Природа и причины образования горячих трещин

Природа и причины образования грячих трещин

Горячие трещины при сварке - хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердо-жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации (рис. 1).

Рис. 1. Сводная топография горячих трещин при дуговой (а) и лучевой (б) сварке: 1 – продольные в шве и в зоне сплавления, 2 — поперечные в шве и зоне сплавления; 3 — поперечные по толщине в свариваемом металле и металле предшествующего слоя при многопроходной сварке

Потенциальную склонность к горячим трещинам имеют все конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением, а также при некоторых видах сварки давлением, сопровождающихся нагревом металла до подсолидусных температур.

Природа горячих трещин

Природа горячих трещин адекватна природе высокотемпературной хрупкости неравновесно кристаллизующихся сплавов. Различают три типа высокотемпературной хрупкости (табл. 1) .

Все три типа хрупкости проявляются в определенных температурных интервалах хрупкости: ТИХ_I, ТИХ_II, ТИХ_III, соотношение между которыми представлено на рис. 2.

Рис. 2. Изменение механических свойств сплавов в процессе кристаллизации шва и последующего охлаждения: Т_л и Т_с – температуры ликвидус и солидус, σ и δ, ε — прочность, пластичность и деформация металла шва; T'_в, T'_н, T'''_в,T'''_н – верхняя и нижняя границы ТИХ_I – ТИХ_III; δ_II – запас пластичности в ТИХ_II; tgα_кр=B_кр – критический темп деформации в ТИХ_I, определяющий деформационную способность в этом интервале температур

Модель структуры сварного шва в этих интервалах температур приведена на рис. 3. Факторы, обусловливающие малую пластичность металла с такой структурой, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Типы высокотемпературной хрупкости

Рис 3 Модель структуры сварного шва и схемы зарождения горячих трещин кристаллизационного (а) и подсолидусного (б, в) типа: а — поворот кристаллитов под действием усадочных напряжений до заклинивания, что ограничивает залечивание расплавом раскрывающихся трещин, б — ростовые дислокации у границ, в – зарождение трещины при межзеренном проскальзывании в месте выхода ростовых дислокаций и в местах залегания карбидов и интерметаллидов

Указанные факторы взаимодействуют на фоне постепенного снижения объема жидкой фазы по мере охлаждения и выделения из нее эвтектик второго и третьего порядка, что постепенно приводит к снижению пластичности у нижней границы ТИХ_I. Этого явления нет в сплавах, содержащих в конце кристаллизации 5 - 10 % эвтектики определенного состава, кристаллизующейся в последнюю очередь при постоянной температуре, т.е. практически мгновенно. Такие сплавы сохраняют значительную пластичность в ТИХ_I. Обнаружение и идентификация ТИХ_II,ТИХ_III в полной мере обеспечиваются при испытаниях механических свойств с малой скоростью деформации, что способствует развитию диффузии легирующих и примесных элементов, образующих интерметаллидные, карбидные и карбонитридные фазы.

Причины образования горячих трещин

Наличие температурно-временного интервала хрупкости обусловливает потенциальную склонность сплавов к горячим трещинам, является необходимым условием и первой причиной их образования. Вторая причина горячих трещин высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затрудненной усадки металла шва и формоизменения свариваемых заготовок, а также при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при после сварочной термообработке, усиленные тепловой, структурной и механической концентрацией деформации. Принято рассматривать две составляющие деформации при сварке: ε_т – температурная деформация (рис. 4). Она по величине равна деформации металла при его нагреве и охлаждении в свободном состоянии (измеряется на дилятометрах), но противоположна по знаку (способствует растяжению шва); ε_н - наблюдаемая деформация от формоизменения свариваемых заготовок. Она фиксируется различными методами измерения непосредственно на свариваемых заготовках вдоль, поперек оси шва, по его высоте, т.е. является измеряемой. Эта составляющая деформации может способствовать сжатию ( -ε_н1) или растяжению шва (+ε_н2), а также переходу от его растяжения к сжатию по мере снижения температуры (ε_н2). Величина и знак деформации при сварке определяются алгебраической суммой этих двух составляющих.

Рис 4 Схема развития деформаций и исчерпания пластичности в ТИХ:
1 — при синхронном, 2 — несинхронном развитии термического и деформационного цикла сварки, а — изменение температуры в ТИХ и деформации формоизменения ε_н1 и ε_н2, б — нарастание деформаций ε₁ и ε₂ в ТИХ (ε_1,2= ε_т±ε_н), в — соотношение между деформациями ε₁, ε₂ и деформационной способностью металла в ТИХ в фазе охлаждения, К – касательная к П(f(T))

Она достигает наибольшей интенсивности, когда составляющая ε_н, велика и имеет знак +. В этом случае

ε=ε_т+ ε_н

Такая ситуация создается в тех участках шва, где максимум деформаций ε_н отстает по времени от максимума температуры, т.е. при несинхронном развитии. Она развивается при малой геометрической жесткости заготовок (по ширине, толщине) и усиливается при сварке сплавов с повышенной жаропрочностью и ограниченной теплопроводностью.

В условиях синхронного развития функций Т(t) и ε(t) деформация в ТИХ_I. минимальна, поскольку ε=ε_т- ε_н.

Другой характерной особенностью развития высокотемпературных деформаций является монотонность нарастания в ТИХ, что позволяет за количественный показатель интенсивности принять темп деформации В:

B=∂ε/∂T≈∆ε/ТИХ,

где ∆ε - накопленная в ТИХ относительная деформация.

Например, деформация ∆ε составила 2,4%. Температурный интервал хрупкости 120°. Темп деформации равен

B=2,4%/1,2*10²=2*10^-2%/°C.

Условие неразрушаемости металла в ТИХ состоит в том, что темп деформации в любой точке шва не должен превышать критический, т.е. не приводить к исчерпанию пластичности металла в ТИХ.

Геометрическая интерпретация критического темпа деформации - тангенс угла α_кр между осью температур и касательной к линии изменения пластичности в ТИХ_I – ТИХ_II проведенной из точки В_г, (рис. 4, в)

tgα_кр=B_кр [%/°C]

Этот угол определяется также приближенно соотношением П/ТИХ, где П - средняя пластичность в ТИХ. Следовательно, B_кр является обобщенным показателем деформационной способности сплавов в ТИХ.

Если B>B_кр , то пластичность исчерпывается. Это является необходимым и достаточным условием для возникновения горячих трещин. Геометрическая интерпретация - пересечение линий ε и П в ТИХ (рис. 2).

Если B<B_кр пересечения не происходит (трещины не образуются), т. е. имеется запас по стойкости против образования горячих тещин, а выражение B_кр/В-1=К_гт является коэффициентом запаса.

В изотермических условиях послесварочной термообработки исчерпание пластичности швов имеет место в результате ее понижения во времени и развития деформации металла при релаксации сварочных напряжений.

Online расчет склонности сталей к образованию горячих трещин