Метод Жданівського металургійного інституту (ЖМІ). 3 страница

У литому металі сторонні атоми можуть дифундувати крізь зерна та по границям зерен. В основному міграція таких атомів відбувається по простору між зернами. Це приводить до утворення міжкристалічних прошарків. При кристалізації металу відбувається утворення нових, вторинних границь, які не співпадають зі старими дендритними формами. Це відбувається внаслідок того, що чужорідні атоми та дефекти (вакансії), що є у металі, переміщуються і на окремих ділянках групуються.

Утворення нових границь пов’язують з процесами:

1. Рекристалізація — утворення нових зерен, невідмінних від старих по хімічному складу, але з більш низьким рівнем залишкових напруг та без зміцнення.

2. Полігонізація — об’єднання хаотично розташованих дислокацій з утворенням осередково–сітчатої структури. Мають місце при невеликих початкових деформаціях та температурах, коли процес рекристалізації обмежений.

11.7.3 Фізична неоднорідність металу шва

Стійкість металу шва проти крихкого руйнування та корозії в значній мірі визначається інтенсивністю процесу полігонізації. Чим активніше іде процес полігонізації, тим менша стійкість металу шва проти крихкого руйнування. Активність полігонізації залежить від вмісту S та P. Чим їх більше, тим активніше іде процес полігонізації. Знижують активність полігонізації шляхом підвищення швидкості охолодження та введенням легуючих добавок, що підвищують енергію активації процесу полігонізації. Також використовують метод у якому в хвостову частину зварювальної ванни вводять додатково присадний дріт. Це попереджує перегрів металу перед фронтом кристалізації, підвищує швидкість охолодження, знижує кількість уведених легуючих добавок.

11.8 Технологічна міцність

11.8.1 Види міцності конструкцій, що зварюються

Всі конструкції, що зварюються, проектуються з умови рівноміцності зварного шва та основного металу. Якщо основний матеріал задовольняє фізичній та технологічній здатності до зварювання, технологічний процес складений та витриманий вірно, то умови рівноміцності забезпечуються. Розрізняють два види міцності конструкції, що зварюється:

— технологічну (міцність конструкції на етапі її виготовлення);

— експлуатаційну (міцність конструкції на етапі її експлуатації).

Міцність матеріалу залежить від температури: чим вища температура, тим нижча міцність. В процесі зварювання конструкція, що зварюється, знаходиться при високих температурах, тому в процесі виготовлення може опинитися в тяжких умовах і відбудеться її руйнування.

Здібність металу шва сприймати пружно–пластичну деформацію в області високих температур без утворення гарячих тріщин має назву технологічної міцності.

Технологічна міцність, як наука, вивчає фактори, з котрими пов’язане утворення гарячих тріщин:

— стан та властивості матеріалів, що зварюються;

— схеми та величини діючих навантажень;

— величини та характер виникаючих деформацій та напруг.

11.8.2 Класифікація тріщин

Тріщини класифікуються за розміром та температурним інтервалом, у якому вони утворюються.

За розмірами тріщини класифікуються:

— мікротріщини, порівняні з параметрами кристалічної гратки (накопичення дефектів кристалічної гратки);

— макротріщини, порівняні з параметрами зварного шва та виникають, коли діючі напруги перевищують межу міцності матеріалу, що зварюється.

За температурним інтервалом тріщини класифікуються:

— гарячі тріщини (виникають в температурному інтервалі між лініями ліквідус та солідус, коли відбувається зниження пластичності металу);

— холодні тріщини (утворюються при температурі нижче 1000 °С і пов’язані зі структурними перетвореннями и як слідство зміною об’єму матеріалу в таких зонах та виникненням напруг).

Механізм утворення гарячих та холодних тріщин (рисунок 11.10) різний.

Гарячі або кристалізаційні тріщини проходять майже завжди по границям зерен, мають звивисту форму і кристалічну, зернисту поверхню зламу.

Холодні тріщини проходять через кристали і границі між ними, прямі, найчастіше мають гладку, блискучу поверхню зламу.

11.8.3 Гарячі тріщини

Виникнення гарячих тріщин визначається рядом факторів:

— величиною та характером пластичної деформації в шві у процесі кристалізації металу;

— деформаційною здібністю металу шва у температурному інтервалі утворення гарячих тріщин;

— темпом або швидкістю деформації.

11.8.3.1 Величина та характер деформації, що виникають

у зварному шві

Величина відносної пластичної деформації, що виникає у шві , визначається

, (11.3)

де lпл, lпр — пластична та пружна складові відносної деформації

відповідно;

lт — відносна вільна деформація елементу при його охолоджені

від T2 до T1;

lн — відносна деформація елементу, що спостерігається на базі

l0 = 2y0 (рисунок 11.11).

В області низьких температур функцію lпр (Т) можна знайти аналітично

, (11.4)

де — межа текучості;

— межа пружності.

При високих температурах lпр(Т) 0. Величина lт(T) визначається експериментально за допомогою дилатометричних кривих і залежить від:

1) форми та розмірів конструкції, що зварюється;

2) теплофізичних властивостей матеріалу, що зварюється;

3) режимів зварювання.

При визначенні lн(T) виникає ряд труднощів, пов’язаних з тим, що:

1. Важко експериментально визначити температуру у зоні високих температур.

2. Вимірювання необхідно виконувати для поперечного перерізу зварного шва, де температури розподіляються нерівномірно.

3. Внаслідок великих швидкостей охолодження швидкості деформацій великі, тому важко зафіксувати показання приладів.

Проведені експерименти показали, що головною причиною появи гарячих тріщин є виникнення у металі шва напруг, що розтягують.

11.8.3.2 Деформаційна здатність металу шва

В залежності від упорядкованості структури матеріалів, що зварюються, та температури розрізняють два види деформаційної здатності металу шва:

1. Деформація зсуву уявляє собою зміщення блоків та груп атомів один відносно одного. Мають місце при відносно низьких температурах та упорядкованій структурі.

2. Деформаційна здатність дифузійного характеру уявляє собою дифузію атомів, яка виникає по межам зерен. Цей вид деформації реалізується при високих температурах при структурі, що розупорядкована.

Якщо реалізується деформаційна здатність першого виду, то руйнування конструкції відбувається по зерну і супроводжується пластичною деформацією. Якщо реалізується деформаційна здатність другого виду, то руйнування відбувається по межам зерен, руйнування крихке.

Зародження гарячих тріщин відбувається на етапі охолодження зварювальної ванни, коли присутні одночасно рідка та кристалічна фази. Інколи утворення гарячих тріщин може відбуватися нижче лінії солідус. Температурний інтервал, у якому зароджується гарячі тріщини має назву температурний інтервал крихкості (ТІК).

Утворення зародків тріщин відбувається у результаті утворення порожнин, поява яких пов’язана з двома причинами:

1. Коли швидкість охолодження настільки велика, що не встигає проходити перерозподіл між рідкою та кристалічною фазами (чим вища швидкість охолодження, тим вища імовірність утворення гарячих тріщин).

2. Коли рідкої фази недостатньо для заповнення порожнин у процесі деформації при охолодженні металу шва.

Деформаційна здатність металу шва залежить від:

— стану об’ємів твердої та рідкої фази;

— розміру зерен;

— швидкості деформації.

Чим менше зерно, тим більша пластичність, тим менша імовірність утворення гарячих тріщин. Чим ширше температурний інтервал крихкості, тим більша імовірність утворення гарячих тріщин. Чим більша швидкість деформації, тим більша імовірність утворення гарячих тріщин.

Величина температурного інтервалу крихкості визначається металургійними факторами:

1. Хімічним складом матеріалів, що зварюються.

2. Складом та властивостями міжкристалічних прошарків.

3. Розміром та формою кристалітів.

Посилює імовірність утворення гарячих тріщин наявність легкоплавких евтектик.

11.8.4 Методи оцінки опірності металу шва утворенню

гарячих тріщин

Для оцінювання опірності металу шва утворенню гарячих тріщин необхідно враховувати такі фактори:

— величину температурного інтервалу крихкості;

— величину пластичної деформації;

— темп деформації.

Найбільш оптимальний варіант оцінки — врахування усіх трьох факторів у комплексі. Але жоден з існуючих методів не дозволяє цього зробити. Всі відомі методи можливо поділити на три групи:

1. Оцінка по зміні жорсткості конструкції. Чим більша жорсткість, тим більша імовірність утворення гарячих тріщин (якісний метод).

2. По зміні швидкості охолодження або темпу деформації.

3. Враховується два фактори у комплексі (величина та темп деформації).

Перша та друга групи використовуються на практиці рідко, тому що враховують тільки один з перерахованих вище факторів.

Для оцінки опірності металу шва утворенню гарячих тріщин найбільш часто використовують (третя група):

1) метод МВТУ ім. Баумана;

2) метод Жданівського металургійного інституту.

Метод МВТУ. По цьому методу використовують зразки спеціальної форми (рисунок 11.12).

По даному методу пластину закріплюють у губках розривної машини. У канавку наплавляють валик. В момент проходження зварювальної головки крізь крапку О пластину починають розтягувати з фіксованою швидкістю (мм·хв–1). Якщо гарячі тріщини не утворюються, то виникає пластична деформація зразка.

Підвищуючи швидкість деформації, визначають величину Aкр (критична швидкість деформації), при якій відбувається утворення тріщин та крихке руйнування зразка. Aкр береться за критерій оцінки опірності металу шва утворенню гарячих тріщин.

Метод Жданівського металургійного інституту (ЖМІ).

Цей метод (рисунок 11.14, а – схема змінювання швидкості примусової деформації, б – схема зварювання) відрізняється від методу МВТУ ім. Баумана схемою випробувань та видом зразків. Швидкість деформації зразків вибирається такою, щоб Aпоч > Aкр (Aпоч — початкова швидкість деформації), тобто утворення гарячих тріщин було гарантовано. По мірі переміщення зварювальної головки швидкість зміщення зразків плавно понижується. Швидкість деформації, при якій виникло схоплення зразків має назву критичної і є критерієм опірності металу шва утворенню гарячих тріщин. Момент схоплення визначається по збільшенню струму якоря електродвигуна.

Метод ЖМІ характеризується простотою, надійністю та високою точністю.

11.8.5 Фактори, що впливають на технологічну міцність

До таких факторів відносяться:

1. Технологія зварювання (режими зварювання).

2. Хімічний склад та властивості зварювальних матеріалів та матеріалів, що зварюються.

Режим зварювання разом з властивостями матеріалів, що зварюються, визначають величину та характер пластичної деформації, яка виникає у металі шва, швидкість деформації. Властивості матеріалів, що зварюються, визначають деформаційну здатність та температурний інтервал крихкості.

3. Форми та розміри конструкції, що зварюється. Чим більша жорсткість, тим більше утворюється гарячих тріщин. При зварюванні жорстких конструкцій рекомендується використовувати електроди з високим значенням Aкр.

4. Зовнішні умови (температура навколишнього середовища).

Чим нижча температура навколишнього середовища, тим вища швидкість охолодження та деформацій і тим вища імовірність утворення гарячих тріщин. При зварюванні на морозі необхідний попередній нагрів конструкції (300 – 400 °C).

Більшість зварювальних матеріалів забезпечують високу стійкість металу шва до утворення гарячих тріщин (при вірно витриманому технологічному процесі). На практиці не рекомендують використовувати ряд електродів, які мають низьке значення Aкр.

Для зменшення імовірності утворення гарячих тріщин на ряд хімічних елементів вводять обмеження по їх вмісту у металі шва:

C — зниження опірності виникненню гарячих тріщин починається при концентрації вуглецю з 0.02 % (різко зменшується при концентрації вуглецю 0.04 – 0.15 %);

S — зниження технологічної міцності виникає при концентрації більше 0.07 %;

P — зниження технологічної міцності виникає при концентрації більше 0.03 %;

Cu — зниження технологічної міцності виникає при концентрації більше 0.3 %;

Nі — зниження технологічної міцності виникає при концентрації більше 2.5 %;

Sі – не впливає на утворення гарячих тріщин;

Mn — підвищує стійкість металу шва до утворення гарячих тріщин.

11.8.6 Холодні тріщини

Утворення холодних тріщин пов’язують зі структурними та фазовими перетвореннями, внаслідок яких виникає зміна об’єму і зниження пластичності металу.

Утворення холодних тріщин пов’язано з двома факторами:

1. Структурні та фазові перетворення.

2. Вплив водню.

Структурні та фазові перетвореннявідбуваються на всіх ділянках зони зварювання при температурах поліморфних перетворень. На характер структурних та фазових перетворень впливають:

— швидкість охолодження;

— тривалість перебування аустеніту в інтервалі найменшої стійкості (500 – 600 °С).

Для пояснення впливу швидкості охолодження використовують С – діаграми ізотермічного перетворення аустеніту у вуглецевої сталі (рисунок 11.15).

В залежності від швидкості охолодження сталі можуть утворюватися структури: ферит, перліт, сорбит, тростит, бейніт, мартенсит.

При швидкості охолодження, яка дорівнює критичній і більше, виникає мартенситна структура. Вона характеризується підвищеною міцністю та великою крихкістю. З цією структурою пов’язується виникнення холодних тріщин у сталі. На імовірність виникнення мартенситної структури великий вплив чинить вміст вуглецю та легуючих елементів.

Чим більше вуглецю та легуючих елементів, тим далі зміщуються вправо С – діаграми (крива 2). Це означає, що виникнення мартенситної структурі може відбуватися при менших швидкостях охолодження.

Підвищення температури та тривалості нагрівання металу сприяє збільшенню та гомогенізації зерен аустеніту. Це підвищує стійкість аустеніту і веде до його неповного розпаду, тобто підвищується імовірність виникнення мартенситу.

Швидке нагрівання та мале перебування мартенситу вище точки Aс3 (на діаграмі залізо – вуглець) сприяє отриманню дрібнозернистої структури та утворення нестійкого аустеніту. В цьому випадку після охолодження отримується ферит, перліт, сорбит, тростит.

Механізм виникнення холодних тріщин у сталях можна звести до наступних етапів:

1. При охолодженні сталі утворюється мартенситна структура.

2. Виникнення мартенситу супроводжується підвищенням міцності та збільшенням об’єму металу, зменшенням пластичності.

3. Об’єм мартенситу розширюється, але зустрічає опір об’ємів металу, у яких не відбулися структурні перетворення. При цьому сам об’єм

мартенситу буде стиснутим.

4. У зоні мартенситного перетворення виникають складні поля напруг та деформацій і на тих ділянках, де напруги перевищують межу міцності виникають холодні тріщини.

Вплив водню на утворення холодних тріщин. Водень у атомарному стані має високу проникливу здібність. Він легко дифундує з металу шва у біляшовну зону і далі, якщо не зустріне на своєму шляху загартованих структур типу мартенситу, у якому рухомість водню мала.

Якщо водень на своєму шляху зустрів мартенситну структуру, то він починає накопичуватися перед нею у дефектах структури, переходити у молекулярну форму, утворювати надлишковий тиск, який сприяє розкриттю тріщин, що вже існують, та утворенню нових тріщин.

Додатково по п. 11 дивись [1, 13, 14].

Література

1.	Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов: Учебник для сварочных специальностей высших учебных заведений. - К.: «Вища школа», 1976. - 424 с.
2.	Бережной А.И. Ситаллы и фотоситаллы. –М.: Машиностроение, 1966, - 348 с.
3.	Владимиров Л.П. Термодинамические расчеты равновесия металлургических реакций. - М.: Металлургия. 1970. -528 с.
4.	Гуляев А.П. Металловедение. 5-е пераб. Издание. -М.: Металлургия, 1978. –647 с.
5.	Гуревич С.М. Справочник по сварке цветных металлов. –К.: Наукова думка, 1981. – 608 с.
6.	Диффузионная сварка металлов: Справочник/Под ред. Н.Ф.Казакова. – М.: Машиностроение. 1981. –271 с., ил.
7.	Котельников Д.И. Сварка давлением в тлеющем разряде. -М.: Металлургия, 1981. -159 с.
8.	Кох Б.А. Основы термодинамических процессов сварки. - Л.: 1975. -240 с.
9.	Лабораторные работы по сварке. /Под ред. Николаева Г.А. -М.: Высшая школа, 1971. - 211 с.
10.	Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. -М.: Машино- строение, 1970. –335 с., ил.
11.	Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов: С основами физической химии: Учебник для высших учебных заведен. 2^-е издание, перераб. - М.: Высш. Шк.., 1977. - 322 с.
12.	Расчеты в теории сварочных процессов: Учеб. Пособ./ Б.Д. Лебедев. -К.:НМК ВО, 1992. – 320 с. - рус.
13.	Теоретические основы сварки: Учеб. пособие для высших учебных заведений специальности "Оборудование и технология сварочного производства” / Под ред. В.В.Фролова. -М.: Высш. шк., 1970. –592 с.
14.	Теория сварочных процессов: Учеб. для высших учебных заведений по специальности “Оборудование и технология сварочного производства” / В.В.Фролов, В.Н.Волченко, В.А.Винокуров и др.; Под ред. В.В.Фролова. - М.: Высш. шк. , 1988. -559 с.: ил.
15.	Сварка, пайка, клейка, резка металлов и пластмасс. 3^-е изд.: Справ. изд. / Под редакцией А.Ноймана, Е.Рихтера: Пер. с нем. -М.: Метал- лургия, 1985. - 480 с.
16.	Слейбо У., Персонс Т., Общая химия. Пер. с англ. –М.: Мир, 1979. –550 с.
17.	Химическая технология стекла и ситаллов: Учебник для вузов/ М.В.Артамонов, М.С.Асланова, И.М.Бужинский и др.; Под ред. Н.М.Павлушкина. –М.: Стройиздат, 1983. –432 с., ил.
18.	Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов. - М.: Машиностроение, 1973. - 408 с.

Зміст

Вступ.................................................................................................... 3

1 Джерела енергії при зварюванні..................................................... 9

1.1 Агрегатний стан речовини......................................................... 9

1.2 Будова атому............................................................................ 12

1.3 Елементарні зв’язки в твердих тілах...................................... 13

1.3.1 Міжмолекулярний зв’язок (сили Ван–дер–Ваальса) .... 14

1.3.2 Іонний зв’язок.................................................................. 14

1.3.3 Ковалентний зв’язок........................................................ 15

1.3.4 Металевий зв’язок............................................................ 16

1.4 Фізико–хімічні основи утворення зварного з’єднання.......... 16

1.4.1 Механізм утворення зварного з’єднання..............................16

1.4.2 Енергія активації. ........................................................... 18

1.4.3 Двостадійність процесу зварювання............................... 19

1.4.4 Контактування шорстких поверхонь.............................. 19

1.4.5 Будова металевої поверхні на повітрі............................. 21

1.4.6 Особливості будови поверхні скла.................................. 22

1.5 Особливості протікання стадій при різних способах отримання

нероз’ємного з’єднання........................................................... 22

1.6 Термодинамічне визначення процесу зварювання................ 24

1.7 Типовий баланс енергії процесу зварювання......................... 24

1.8 Класифікація процесів зварювання......................................... 26

1.8.1 Ознаки класифікації......................................................... 26

1.8.2 Класифікація процесів зварювання за фізичною ознакою 27

1.8.3 Структурні схеми передачі енергії при зварюванні....... 28

1.9 Оцінка енергетичної ефективності зварювальних джерел

нагріву...................................................................................... 30

1.10 Вимоги до зварювальних джерел нагріву............................ 31

2 Теорія дугового розряду............................................................... 32

2.1 Види провідності...................................................................... 32

2.2 Види розрядів у газі................................................................ 37

2.3 Способи збудження дугового розряду................................... 39

2.4 Будова дугового розряду........................................................ 39

2.5 Схема переносу заряду у дузі................................................. 40

2.6 Вольт–амперна характеристика дугового розряду............... 41

2.7 Елементарні процеси у плазмі дугового розряду.................. 42

2.7.1 Види елементарних процесів........................................... 42

2.7.2 Газокінетичний переріз.................................................... 43

2.7.3 Переріз Ромзауера та його ефект.................................... 45

2.7.4 Термічна іонізація. Потенціал іонізації........................... 46

2.7.5 Випромінювання плазми................................................. 47

2.7.6 Фотоіонізація.................................................................... 47

2.7.7 Рекомбінація..................................................................... 47

2.8 Елементи термодинаміки плазми............................................ 47

2.8.1 Іонна та електронна температури.................................... 47

2.8.2 Плазма як ідеальний газ.................................................. 48

2.8.3 Рівняння Саха. Ступінь іонізації..................................... 49

2.8.4 Ефективний потенціал іонізації........................................ 50

2.9 Явища переносу в плазмі дугового розряду.......................... 50

2.9.1 Перенос заряду................................................................ 51

2.9.2 Перенос теплоти............................................................... 52

2.9.3 Саморегулювання зварювальної дуги............................ 52

2.9.5 Температура дуги............................................................ 53

2.10 Емісійні процеси в плазмі дугового розряду....................... 54

2.11 Вплив неоднорідності катода на емісійні процеси............... 56

2.11.1 Плівкові і оксидні катоди............................................ 56

2.11.2 Емісійна плямистість................................................... 57

2.11.3 Емісія діелектричних шарів........................................ 57

2.11.4 Іонна емісія та поверхнева іонізація........................... 57

2.12 Перехідні області зварювальних дуг.................................... 58

2.12.1 Проблеми перехідних областей................................. 58

2.12.2 Катодна зона............................................................... 59

2.12.3 Анодна зона................................................................ 59

2.12.4 Баланс енергії в дузі.................................................... 60

2.13 Плазмові струмені в дузі...................................................... 60

2.14 Магнітогідродинаміка зварювальної дуги.......................... 61

2.14.1 Власне магнітне поле дуги. Пінч-ефект...................... 61

2.14.2 Магнітне поле зварювального контуру..................... 62

2.14.3 Зовнішнє магнітне поле і магнітне поле дуги............ 63

2.15 Перенос металу в дузі............................................................ 65

2.16 Дуга змінного струму............................................................ 67

2.17 Особливості дуг з плавким електродом................................ 68

2.17.1 Ручне дугове зварювання........................................... 68

2.17.2 Дугове зварювання під шаром флюсу....................... 69

2.17.3 Електрошлакове зварювання..................................... 69

2.17.4 Дугове зварювання в вакуумі та в захисних газах.... 70

2.18 Зварювання неплавким електродом...................................... 70

2.19 Плазмові процеси................................................................... 72

3 Термічні недугові джерела енергії................................................ 74

3.1 Електронно–променевий нагрів............................................. 74

3.1.1 Електронно–променевий нагрів та його використання 74

3.1.2 Основні фізичні характеристики електронного променя 75

3.1.3 Взаємодія електронного променя з речовиною............ 76

3.1.4 Тепловий баланс електронно–променевого зварювання.. 77

3.2 Фотонно–променевий нагрів...................................................... 78

3.2.1 Використання фотонно–променевого нагріву.................. 78

3.2.2 Принцип роботи оптичного квантового генератора........ 78

3.2.3 Тепловий баланс фотонного зварювання.......................... 80

3.3 Газове полум’я............................................................................ 80

3.3.1 Принцип нагріву в газовому полум’ї................................. 80

3.3.2 Хімічні процеси при газовому зварюванні........................ 82

3.3.3 Теплові характеристики і особливості нагріву газовим

полум’ям............................................................................. 82

3.3.4 Тепловий баланс газового зварювання.............................. 83

3.4 Електрошлакове зварювання...................................................... 84

4 Термопресові процеси....................................................................... 85

4.1 Контактне зварювання................................................................ 85

4.1.1 Точкове контактне зварювання........................................... 85

4.1.2 Стикове контактне зварювання........................................... 86

4.1.3 Шовне зварювання.............................................................. 87

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 Следующая ⇒