Горячие трещины в сварных соединениях

Горячие трещины (ГТ) при сварке – хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и ЗТВ, возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких Т (рис. 20).

Рис. 20. Характерные места расположения горячих трещин	Потенциальную склонность к ГТ имеют конструкционные и легированные стали при любых видах сварки плавлением, и чаще всего они возникают в сплавах с кристаллическим строением, с повышенной локальной концентрацией легкоплавких фаз (аустенитные, ферритные и другие стали). ГТ подразделяются на кристаллизационные и подсолидусные.
Рис. 21. Характер изменения прочности G и пластичности П металлов и сплавов при нагреве до Тл	Способность сварного соединения воспринимать без разрушения деформации, связанные с термодинамическим циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности. Образование кристаллизационных ГТ обусловлено характером изменения прочности G и пластичности П металлов и сплавов при нагреве до Тл (рис. 21).

В области нагрева до Т < Т_л прочность и пластичность сплавов резко падают. Пластичность остается на весьма низком уровне, а затем опять повышается. Такое изменение свойств можно объяснить, рассмотрев процесс кристаллизации металла из жидкого состояния (рис. 22).

Рис. 22. Схема, иллюстрирующая механизм деформирования

сплавов в жидко-твёрдом (а) и твёрдо-жидком (б) состояниях

Металл, нагретый до расплавления, охлаждается, и, начиная с Т_п, в нем образуются зародыши твердой фазы, и, пока их мало, пластичность расплава не отличается от пластичности жидкости.

Прочность такого жидко-твёрдого расплава близка к нулю, т.е. сопротивление деформации практически отсутствует.

Начиная с Т = Т_вг (температура верхней границы хрупкости), металл переходит в стадию твердо-жидкого состояния, при котором возможность жидкости перетекать между затвердевшими зернами резко уменьшается.

При деформировании происходит их заклинивание и дальнейший процесс становится возможным только в случае пластической деформации самих зерен либо смещения их друг относительно друга.

Деформация такого двухфазного агрегата при условии сохранения сплошности в направлении действия сил Р возможна только при смятии отдельных точек контакта зерен (рис. 22, б, 1–2, 3–7 и т.д.), повороте прилегающих зерен и их деформации.

На ранней стадии сохраняется возможность некоторого протекания жидкости в межзеренном пространстве.

Прочность закристаллизовавшейся твердой фазы в этот период намного больше, и, если наступает разрушение, оно происходит по границам зерен, т.е. будет иметь межкристаллический характер.

С дальнейшим снижением Т возрастает объемная прочность жидкости, уменьшается ее объем, увеличивается число контактов между зернами и повышается прочность самих зерен.

При некоторой Т границы упрочняются настолько, что разрушение происходит по телу самих зерен (точка А).

Температура резкого возрастания пластичных свойств находится ниже Т_с и называется нижней границей хрупкости (Т_нг).

Интервал температур, заключенный между верхней и нижней границами хрупкого состояния металла, называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ).

Если при остывании сварного соединения в пределах ТИХ интенсивность нарастания деформаций приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных условиях, тогда возникают ГТ.

Максимальная деформация, которая не приводит к образованию трещин, называется предельной и соответствует пластичности П шва в данных условиях.

Сопротивляемость сварного соединения образованию ГТ определяется следующими факторами (рис. 23): пластичностью металла в ТИХ, значениями ТИХ, темпом деформации сварного соединения.

Сплав 3 (рис. 23, а) трещин не дает, так как возникающий темп деформации (кривая е) недостаточен для исчерпывания его пластичности (П > е). У сплава 2 в момент, определяемый точкой А, П = е. Это критический случай. У сплава 1 в момент, характеризуемый точкой Б, произойдет исчерпывание пластичности П и образуется трещина (П < е).

Рис. 23. Графическая иллюстрация теории технологической прочности при кристаллизации

Сплавы с одинаковой пластичностью, но с большей величиной ТИХ, более склонны к образованию ГТ (рис. 23, б). Темп деформации (наклон кривой е) зависит от усадки шва и деформаций, развивающихся в околошовной зоне. Чем меньше темп деформации в ТИХ, тем меньше вероятность образования трещин (рис. 23, в). Сплав 3 трещин не образует, он имеет еще некоторый запас пластичности П. Значение ТИХ и пластичности П сварочного соединения зависит от химического состава сплава, схемы кристаллизации и степени неоднородности шва и других факторов. Необходимые условия для возникновения разрушения – межзеренная деформация или проскальзывание, возникающие как следствие воздействия термодеформационного цикла сварки.

Подсолидусные трещины образуются при температуре ниже Т затвердевания. Место их зарождения – ослабленные включениями и несовершенствами строения границы кристаллитов, где межзеренные проскальзывания наиболее выражены (участки зоны оплавления, ликвационные участки и др.).