит к блокированию движения дислокаций и, соответственно, к повышению прочности сплава и некоторому понижению его пластичности и ударной вязкости. Такая обработка используется в основном для жаропрочных аустенитных, низкоуглеродистых высоколегированных мартенситностареющих и низкоуглеродистых низколегированных конструкционных сталей. Для создания дисперсной фазы, которая может представлять собой карбиды, интерметаллиды и карбонитриды, в аустенитные жаропрочные стали вводят ванадий, ниобий, титан, молибден, алюминий; в конструкционные низколегированные стали – ванадий, алюминий, азот; в высоколегированные мартенситно-стареющие – молибден, титан, никель, кобальт. Старение также является завершающей термической обработкой после закалки, обусловливающей растворение крупных частиц второй фазы, для последующего ее выделения при старении в дисперсном виде. Температура старения может составлять от 300 до 650 ⁰С.

Нормализация представляет собой нагрев до температуры несколько выше температуры нагрева под закалку с последующим охлаждением на воздухе. Такая операция производится для нормализации зерна в стали. При этом обеспечиваются перекристаллизация и измельчение зерна перегретой стали (например, при горячей пластической деформации), получение равновесного зерна у стали после холодной пластической деформации, некоторая гомогенизация и измельчение зерна металла отливок. Нормализация применяется как операция термической обработки заготовок перед их механической обработкой, как подготовительная операция перед закалкой с отпуском для обеспечения равномерности свойств после этих операций.

Этот вид термической обработки применяется, как правило, для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей. Для конструкционных сталей с повышенным содержанием легирующих элементов (2…4 % Ni, 3…5 % Сг, >1,5 %Mn) применение нормализации неэффективно, так как для этих сталей охлаждение на воздухе после нагрева до аустенитного состояния может привести к частичному или полному образованию мартенсита.

Отпуск для снятия напряжений не преследует цели изменения фазового состояния или структуры стали, однако эти изменения очень часто сопутствуют такому отпуску. Целью рассматриваемой операции является снижение микро- или, чаще, макронапряжений в обрабатываемом изделии.

Микронапряжения в сталях являются следствием получения неравновесных фаз с высокой свободной энергией или неравномерных фазовых превращений. Отпуск путем теплового воздействия и увеличения подвижности атомов, образующих кристаллическую решетку железа или растворенных в ней атомов легирующих элементов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние, снижению уровня свободной энергии и, соответственно, снижению микронапряжений, локализующихся на уровне ячеек кристаллической решетки и зерен. Образование пересыщенных твердых растворов, каким, прежде всего, является мартенсит закалки, связано с наличием больших искажений пересыщающими атомами углерода элементарной ячейки α-железа. Эти искажения порождают микронапряжения в решетке, вызванные силами атомного взаимодействия образующих ее атомов. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада перенасыщенного раствора (мартенсита), предвыделению и выделению из него атомов углерода, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений. Таким образом, для сталей, закаленных на мартенсит, снижение уровня микронапряжений начинается с температуры ~150 ⁰С и завершается после окончания выделения углерода из решетки α-железа и началом коагуляции образовавшихся карбидов (350…450 ⁰С). Другим фактором, создающим микронапряжения, является деформация – искажение кристаллической решетки механическим воздействием (наклеп). Такое искажение кристаллической решетки вызывает повышение уровня свободной энергии и появление микронапряжений. Снять эти напряжения можно при нагреве на 150…250 ⁰С. Процесс этот часто называют возвратом (возврат к неискаженной кристаллической решетке).

Возникновение микронапряжений сказывается на свойствах стали — повышается прочность и снижается ударная вязкость, поэтому снятие микронапряжений приводит к некоторому снижению прочности и повышению ударной вязкости.

Явления, вызывающие макронапряжения, иные. Они связаны с неравномерностью или неодновременностью объемных изменений в стали. Объемные изменения, происходящие при термической обработке и сварке, связаны с термическим расширением стали при нагреве и с термическим сжатием при охлаждении. Другой причиной объемных изменений является изменение объема, сопровождающее структурные превращения в стали. Так, при охлаждении А → (Ф + П)-превращение связано с изменением удельного объема металла на 1 %, а А → М-превращение – с изменением до 4 %. Особенно важно то, что А → М-превращение идет при температуре, при которой металл теряет пластичность, свойственную ему при повышенной температуре (например, для нелегированной стали при температуре не выше 450 ⁰С), и происходящие изменения объема вызывают, в основном, упругие деформации, при затруднении возникновения которых появляются упругие напряжения.

Если упругие изменения объема происходят при нагреве, то возникающие напряжения являются временными, так как они исчезнут, когда весь металл изделия или в какой-либо его части перейдет в пластическое состояние и будет легко деформироваться в результате имевшихся напряжений.

Если упругие изменения объема происходят при охлаждении, то возникающие вследствие этого напряжения являются остаточными (постоянными).

Суммарные остаточные напряжения при термической обработке будут определяться суммированием (наложением) остаточных напряжений от теплового изменения объема и структурных изменений. При этом надо иметь в виду, что напряжения от структурных изменений будут зависеть от содержания углерода в стали и скорости охлаждения. Поэтому для среднеуглеродистых сталей (в отличие от низкоуглеродистых) после закалки суммарные остаточные напряжения будут отличаться от остаточных напряжений после нормализации или отжига.