Регулирование временных напряжений. Структуру и свойства сварных соединений из среднелегированных сталей, в частности их стойкость против образования холодных трещин, можно в определенных пределах изменять, регулируя нарастание в них при охлаждении временных сварочных напряжений. Если при охлаждении соединения эти напряжения достигают определенной величины при температурах, предшествующих развитию бейнит-ного и мартенситного превращения, то эти превращения смещаются в область высоких температур. В результате стойкость сварных соединений против образования холодных трещин повышается.

На рис. 10-9 показано, как смещается бейнитное превращение в стали 30Х2Н2М в область высоких температур в зависимости от величины напряжений и температуры их приложения для случая охлаждения образцов из этой стали по конкретному термическому циклу дуговой сварки. Все приведенные микроструктуры относятся к моменту, когда в процессе непрерывного охлаждения температура образцов достигала 320° С. Нагрев, нагружение и фиксацию развития превращения аустенита в образцах производили с помощью установки для высокотемпературной металлографии ИМАШ-5М.

При температуре 320° С наибольшее смещение превращений наблюдалось, если при температуре 450° С прикладывали напряжения 30 кгс/мм (см. рис. 10-9). Увеличение или уменьшение напряжений при этой температуре, а также изменение температуры при всех опробованных напряжениях приводили к уменьшению смещения превращений. Напряжения 7 кгс/мм и меньше практически не оказывали никакого влияния на превращение. Не оказывали влияния на превращение аустенита и напряжения, приложенные к образцу после того, как в нем превратилось в мартенсит или бейнит больше 50% аустенита.

Таким образом, существуют оптимальные значения температур и напряжений, при которых их влияние на превращение наибольшее. Это положение хорошо согласуется с результатами исследований Г. В. Курдюмова и его сотрудников, показавших, что только малые пластические деформации аустенита ускоряют его превращение при последующем охлаждении, а большие - напротив его замедляют. Последнее положение подтверждается проявлением на MHjcpocTpyKType образцов следов пластической деформации - двойников, линий сдвига, дробления зерен во всех случаях, когда к образцам прикладывали высокие для данной температуры напряжения (рис. 10-9, а, е). При оптимальном сочетании температур и напряжений таких следов пластической деформации не обнаружено (рис. 10-9).

На рис. 10-10 приведены результаты испытаний на длительное растяжение стыковых соединений стали 30Х2Н2М (б = 16 мм), сваренных проволокой Св-10ХГСН2МТ. Переохлажденный аустенит в околошовной зоне этих соединений был подвергнут при-

50 ООб.кгс/мм

300 ООО

6О0 °с

Рис. 10-10. Влияние величины промежуточных (временных) напряжений (б) и температуры их действия (а) на прочность сварного соединения при длительном нагружении

мерно такому же деформационному воздействию в процессе охлаждения после сварки, как и в предыдущем случае (рис. 10-9). Из сопоставления рис. 10-9 и 10-10 следует, что влияние величины напряжений и температуры их приложения на превращение аустенита хорощо согласуется с их действием на стойкость соединений против образования холодных трещин.

В опытах (рис. 10-10) напряжения растяжения, при которых производили испытание образцов на длительное нагружение, были равны 50 и 40 кгс/мм соответственно, а промежуточные напряжения в опытах по определению влияния температуры на длительную прочность соединений устанавливали равными 25 кгс/см. Температура приложения промежуточных напряжений к образцам по кривой а (рис. 10-10) была равной 420-450° С. Наибольшее смещение превращения и наивысшая стойкость соединений против образования холодных трещин имели место в случае приложения напряжения 30 кгс/мм при температуре 450° С.

Изменение стойкости соединений против образования холодных трещин при варьировании величины напряжений и температуры их приложения описывается зависимостями с четко выраженным максимумом (рис. 10-10). Такая же зависимость наблюдается и в смещении превращения аустенита в область высоких температур при изменении этих же факторов (см. рис. 10-9).

Изложенные зависимости в общем справедливы и для других марок среднелегированных сталей и термических циклов, при использовании которых в околошовной зоне и металле шва развиваются бейнитное и мартенситное превращения. Однако распространяя эти зависимости на другие стали и иные условия сварки, следует иметь в виду, что рассматриваемое влияние напряжений заметно ослабевает по мере повышения устойчивости аустенита в стали и ускорения охлаждения сварного соединения. Так, при экспериментальном определении величины смещения превращения аустенита под влиянием напряжений в сталях 30Х2Н2М, 35ХЗНЗМ и 60Х2Н установлено, что это смещение наибольщее для первой стали, значительно слабее для второй и практически отсутствует в третьей

Таким образом, рассматриваемый метод борьбы с холодными трещинами особенно эффективен при сварке среднелегированных сталей с пониженным содержанием углерода и легирующих эле-

ментов и при применении режимов сварки, обеспечивающих замедленное охлаждение сварных соединений.

Рассмотрим теперь вопрос о том, как практически можно регулировать напряжения в процессе сварки с целью повышения стойкости соединений против образования холодных трещин. Ранее было изложено доказательство возможности влияния на ход превращений аустенита в околошовной зоне путем регулирования временных напряжений. Благодаря этому можно существенно повысить стойкость этой зоны против образования холодных трещин.

Наиболее простой и надежный способ такого регулирования состоит в выборе химического состава металла шва. От него зависят коэффициент линейного расширения, характер и объемный эффект структурных превращений. Эти факторы оказывают существенное влияние на развитие временных напряжений в процессе сварки.

В качестве примера на рис. 10-11 показано развитие временных поперечных напряжений в однослойных стыковых соединениях стали 35ХЗНЗМ при трех типах металла шва: аустенитном, бей-нитно-мартенситном и ферритно-перлитном. Швы сваривали под флюсом с использованием сварочных проволок Св-08Х20Н9Г7Т, Св-10Х5М и Св-08ГА соответственно. Однопроходным швом соединяли между собой узкие пластины (/ = 60 мм) толщиной 16 мм, предварительно вваренные в жесткую раму (см. рис. 10-11 вверху). Режим сварки характеризовался относительно низкой скоростью и высокой погонной энергией {v = 6 м/ч; 1 ~ 600 А; (7д = = 30 В). Реактивные поперечные напряжения определяли при помощи специальных деформометров. Деформации измеряли на базе 100 мм вдали от шва. Применяли искусственное охлаждение пластин в местах замера деформации.

В соединениях с аустенитным швом по мере его охлаждения напряжения непрерывно нарастают (рис. 10-11). Перегибы на

кривой 3 соответствуют началу и окончанию превращения аустенита в околошовной зоне. В соединениях с ферритно-перлитным швом (кривая /) и бейнитно-мартенситным (кривая 2) нарастание напряжений наблюдается только до температур 680 и 340° С соответственно. При этих температурах начи-

Рис. 10-11. Развитие временных поперечных напряжений в сварных соединениях стали 35ХЗНЗМ в процессе охлаждения швов:

/ - ферритно-перлнтного,

2 - бейнатно-мартенснтного,

3 - аустеннтнвгв

6, кгс/мм

ш м ш т т т ш т ws °в