Термическая обработка сварных соединений

Термическая обработка – тепловое воздействие на металл, при котором происходит изменение строения, фазового или напряженного состояния, уровня свободной энергии, величины микро- и макронапряжений (рис. 30).

Рис. 30. Виды термической обработки

Для различных по составу сталей воздействие источника сварочного тепла на зоны сварного соединения будет различным. В соответствии с этим различны задачи последующей термической обработки сварных соединений.

Закалка аустенитных сталей – нагрев до Т = 1050...1200 °С с последующим охлаждением на воздухе, в масле или воде. При такой обработке в аустените растворяются карбиды и сталь становится гомогенной, однородной, чисто аустенитной. Такую обработку называют аустенизацией.

Закалка конструкционных сталей – нагрев до температуры на 50...100 °С выше Ас₃ (завершение перехода a«g), небольшая выдержка и охлаждение со скоростью более критической в воде, масле или на воздухе. Основной фазой при этом должен стать мартенсит. Закалка является промежуточной операцией термической обработки.

Высокий отпуск закаленных сталей – нагрев до температуры несколько ниже Ас₁ (550...650 °С), длительной выдержки и последующего медленного охлаждения. При этом происходит распад мартенсита с образованием мелкой ферритно-цементитной смеси – сорбита, понижение прочности и повышение пластичности и ударной вязкости, а также снижение остаточных напряжений.

Старение – нагрев до Т = 300...650 °С и длительная выдержка с последующим медленным охлаждением. При этом происходит выделение мелкодисперсных упрочняющих фаз, повышается прочность, а вязкость и пластичность понижаются.

Но если выделение дисперсной фазы происходит из вязкой матрицы, то операция старения позволяет повысить и вязкость за счет свойств матрицы. Применяется для аустенитных и высоколегированных мартенситно-стареющих сталей С, V, Ti, Nb, Mo, А1, которые образуют карбиды, интерметаллиды и карбидонитриды.

Нормализация – нагрев до температур на 100...150 °С выше Ас₃, непродолжительная выдержка и охлаждение на спокойном воздухе. При этом обеспечиваются перекристаллизация и изменение зерна в перегретой стали, однородность, гомогенность состава и размеров зерна, улучшаются механические свойства, снижается уровень остаточных напряжений.

Отпуск в зависимости от температурного интервала может быть низким (при 120...250 °С), средним (при 350...450 °C) и высоким (при 500...650 °С). Низкий и средний отпуски не преследуют цели изменения фазового состава или структуры стали, а применяются для снижения микро- или макронапряжений в обрабатываемом изделии.

Отпуск увеличивает подвижность атомов, способствует переходу системы в более равновесное и однородное состояние. Отпуск, даже низкий, способствует началу распада мартенсита, уменьшению искажений решетки и снижению микронапряжений.

Для сталей, закаленных на мартенсит, снижение уровня микронапряжений начинается с температуры 150 °С и завершается после выделения углерода из решетки a–железа и начала коагуляции образовавшихся карбидов (350...450 °С).

Другим фактором, создающим микронапряжения, является наклеп. Снять эти напряжения можно при нагреве на 150...200 °С. Процесс этот называют возвратом (возврат к неискаженной кристаллической решетке).

Возникновение макронапряжений связано с неравномерностью нагрева сварного соединения, с термодеформационным циклом сварки, а также с изменением объема, сопровождающим структурные изменения в стали. Все это приводит к образованию временных или остаточных напряжений.

Остаточные напряжения могут быть снижены технологическими (изменение погонной энергии при сварке, правильная последовательность наложения швов и др.) и термическими способами (предварительный или сопутствующий подогрев, высокий отпуск).

Подогрев уменьшает градиент температур между зонами сварного соединения и разницу объемных изменений в металле, обеспечивает распад аустенита при более высокой температуре с образованием более равновесных структур.

Отжиг – нагрев выше Ас₁, длительная выдержка и медленное охлаждение (50...100 °С/ч). При этом обеспечиваются гомогенизация состава стали, минимальный уровень остаточных напряжений, низкая твердость и прочность стали. Однако наблюдается существенное укрупнение зерен феррита.

Для сварных конструкций применяются редко. В частности, выполняют рекристаллизационный отжиг (отпуск) – нагрев холоднодеформированной стали до температуры 450...500 °С.

Термомеханическая обработка (ТМО) стали заключается в пластической деформации, проводимой для повышения плотности дислокаций, которая наследуется при последующей термической обработке. При высокотемпературной ТМО (ВТМО) деформация металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации. ВТМО может быть использована для повышения прочности сварных соединений. Для этого применяют проковку или прокатку сварного шва, нагретого до Т = 850...950 °С.

При последующем охлаждении повышается прочность металла шва и наследуется повышенная плотность дислокаций. Если металл содержит элементы, способные вызвать эффект дисперсного упрочнения (V, N, Ti и др.), то эффект упрочнения увеличивается. ВТМО – проковка или прокатка сварного шва, нагретого до Т = 850...950 °С.

Контрольные вопросы к главе 4

1. Какими факторами определяется сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещин?

2. Какие способы применяются для повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин?

3. Как влияет химический состав металла шва на процесс образования горячих трещин?

4. Как можно изменить темп деформаций при сварке и пластичность металла шва?

5. Что такое холодная трещина?

6. Какие факторы способствуют образованию холодных трещин?

7. Для чего применяют предварительный подогрев металла?

8. Какой вид термообработки позволяет повысить вязкость сварного соединения?