книги / Теория сварочных процессов

Испытания выполняют статическим нагружением со скоростью

роста коэффициента интенсивности напряжений (КИН) не более

0,5…1,5 МПа м1/2/с.

В процессе испытаний регистрируют диаграмму Р-v, где v – смещение берегов надреза, фиксируемое датчиками.

Коэффициент интенсивности напряжений характеризует повышение растягивающих напряжений в локальной зоне у ведущего края хрупкой трещины. Его определяют по формуле

K1 =σ πl ,

где σ – среднее напряжение о внешней нагрузки; l – длина трещины. Нагрузку, соответствующую нестабильному росту трещины (скач-

кообразное увеличение ее длины на 2 %), считают критической и по ней рассчитывают критический коэффициент KIС. При K ≥ KIС. начинается нестабильное распространение хрупкой трещины.

Энергетический критерий трещиностойкости – вязкость разрушения GIC – определяется затратами энергии на увеличение трещины на единицу длины.

Вязкость разрушения определяется соотношением

GIC = KEI2C (1−ν 2 ),

где Е – модуль упругости (Юнга); ν – коэффициент Пуассона; KIС – критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины.

Контрольные вопросы

1.Что такое физическая и технологическая свариваемость?

2.Приведите классификацию сталей по свариваемости.

3.Перечислите основные критерии свариваемости.

4.Опишите характер объемных изменений малоуглеродистой стали в процессе ее охлаждения из расплава до комнатной температуры.

5.Каков характер упругопластических деформаций, возникающих

вметалле шва при дуговой сварке?

6. В чем особенности строения и свойств стали, находящейся

винтервале температур Тл − Тс?

7.Каков механизм образования горячих трещин при деформации металла, находящегося в двухфазном, твердожидком состоянии?

8.Сущность методики оценки сопротивляемости металла шва образованию трещин, разработанной в МВТУ им. Баумана.

221

9.Что такое подсолидусные трещины?

10.Что такое температурный интервал хрупкости?

11.Перечислите факторы склонности к образованию горячих трещин при сварке.

12.Методы предотвращения горячих трещин.

13.Основные причины возникновения холодных трещин при сварке.

14.Как влияют различные элементы термического цикла при сварке на конечную структуру и на возникновение холодных трещин?

15.Какова роль водорода в образовании холодных трещин при

сварке?

16.Каков механизм влияния водорода на образование холодных трещин в металле?

17.Как поясняется механизм образования холодных трещин при сварке с привлечением теории замедления разрушения? В чем смысл схемы Зиннера?

18.Каковы пути повышения технологической прочности сварных соединений?

19.Что такое ламелярные трещины? Перечислите методы оценки склонности металла шва к образованию ламелярных трещин.

20.Что такое трещины повторного нагрева? Перечислите методы оценки склонности металла шва к образованию трещин повторного нагрева.

222

привести ее в данное состояние. Принято измерять приращение энтальпии Н0 по отношению к ее величине в стандартных условиях (р = 1 ат =

= 105 Па, Т = 25 °С = 289 К). Обозначают такую величину Н0298. Если температура процесса отлична от стандартной, то в обозначении эн-

тальпии присутствует нижний символ «т»: ∆H т0 .

Для экзотермических реакций, идущих с выделением теплоты, энтальпия убывает, т.е. она обратна тепловому эффекту реакции по знаку.

Приращение энтальпии вещества ∆H т0 в пределах одного агрегатного состояния пропорционально температуре (∆Т) и его теплоемкости (С):

С = const в приближенных расчетах. При переходе из одного фазового или агрегатного состояния вещества в другое энтальпия изменяется на

∆Нпр − энтальпия плавления, испарения и т.д.

Вторая составляющая изменения внутренней энергии системы − энтропия ∆S. Это энергия, расходуемая на изменение внутреннего строения вещества, степени беспорядка его атомно-кристаллического строения. Она также зависит от температуры, давления р и концентрации Nс элементов в сплавах. При р и Nс = const ∆S = ∆Q∆T , где ∆Q −

приращение энергии вещества или системы при нагреве на 1 К. Основная величина, которая характеризует направления химиче-

ских реакций при любых процессах, в том числе, при сварке плавлени-

ем, это термодинамический потенциал Гиббса (энергии Гиббса) ∆G.

Суммируя ∆Н и ∆S, определяют приращение термодинамического потенциала Гиббса (энергии Гиббса) ∆G для конкретной температуры по отношению к стандартной. Для простых веществ, не претерпевающих превращений,

Однако при определении ∆H т0 следует иметь в виду, что С зависит от температуры.

Приближенный расчет ∆Gт0 , учитывающий эту зависимость, проводят по формуле Улиха:

энтропии и теплоемкости реагирующих веществ при стандартных условиях. Их значения содержатся в табл. 1. Погрешность, создаваемая до-

224

пущением постоянства при 298 К ∆CT0 = ∆C2980 , компенсируется таб-

личным коэффициентом М0, который изменяется от 0 до 2,5 при нагреве от 298 до 8000 К (табл. 2).

Для подсчета ∆G реакции в целом применяют условие ее записи: справа указывают продукты реакции, а слева − исходные вещества, например:

Эта реакция в прямом направлении является реакцией восстановления кремния (кремниевосстановительный процесс), а в обратном направлении – реакцией раскисления железа кремнием.

Подсчет ∆H 2980 , ∆S2980 и ∆C2980 для реакции проводят, принимая их значения для продуктов реакции со знаком плюс, а для исходных

веществ − со знаком минус. Так, согласно данным табл. 1, приращение энтальпии при стандартных условиях:

=19,8 + 2 48,2 − 2 25,2 − 44,5 = 21,2 (Дж).

Витоге получают конечную формулу для определения ∆Gт0 :

Затем определяют ∆Gт0 для интересующего интервала температур, последовательно задавая в формуле (6) определенную температуру – 1000, 2000 К и т.д. Коэффициент М0 для каждой температуры определяют по табл. 2. Для условий сварки плавлением наиболее интересен интервал температур от 1000 до 6000 К.

Возможны три случая:

225

При меньших температурах идет обратная реакция, т.е. раскисление железа кремнием (стадия ванны):

∆Gт0 (1000) = 115250 Дж;

∆Gт0 (3000) = 92450 Дж,

т.е. реакция при любой температуре вплоть до 6000 К идет в обратном направлении. Таким образом, марганец является хорошим раскислителем и на стадии ванны, и на стадии капли.

При графическом сравнении хода нескольких реакций (см. рисунок) видно, что более интенсивно идет реакция с оксидом титана, где

более отрицательные значения ∆Gт0 . Чем более отрицательные значе-

ния имеет ∆Gт0 реакция взаимодействия оксида железа с другим метал-

лом, тем более активным раскислителем является этот металл. Раскислительная способность металлов зависит от температуры и увеличивается в следующем ряду:

Ni, Fe, Mn, C, Si, Ti, Al → при температуре 2000 К, Ni, Fe, Si, Mn, Ti, Al, C → при температуре 4000 К.

Задание. Определить направление химической реакции в заданном интервале температур:

nFe + МеOn ↔ Ме + nFeO,

где МеOn – оксид металла в соответствии с вариантами задания. Указать температурные интервалы, соответствующие процессу раскисления железа и процессу легирования металлом Ме сварного шва.

Варианты задания 1:

227

6. Собрать итоговую формулу, оставив в виде символов только температуру и коэффициент М0, например:

∆Gт0 = 121250 − 4Т − 4,5М0Т.

Задавая определенные значения температуры из указанного в варианте интервала, определить коэффициент М0 по табл. 2 и вычислить значение ∆Gт0 . Результаты занести в таблицу:

7. Построить график зависимости Гиббса ∆Gт0 от температуры по

результатам расчета, аналогично графику, приведенному на рисунке. 8. Сделать выводы о направлении химической реакции по знаку

∆Gт0 . Выяснить, будет ли выбранный металл являться раскислителем для железа, и если будет, то в каком температурном интервале.

Таблица 1

Термодинамические свойства некоторых простых веществ и химических соединений при стандартных условиях

229

230