Визначення еквівалента вуглецю. Визначити групу зварюваності зазначеної марки сталі. Зварюваність сталі, вуглецевий еквівалент, показник зварюваності, параметр еквівалентного легування. Способи усунення холодних тріщин при зварюванні

4. Єпіфанов, Г. І. Фізика твердого тіла: навч. посібник для вузів. - М.: Вища школа, 1965. - 276 с.

5. Альошин, Н. П. Ультразвукова дефектоскопія: довід. посібник / Н. П. Альошин, В. Г. Лупачов. - Мн. : Вища школа, 1987. – 271 с.

6. Єрмолов, І. Н. Теорія та практика ультразвукового контролю / І. Н. Єрмолов. - М.: Машинобудування, 1981. - 240 с.

ЛОМОВА Ольга Станіславівна, кандидат технічних наук, доцент (Росія), доцент кафедри «Нафтохімічні технології та обладнання».

Адреса для листування: [email protected] МОРГУНОВ Анатолій Павлович, доктор технічних наук, професор (Росія), завідувач кафедри «Технологія машинобудування».

Адреса для листування: 644050, м. Київ, пр. Миру, 11, кафедра ТМ.

Стаття надійшла до редакції 25.02.2015 © О. С. Ломова, А. П. Моргунов

УДК 621.791.011+669.14.018

Б. Є. ЛОПАЄВ Р. Р. ХІСМАТУЛІН І. І. КАГАРМАНОВ А. М. УСТЯН

Омський державний технічний університет

ОЦІНКА ЗВАРЮВАНОСТІ СТАЛІВ РІЗНИХ КЛАСІВ МЕТОДОМ ХІМІЧНОГО ЕКВІВАЛЕНТУ ВУГЛЕДУ_

На основі розрахунку хімічного еквівалента вуглецю проведено оцінку схильності вуглецевих та легованих сталей до утворення холодних тріщин, що належать до поняття «зварюваність матеріалів».

Ключові слова: хімічний еквівалент вуглецю, зварюваність, холодні тріщини, мартенсит, локальна концентрація, період інкубації.

Здатність матеріалів утворювати зварне з'єднання визначається випробуваннями на зварюваність.

Зварюваність (з'єднуваність) - властивість матеріалу утворювати нероз'ємну сполуку з необхідною якістю та рівнем фізико-механічних та функціональних властивостей сполуки як у процесі її отримання, так і при експлуатації виробу.

Основні ознаки, що характеризують зварюваність сталей, - схильність до утворення тріщин різного типу та механічні властивості зварної сполуки.

По зварюваності стали поділяють чотирма групи: перша - добре зварюються; друга - задовільно зварювані; третя – обмежено зварюються; четверта - погано зварюються сталі.

До першої групи належать сталі, зварювання яких може бути виконано за звичайною технологією, тобто. без підігріву до зварювання та в процесі зварювання та без подальшої термообробки. Однак застосування термообробки для зняття внутрішньої напруги не виключається.

До другої групи відносять сталі, при зварюванні яких у нормальних виробничих умовах тріщин не утворюється. У цю ж групу входять сталі, які для попередження утворення тріщин потребують попереднього підігріву, а також попередньої і подальшої термообробки.

До третьої групи відносять сталі, схильні у звичних умовах зварювання до утворення тріщин. При зварюванні їх попередньо піддають термообробці та підігрівають. Крім того, більшість сталей, що входять до цієї групи, піддають термообробці після зварювання.

До четвертої групи відносять сталі, що найбільш важко піддаються зварюванню і схильні до утворення тріщин. Ці сталі зварюються обмежено, тому зварювання їх виконують з обов'язковою попередньою термообробкою, з підігрівом у процесі зварювання та наступною термообробкою.

При зварюванні вуглецевих та легованих сталей зварюваність визначається випробуваннями на схильність до утворення холодних тріщин.

Відомо, що холодні тріщини виникають у металі зони термічного впливу за наявності трьох умов: утворення загартованих мікроструктур (мартенситу); наявності дифузійного водню і напруг, що розтягують.

Для оцінки схильності металу до утворення холодних тріщин використовують поняття хімічного еквівалента вуглецю. В основу математичного підходу до опису хімічного еквівалента вуглецю було покладено припущення, що зварюваність можна визначити за показником, який визначає, який мінімальний критичний час охолодження необхідно, щоб у металі шва утворилося 100% мартенситу. Чим менше підгото-

Хімічний склад досліджуваних сталей, %

Марка стали З Б! Мп № Сг Мо Сі

Низьковуглецеві

Сталь Ст 3 сп 0,14-0,22 0,12-0,30 0,40-0,65 0,30 0,30 - 0,25

Сталь 20 0,17-0,24 0,17-0,37 0,35-0,65 0,30<0,30 - 0,25

Сталь 20г 0,17-0,24 0,17-0,37 0,70-1,00 0,25<0,25 - -

Сталь 15 0,12-0,19 0,17-0,37 0,35-0,65 0,30 0,30 - 0,30

Середньовуглецеві

Сталь Ст 4 сп 0,18-0,27 0,12-0,30 0,40-0,70 - - - -

Сталь Ст 5 сп 0,28-0,37 0,15-0,35 0,50-0,80 - - - -

Сталь 25 0,22-0,30 0,17-0,37 0,50-0,80 -<0,25 - -

Сталь 40 0,37-0,45 0,17-0,37 0,50-0,81 -<0,25 - -

Низьколеговані

15ХСНД 0,12-0,18 0,40-0,70 0,40-0,70 0,3-0,6 0,6-0,9 - 0,20-0,4

10Г2С1 £0,12 0,90-1,20 1,30- 1,65 £0,30 £0,30 - £0,30

20ХМ 0,15-0,25 0,17-0,37 0,40-0,70 - 0,8-1,1 0,40-0,60 -

10Г2Б £0,12 0,17-0,37 1,20-1,60 £0,30 £0,30 - £0,30

17ГС 0,14-0,20 0,40-0,60 1,0- 1,40 £0,30 £0,30 - £0,30

16Г2АФ 0,12-0,18 0,17-0,37 1,30-1,70 - - - -

Середньолеговані

12Х5МА 0,15 0,6 0,5 - 4,0-6,0 0,5-0,6 -

20Х2МА 0,18-0,24 0,17-0,37 0,30-0,70 0,3-0,7 2,1-2,4 0,25-0,35 -

30ХН2МФА 0,26-0,33 0,17-0,37 0,30-0,60 2,0-2,5 0,6-0,9 0,20-0,30 -

06НЗ 0,04-0,08 0,3 0,5 3,0-4,0 - - -

20ХГСА 0,17-0,23 0,90-1,20 0,80 - 1,10 - 0,8-1,1 - -

30ХДСНА 0,27-0,34 0,90-1,20 1,00 - 1,30 1,4-1,8 0,9-1,2 - -

ного часу необхідно для утворення 100% мартенситної структури (тобто чим вище критична швидкість охолодження), тим краще зварюваність і вищий опір утворенню холодних тріщин. Це свідчить про те, що підготовчі процеси, пов'язані з утворенням холодних тріщин, мають дифузійний характер і безпосередньо пов'язані з перерозподілом водню в металі шва. У разі малого інкубаційного періоду (1 - 10 с) утворення мартенситу водень швидко фіксується у металі шва, проте його локальна концентрація виявляється недостатньою для ініціювання утворення холодних тріщин. У разі тривалого інкубаційного періоду утворення мартенситу (1000 - 2000 с) часу виявляється цілком достатньо для охрупчування металу, що зварюється в результаті дії водню. При малому інкубаційному періоді, але подальшій тривалій витримці можливий поступовий перерозподіл водню, що викликає ефект уповільненого руйнування.

Рівняння хімічного еквівалента вуглецю має вигляд:

РЄ м = С+--+--Мп+-№ +

Сг+--Мо+-Сі,

де, Мп і т.д. елементів, %.

концентрація хімічних

Оцінка загартовуваності металу ЗТВ розраховується за рівнянням:

1п(Мм) = А СЕм + В,

АМ – критичний час охолодження від температури від 800 до 500 °С, с.

При СЕм від 0,2 до 0,45% стали мають гарну зварюваність; при

РЄ м = 0,46 - 0,576% - задовільною; при РЄ м = 0,577 -0,782% - обмеженою і при РЄ м = = 0,783-1,0% - поганою зварюваністю.

Метою цієї роботи є визначення зварюваності за хімічним еквівалентом вуглецю деяких низько- та середньовуглецевих, низько- та середньолегованих сталей, хімічний склад яких наведено в табл. 1.

Розрахунки СЕм та 1п(А^) наведені нижче, а графічні залежності 1п(А^) від СЕм представлені на рис. 1-4.

Розрахунок СЕм і 1п(А^) за рівняннями (1) та (2)

Низьковуглецеві сталі

Сталь Ст. 3 сп _ _ 0,12 0,40 0,30 0,30 0,25

38 6,0 12 1,8 9,1 1п(Ау = 11,26-0,427-3,51 = 1,29

для сталей, що добре зварюються: Ст. 3 сп, 20, 20г, 15, ст. 4 сп, 25, 06Н3

Мал. 2. Вплив СЕМ на 1п(Ау для задовільно зварюються сталей: Ст. 5 сп, 15ХСНД, 10Г2С1, 10Г2Б, 17ГС, 16Г2АФ

Мал. 3. Вплив СЕМ на 1п(А(м) для сталей, що обмежено зварюються: 40, 20ХГСА

се м = 0,17 +017 +035 +030 +025 +025 = 0,422,%;

М 38 6,0 12 1,8 9,1

1п(Ду = 11,26.0,42 -3,51 = 1,24

РЄ м = 0,17 +0І +035 +030 +025 +025 = 0,422,%;

М 38 6,0 12 1,8 9,1

1п(Ду = 11,26.0,442 -3,51 = 1,46

^ 0,17 0,35 0,30 0,30 0,30 п лпг 0.

СЕм = 0,12+--+--+--+--+--=0,406,%; М 38 6,0 12 1,8 9,1

1п (Ду = 11,26.0,406 -3,51 = 1,06

У всіх вищезгаданих низьковуглецевих сталей хімічний еквівалент вуглецю СЕМ<0,45, поэтому они относятся к хорошо сваривающимся сталям.

Мал. 4. Вплив СЕМ на 1п(А(м) для сталей, що погано зварюються: 20ХМ, 12Х5МА, 20Х2МА, 30ХН2МФА, 30ХГСНА

Середньовуглецеві сталі Сталь Ст. 4 сп

РЄ м = 0,27 +030 +070 = 0,394,%; М 38 6,0

1п (ДМ) = 11,26.0,394 -3,51 = 0,92

Оцінка зварюваності сталей

Марка стали СЕм, % 1п(ЛГм) ЛГм, зварюваність

Низьковуглецеві

Сталь Ст 3 сп 0,427 1,29 3,661 гарна

Сталь 20 0,422 1,24 3,459

Сталь 20г 0,442 1,46 4,331 гарна

Сталь 15 0,406 1,06 2,889 гарна

Середньовуглецеві

Сталь Ст 4 сп 0,394 0,92 2,524 гарна

Сталь Ст 5 сп 0,492 2,02 7,606 задовільна

Сталь 25 0,429 1,32 3,743 гарна

Сталь 40 0,626 3,53 34,398 обмежена

Низьколеговані

15ХСНД 0,575 2,96 19,375 задовільна

10Г2С1 0,564 2,84 17,115 задовільна

20ХМ 0,869 6,27 531,126 погана

10Г2Б 0,529 2,44 11,542 задовільна

17ГС 0,541 2,58 13,210 задовільна

16Г2АФ 0,464 1,71 5,551 задовільна

Середньолеговані

12Х5МА 3,842 39,75 1,833 1017 погана

20Х2МА 1,534 11,98 160011,345 погана

30ХН2МФА 0,899 6,61 743,969 погана

06НЗ 0,402 1,01 2,762 гарна

20ХГСА 0,771 5,17 176,09 обмежена

30ХДСНА 1,076 8,42 4536,90 погана

Сталь Ст. 5 сп

СЕм = 0,35 +035 +080 = 0,492%; м 38 6,0

1п (ЛМ) = 11,26-0,492 -3,51 = 2,02

Сталь 10Г2С1

™ пш 0,9 1,3 0,30 0,30 0,30%

СЕм = 0,10+--+--+--+--=0,564 % м 38 6,0 12 1,8 9,1

1п (ЛМ) = 11,26-0,564 -3,51 = 2,84

РЄ м = 0,22 +

Сталь 25 0,17 0,50 0,22

1п (Лу = 11,26-0,429 -3,51 = 1,32

Сталь 20ХМ

П10 0,17 0,40 0,8 0,40 п огп 0. СЕм = 0,18+--+--+--+--=0,869,%; м 38 6,0 1,8 2,3

1п (Лу = 11,26-0,869 -3,51 = 6,27

0,17 0,50 0,25 --+-+-

1п (Лу = 11,26-0,626 -3,51 = 3,53

У сталей Ст. 4 та 25 хімічний еквівалент вуглецю СЕм<0,45 %, и они относятся к хорошо сваривающимся сталям. У стали 40 СЕм = 0,626 %, поэтому ее можно отнести к ограниченно сваривающимся, сталь Сп. 5 СЕм = 0,492 %, поэтому она относится удовлетворительно сваривающимся сталям.

Низьколеговані сталі

РЄ м = 0,12 +

Сталь 15ХСНД 0,40 0,40 0,30 0,60 0,20

38 6,0 12 1,8 9,1 1п(Лу = 11,26-0,57 -3,51 = 2,96

Сталь 10Г2Б

0,17 1,2 0,30 0,30 0,30 „ 10 +--+--+--+--=0 38 6,0 12 1,8 9,1

1п (Лу = 11,26-0,529-3,51 = 2,44

Сталь 17ГС 0,40 1,0 0,30 0,30 0,30

-+-■+--+--+--=0,541, %

38 6,0 12 1,8 9,1 1п(Лу = 11,26-0,541 -3,51 = 2,58

Сталь 16Г2АФ

РЄ м = 0,18 + 037 +165 = 0,464,%; м 38 6,0

1п (Лу = АСЕм + В = 11,26-0,464-3,51 = 1,71

Стали 10Г2С1, 10Г2Б, 17ГС, 15ХСД, 16Г2АФ відносяться до сталей, що задовільно зварюються, 20ХМ - до погано зварюваних сталей.

Середньолеговані сталі

Сталь 12Х5МА

^ плг 0,6 0,5 6 0,6 „, СЕМ = 0,15+-++-++-+-=3,842, % M 38 6,0 1,8 2,3

ln (AfM) = 11,26-3,842 -3,51 = 39,75

Сталь 20Х2М2

0,17 0,3 0,3 2,1 0,25 „ --+-++-++-+--=1,534, % 38 6,0 12 1,8 2,3

ln(AfM) = 11,26-1,534-3,51 = 11,98

Сталь 30ХН2МФА 0,17 0,3 2,0 0,6 0,20

РЄ M = 0,26 +--+-++-++-++■

38 6,0 12 1,8 2,3 ln(AiM) = 11,26-0,899 -3,51 = 6,6

Сталь 06НЗ

030 + 050 + М = 002%; 38 6,0 12

ln(AiM) = 11,26-0,402-3,51 = 1,01

ступити для побудови графіків відповідних задовільною, обмеженою і поганою зварюваності (рис 2 - 4).

З табл. 2 видно, що чим менший критичний час охолодження 100% мартенситу, тим менше значення хімічного еквівалента вуглецю, тим вище зварюваність і тим менша ймовірність утворення холодних тріщин у вуглецевих та легованих сталях.

При малому значенні часу (1 - 10) локальна концентрація водню недостатня для утворення холодних тріщин.

Чисельне значення часу, що впливає зварюваність сталей (табл. 2) можна розподілити так: (1-5) с - хороша; (5-18) з - задовільна; при AtM>18 с - обмежена та погана зварюваності.

Таким чином, викладені у статті відомості будуть корисні розробникам матеріалів, що зварюються, технологам при проектуванні технології зварювання різних конструкцій, студентам при вивченні дисципліни «Теорія зварювальних процесів».

бібліографічний список

Сталь 20ХДСА

СЕ« = 0,17 + 09 +08 +08 = 0,771,%;

1п (Ду = 11,26-0,771-3,51 = 5,1

Сталь 30ХДСНА

п ^ 0,9 1,0 1,4 0,9 1 ппг 0.

СЕм = 0,27 I-1-I-:-I-:-I--=1,076,%; м 38 6,0 12 1,8

1п (Ду = 11,26-1,076 -3,51 = 8,4

Сталь 06Н3 має СЕм =0,402, вона відноситься до сталей, що добре зварюються. Сталь 20ХГСА має СЕм =0,771, тому вона відноситься до сталей, що обмежено зварюються. Сталі 12Х5МА, 20Х2М2, 30ХН2МФА, 30ХСНА ставляться до сталей, що погано зварюються.

Отримані в результаті розрахунку СЕм та 1п(Ду зводимо в табл. 2.

Побудуємо графічні залежності хімічного еквівалента вуглецю від логарифму критичного часу охолодження 100% мартенситу за групами зварюваності.

Наприклад, для побудови графіка "зварюваність хороша" необхідно з табл. 2 вибрати значення СЕм у межах 0,2 - 0,45% і відповідні їм значення 1п(Ду. Таким же чином потрібно по-

1. Ющенко, К. А. Зварюваність та перспективні процеси зварювання матеріалів [Текст] / К. А. Ющенко // Автоматичне зварювання. – 2004. – № 9. – С. 40 – 45.

2. Довідник зварювальника / За ред. В. В. Степанова. - 3-тє вид. - М.: Машинобудування, 1974. - 520 с.

3. Костін, В. А. Математичні опис вуглецевого еквівалента як критерію оцінки зварюваності сталей [Текст] / В. А. Костін // Автоматичне зварювання. – 2012. – № 8. – С. 12-17.

4. Технологія електричного зварювання металу та сплавів плавленням [Текст] / За ред. Б. Є. Патона. - М.: Машинобудування, 1974. - 768 с.

ЛОПАЄВ Борис Євгенович, кандидат технічних наук, доцент (Росія), доцент кафедри "Машинобудування та матеріалознавство".

ХІСМАТУЛІН Роман Рафікович, студент гр. С-510

КАГАРМАНОВ Ігор Ігорович, студент гр. СМ-312

машинобудівного інституту

УСТЯН Армен Манвелович, магістрант гр. СПМ-

514 машинобудівного інституту.

Адреса для листування: 644050, м. Київ, пр. Миру, 11.

Стаття надійшла до редакції 26-02-2015 р. © Б-Е-Лопаєв, Р.Р. Хісматулін, І-І-Кагарманов, А-М-Устян

Книжкова полиця

Милов, Г- В- Методологічні основи автоматизації конструкторсько-технологічного проектування гнучких багатошарових друкованих плат / Г- В- Милов, А- І- Таганов- - М-: Гаряча лінія-Телеком, 2014- - 167 c- - ISBN 978-5 -9912-0367-8-

Викладено методологічні основи, що включають сучасну концепцію побудови інформаційного супроводу стадій життєвого циклу гнучких багатошарових друкованих плат (ГМП), основи аналізу та синтезу проектних конструкторсько-технологічних рішень та інформаційної підтримки етапів автоматизованого проектування та технологічної підготовки виробництва виробів ГМП. Для фахівців, буде корисна аспірантам та студентам.

Під зварюваністю розуміється здатність сталі даного хімічного складу давати при зварюванні тим чи іншим способом високоякісне зварне з'єднання без тріщин, пір та інших дефектів. Від хімічного складу сталі залежить її структура та фізичні властивості, які можуть змінюватися під впливом нагрівання та охолодження металу при зварюванні. На зварюваність сталі впливає вміст у ній вуглецю та легуючих елементів. Для попереднього судження про зварюваність сталі відомого хімічного складу можна підраховувати еквівалентний вміст вуглецю, користуючись формулою

За ознакою зварюваності всі стали можна умовно поділити на чотири групи:

1. Добре зварюються у яких екв трохи більше 0,25. Ці сталі не дають тріщин при зварюванні звичайним способом, тобто без попереднього та супутнього підігріву та подальшої термообробки.

2. Задовільно зварюються, у яких екв в межах 0,25-0,35; вони допускають зварювання без появи тріщин, тільки в нормальних виробничих умовах, тобто при температурі навколишнього вище 0°С, відсутності вітру і ін.

До цієї ж групи відносять сталі, які потребують попереднього підігріву або попередньої та подальшої термообробки для попередження утворення тріщин при зварюванні в умовах, що відрізняються від нормальних (при температурі нижче 0 ° С, вітрі та ін).

3. Обмежено зварювані, у яких екв в межах 0,35-0,45; вони схильні до утворення тріщин при зварюванні у звичайних умовах. При зварюванні таких сталей необхідна попередня термообробка та підігрів. Більшість сталей цієї групи піддають термообробці і після зварювання.

4. Погано зварюються, у яких С екв вище 0,45; такі стали схильні до утворення тріщин при зварюванні.

Їх можна з'єднувати лише з попередньою термообробкою, підігрівом у процесі зварювання та наступною термообробкою. Для металу невеликої товщини граничне значення екв можна підвищити до 0,55. Температура попереднього підігріву для низьколегованих сталей залежно від величини С екв приймається такою:

Попередній підігрів уповільнює охолодження та оберігає від появи холодних тріщин при зварюванні.

Зварюваність стали визначають також різними пробами. За допомогою проб встановлюють, чи не з'являється при зварюванні цієї сталі тендітних структур у металі шва і навколошовної зони, що сприяють утворенню тріщин.

Найбільш простий є технологічна проба, при якій до аркуша з випробуваної сталі приварюють втавр одностороннім кутовим швом прямокутну пластину (рис. 127 а). Після остигання на спокійному повітрі пластину збивають молотком, руйнуючи шов з його вершини. Якщо будуть виявлені сліди тріщин, що раніше утворилися, або руйнувань у вигляді виривів основного металу поблизу шва, то сталь є обмежено зварюється і вимагає попереднього підігріву і подальшої термообробки.

Схильність до утворення холодних тріщин більш товстої сталі можна перевіряти пробою за способом Кіровського заводу (рис. 127 б, віг). У середині квадратного (130x130 мм) зразка робиться виточка діаметром 80 мм. Товщина а частини зразка, що залишилася, дорівнює 2, 4, 6 мм. У виточення наплавляють один або два валики (див. рис. 127, віг), охолоджуючи денце зовні повітрям або водою. Якщо при наплавленні валика і охолодженні водою зразок не дає тріщин, сталь вважається такою, що добре зварюється. Якщо тріщини з'являються при охолодженні водою, але не виникають при охолодженні на повітрі, то сталь вважається такою, що задовільно зварюється. Сталь вважається такою, що обмежено зварюється, якщо

Зварюваність - одна з головних технологічних вимог, що висуваються до будівельних сталей, оскільки більшість металоконструкцій є звареними. Одним з найважливіших технологічних показників зварюваності є вуглецевий еквівалент, далі CE ( від англ. Carbon Equivalent). Потрібен він для того, щоб оцінити спільний вплив на зварюваність елементів, що містяться в сталі вуглецю та ін., Звівши їх в одне значення - CE. Більш високий вміст сталі C, і таких елементів як Mn, Cr, Si, Mo, V, Cu і Ni знижують здатність сталі до зварювання, тому як збільшують схильність металу шва до загартування при його охолодженні: якщо після зварювання метал шва загартується, то в результаті отримаємо різні властивості основного металу та металу зварного шва, який буде менш пластичним і більш схильний до крихкого руйнування. Тому часто для забезпечення гарної якості зварного шва сталей з високим значенням CE потрібно підігрів шва до або після зварювання, або те й інше.

Існує кілька формул для оцінки CE:

• При розрахунку за ф. (1) зварюваність вважається задовільною при CE<=0,45
• При розрахунку за формулою (2) існує підрозділ сталей різного класу міцності:
  зварюваність вважається задовільною при CE<=0.49 для стали класса прочности 390, и при CE<=0.50 для стали класса прочности 440
• Розрахунок за ф. (3). На думку Американського товариства зварювальників для CE понад 0,4 у зоні термічного впливу шва вже існує ризик розтріскування. Відповідно, зварюваність задовільна у CE<=0,4
• При розрахунку за ф. (4) зварюваність сталі в залежності від CE може бути визначена як

< 0.35 — отличная
0.36-0.40 - дуже хороша
0.41-0.45 - хороша
0.46-0.50 - середня
>0.50 - погана

• При розрахунку за ф. 5 значення CE<=0,3 считается оптимальным для обеспечения свариваемости. Чем-то это отдаленно напоминает ГОСТ 19281 (см. ф. 2 и примечание после таблицы), но все-таки конкретики здесь побольше.

Гольдштейн М. І., Грачов С. Ст, Векслер Ю. Г.Спеціальні сталі. Підручник для вишів. М: Металургія, 1985. 408 с. [див. стор 121]

ГОСТ 535-2005, п. 4.4

ГОСТ 19281-89 п. 2.2.4

Bruneau Michel; Uang, Chia-Ming; Whittaker, Andrew Stuart. Ductile design of steel structures, 1998, McGraw-Hill Professional, 485 p [див. стор 31].

JF. Lancaster Metallurgy of welding - Sixth Edition. Abington Publishing. 1999 pp. 464

Ginzburg, Vladimir B.; Ballas, Robert (2000), Flat rolling fundamentals, CRC Press, pp. 141–142

Впровадження в промисловість сталей нових марок та сплавів з високими властивостями утруднено через складність забезпечення технологічної міцності та експлуатаційної надійності зварних з'єднань. Як правило, за інших рівних умов підвищення експлуатаційної міцності металу зварних конструкцій супроводжується зниженням показників технологічної міцності при зварюванні. Тому розробка ефективного технологічного процесу зварювання може бути здійснена тільки з урахуванням комплексу відомостей, що характеризують як технологічну, так і експлуатаційну міцність, тобто з урахуванням відомостей про зварюваність цієї сталі, сплаву.

Зварюваність – властивість металу або поєднання металів утворювати при встановленій технології зварювання з'єднання, що відповідає вимогам, зумовленим конструкцією та експлуатацією виробу. Розрізняють фізичну та технологічну зварюваність:

Фізична зварюваність – властивість матеріалів давати монолітне з'єднання з хімічним зв'язком (такий зварюваність мають практично всі технічні сплави і чисті метали, а також ряд поєднань металів з неметалами);

Технологічна зварюваність – технологічна характеристика металу, що визначає його реакцію на вплив зварювання та здатність при цьому утворювати зварне з'єднання із заданими експлуатаційними властивостями.

Зварюваність металу залежить від його хімічних та фізичних властивостей, кристалічних ґрат, ступеня легування, наявності домішок та інших факторів. Основні показники (критерії) зварюваності металів та їх сплавів:

- окислюваність металу при зварювальному нагріванні, що залежить від його хімічної активності;

Чутливість металу до теплового впливу зварювання, що характеризується схильністю металу до зростання зерна, структурною та фазовою зміною у шві та зоні термічного впливу, зміною міцнісних та пластичних властивостей;

Опірність утворенню гарячих тріщин;

Опірність утворенню холодних тріщин при зварюванні;

Чутливість до утворення пір;

Відповідність властивостей зварного з'єднання заданим експлуатаційним вимогам, до таких властивостей відносять: міцність, пластичність, витривалість, повзучість, в'язкість, жаростійкість та жароміцність, корозійну стійкість та ін.

Крім перерахованих основних показників зварюваності є ще показники, від яких залежить якість зварних з'єднань. До них відносять якість формування зварного шва, величину власних напруг, величину деформацій і короблення матеріалів і виробів, що зварюються.

Методи оцінки зварюваності, що застосовуються на практиці, використовуються для перевірки властивостей основного металу та з'ясування придатності даної технології зварювання або зварювальних матеріалів (електродів, зварювального дроту, флюсів, захисних газів) для виготовлення конструкції, що відповідає вимогам експлуатації.

Усі випробування, що проводяться для визначення показників зварюваності, умовно поділяють на дві основні групи. До першої групи відносяться випробування, що застосовуються при розробці нових марок сталі, нових способів зварювання та зварювальних матеріалів, нових типів конструкцій та при виборі марки сталі, яка за даної технології забезпечує можливість отримання якісної конструкції. Цю групу випробувань проводять, як правило, дослідницькі організації у лабораторних умовах. До другої групи відносяться випробування, що проводяться при перевірці відповідності сертифікату вже вивченої марки сталі або даного зварювального матеріалу та при перевірці придатності вивченої марки сталі для виготовлення нових конструкцій.

Методи визначення показників зварюваності можна розділити на прямі, у яких оцінку проводять шляхом зварювання зразків заданої конструкції на спеціальних установках чи пробах (зразках), і непрямі, у яких зварювальний процес замінюють іншим, що імітує його процесом. Непрямі методи випробувань є попередніми та придатними для наближеної оцінки зварюваності сталей.

У цій роботі визначення зварюваності необхідно використовувати непрямі методи оцінки опірності сталей утворенню гарячих і холодних тріщин. Якщо сталь має схильність до виникнення гарячих або холодних тріщин, необхідно, використовуючи довідкову літературу або інші джерела, підібрати заходи щодо зниження ймовірності утворення тріщин (попередній підігрів, подальша термообробка, температура нагрівання, час витримки і т.д.).

Чавуни є потрійними сплавами залізо-вуглець-кремній. Основними видами чавунів є:
— ;
— ;
— високоміцні чавуниз кулястим графітом;
— ковані чавуни.

Вуглець і кремній у чавунах

Вуглець знаходиться в основному у вигляді графіту в сірих і ковких чавунах, а також у міцних чавунах з кулястим графітом. У білих чавунах вуглець є у вигляді цементиту Fe 3 C.

На тип та форму вуглецевої фази в чавунах впливає вміст кремнію. Збільшення вмісту кремнію ускладнює утворення цементиту і, тим самим, сприяє формуванню графіту в сірих, ковких і високоміцних чавунах.

Вуглецевий еквівалент для чавунів

Працюючи з чавунами часто застосовують поняття вуглецевого еквівалента. Для чавунів вуглецевий еквівалент РЄ має такий вигляд:

Рисунок нижче дає графічне уявлення про співвідношення вмісту вуглецю та кремнію у різних типах чавунів.

Малюнок 1 – Інтервали вмісту вуглецю та кремнію
для різних типів чавунів і кремнієвмісних сталей

Зауважимо, що пунктирна лінія вгорі рисунка показує склад будь-якого виду чавуну, для якого РЄ = 4,3 %. Пунктирна лінія внизу малюнка відбиває співвідношення РЄ = 2,0% - вона відокремлює кремнійвмісні сталі від чавунів.

Для ясності розглянемо залізовуглецевий метал – чавун, у якому взагалі відсутня кремній. Тоді цей сплав містить лише залізо+вуглець та його розташування на графіку буде обмежено вмістом вуглецю 4,3 %. На малюнку 2 видно, що цей склад є точно евтектичним складом для сплавів залізо-цементит і дуже близький до евтектичного складу сплавів залізо-графіт.

Малюнок – Комбінована фазова діаграма залізо-графіт та залізо-цементит

Верхня пунктирна лінія на малюнку 1 є гарною інтерпретацією зміни евтектичного складу зі збільшенням вмісту залізовуглецевих кремнію сплавах. Взагалі, якщо чавун має склад, близький до евтектичного, частка в них аустенітних дендридів буде дуже невеликою. Це означає, що коли вуглецевий еквівалент РЄ у чавунах падає набагато нижче 4,3 %, то об'ємна частка твердої фази у вигляді дендридів зростає. Аналогічно, коли вуглецевий еквівалент РЄ наближається до 4,3%, то зростає частка евтектичної суміші – або аустеніт + графіт у сірих чавунах, або аустеніт + цементит у білих чавунах.