Константа растворимости водорода К зависит от темпера туры и состава металла, которая может быть определена урав
нением
174е;
lg К = ------— ----- 1,72. |
(3.26) |
Т |
|
Растворимость водорода в железе при парциальном давле нии рнг=0,1 МПа в зависимости от температуры показана на рис. 3.7.
Для приближенной оценки растворимости водорода в рас плавленном железе при абсолютной температуре Т и парци-
Рис. 3.7. Растворимость в железе водорода |
Рис. 3.8. Влияние температуры и |
парци- |
при парциальном давлении рц„ =0,\ МПа |
ального давления водорода в газовоА фазе |
|
|
на его растворимость в жидком |
железе |
альном давлении рн2 в интервале температур |
до 2570 К |
можно пользоваться уравнением |
|
1745 |
(3 .27) |
lg V = 0,5 lg рн2---- 4 jr ~ + 0,888, см3/ 100. |
На основании расчетов по приведенному уравнению по строены кривые (рис. 3 .8 ).
3.3.2. Взаимодействие металла со шлаками
Шлаками называют расплавы неметаллических соединений — оксидов, галлоидов, сульфидов и т. д., как свободных, так и образующих комплексные соединения. В условиях сварки шлаки образуются при расплавлении сварочного флюса, элек тродного покрытия, сердечника порошковой проволоки, а также могут появляться самопроизвольно, например в результате вза имодействия металла с защитной средой.
Химическое воздействие расплавленного шлака на металл шва в значительной степени определяется соотношением в его составе кислых, основных и амфотерных оксидов. Фториды и
хлориды обычно считают химически нейтральными соедине ниями.
Критерием основности (В) или кислотности (К) шлака на основе молекулярной теории строения его служит отношение компонентов, входящих в состав данного шлака:
|
|
(3.28) |
где т, |
q — количество |
кислых и основных оксидов в составе |
шлака |
соответственно; |
(RO),-— концентрация основных окси |
дов в составе шлака, например CaO, MgO, MnO, FeO и т. д.;
(R02) K— то |
же, кислых оксидов, |
например |
Si02, ТЮ2, Zr0 2 |
||
и т. д. |
считаются |
кислыми |
при |
В<1, |
основными — при |
Шлаки |
|||||
В>1 и нейтральными |
— при В=1. |
Эта |
классификация в опре |
||
деленной мере формальна. Физический смысл понятия основ ности шлака состоит в оценке активности иона кислорода. Чем выше основность шлака, тем больше активность иона кисло рода О-2, т. е. тем больше свободных ионов кислорода.
В настоящее время наиболее часто употребляется формула,
принятая |
Международным институтом |
сварки |
(МИС): |
||
р _ C aO +M gO +B aO +N a2O4-K2O+LiO2+C aF2-f0,5(M nO +FeO ) |
|||||
|
S102 + 0,5 (А 1 А + TiO, + Zr02) |
|
|
||
|
|
|
|
|
(3.29) |
где CaO, |
MgO, A12 0 3, Li02 и т. д.— содержания |
компонентов |
|||
шлака, % |
(по массе). |
|
|
|
|
Имеется более точное выражение этой формулы |
|||||
0,018СаО + 0,015MgO + 0,006CaF2 + |
0,014 X |
|
|
||
в _ |
X (Na2Q + |
к20) + 0,007 (MnO + |
FeO) |
|
|
|
0,017SiO 2 + |
0,005 (А1аОэ + ТЮ2 + |
Zn02) |
' |
(3'30) |
Несмотря на ионную природу шлаков, все расчеты химиче ского взаимодействия между шлаком и металлом преимущест венно базируются на молекулярной теории. Это связано с тем, что большинство термодинамических и металлургических дан ных о взаимодействии шлака и металла построено именно на базе названной теории.
Процессы окисления расплавленного металла и ферроспла вов шлаком можно описать следующими реакциями:
(FeO) + [Mn] |
(MnO) + |
(FeJ; |
|
(3.31) |
|||
2 (FeO) + |
[Si] |
(S i0 |
2) + |
2 [Fe]; |
(3.32) |
||
(Fe2Os) + |
3 [Mn] q* 3 |
(MnO) + |
2 [Fe]; |
(3.33) |
|||
2 (FeO) + |
[Ti] |
(TiOa) + |
2 |
[Fe]; |
(3.34) |
||
(FeaOa) + |
2 [Al] |
(A1,0#) + |
2 |
[Fe]. |
(3.36) |
||
73
Если в покрытие или керамический флюс введено сразу не сколько ферросплавов, то в первую очередь окисляются эле менты, обладающие большим сродством к кислороду. По сте пени убывания сродства к кислороду элементы, вводимые в со став электродных покрытий, можно расположить в следующий ряд: Ca->-Al-»-Ti->-Si-»-Mn->-Fe.
Для оценки химической активности сварочных шлаков удобнее всего использовать суммарное количество кислорода, участвующего в окислительно-восстановительных реакциях на межфазной границе. Указанный кислород должен быть связан с химическим составом шлака
выражением вида
0,10
|
|
|
[ ° ] = / ( £ |
^ |
) , |
|
( 3 . 3 6 ) |
||
0,08 |
|
|
где |
Ai — относительная химиче |
|||||
|
|
|
|||||||
0,06 |
|
|
ская |
активность оксида, способ- |
|||||
|
|
ного к восстановлению в свароч |
|||||||
|
|
|
|||||||
0,0<* |
|
|
ной |
ванне; |
п — число оксидов в |
||||
|
|
составе шлака, |
способных |
к вос |
|||||
№ |
|
|
становлению |
в |
сварочной |
ванне. |
|||
|
|
С учетом того обстоятельства, |
|||||||
|
|
|
что химическая |
активность |
кис |
||||
0 |
0,1 ОЛ 06 |
08 Ад, |
лого |
оксида |
определяется |
как |
|||
[ в ] |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 3.9. Общее содержание кислорода |
АФк= ( R O 2) / ( 1 |
0 0 B ) , |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
в наплавленном металле в зависимо |
а основного оксида |
|
|
||||||
сти от |
химической активности |
флюса |
|
|
|||||
|
|
|
Аф |
|
= ( R O ) |
В/100, |
|
|
|
|
|
|
’о |
|
|
|
|
|
|
суммарную химическую активность шлака по уравнению (3.39) можно переписать:
|
Аф = |
( R 0 2 ) , + |
B * |
/ ( 1 0 0 В ) , |
( 3 . 3 7 ) |
|
где т и q — количества |
кислых и основных оксидов соответст |
|||||
венно; |
(RO2 ) |
и (RO)— концентрации кислого и основного ок |
||||
сидов в- составе шлака; |
В — основность |
шлака, определяемая |
||||
по уравнению (3.30). |
|
|
||||
|
В |
конкретизированном виде уравнение (3.37) принимает |
||||
вид: |
|
|
|
|
|
|
|
А |
S i 0 2 + |
0 , 5 ( Т Ю 2 ) + |
0 , 4 ( А 1 А + Z r 0 2) + |
0 , 4 2 В « ( М п О ) |
|
|
Ф |
|
|
|
100В |
|
где |
(БЮг), (ТЮг) |
и т. д.— содержание |
компонентов шлака, |
|||
% |
(по массе). |
|
|
|
||
Корреляционная зависимость содержания кислорода в на плавленном метадЛе от коэффициента относительной химиче ской активности щЛака ПРИ С0арке под флюсом, найденная на основе эксперимен'Гальных Данных, представлена на рис. 3.9.
3.3.3. Влияние фиэик0‘химических реакций на качество металлО шва
В процессе крист0 ллизации сварочной ванны растворимость азота, водорода и кислорода снижается скачкообразно и воз никают предпосылки для обратного их выделения. Это может явиться одним из факторов, способствующих или обусловли вающих появление я развитие пор в металле шва.
Одновременно с изложенным повышение концентрации пе речисленных газов в металле швов может способствовать сни жению механических свойств сварных соединений, образова нию трещин и т. д.
Кислород. Как уже отмечалось, окисление металла приво дит преимущественно к тому, что продукты раскисления реак ций вида (3.23) остаются в закристаллизовавшемся металле в виде мелкодисперсных оксидных включений, повышая общую концентрацию в нем кислорода.
Повышение общей концентрации кислорода в металле швов спо собствует снижению пластично сти и ударной вязкости металла (рис. 3.10). В дополнение
|
|
О |
0,05 |
0,10 |
0,15 Ш , % |
aSa' |
Зависимости пластичности и удар- |
Рис. 3.11. Влияние концентрации азота |
|||
"г” ВЯЗК0Стн металла KCV, швов, выполнен- |
в ннзкоуглероднстой стали на ее ме- |
||||
ных электродами с основным видом покры- |
|
ханнческне |
свойства |
||
тня, |
от общего содержания кислорода |
|
|
|
|
к этому насыщение металла кислородом может явиться одной из причин старения металла шва.
Оксиды по границам зерен снижают ударную вязкость и усталостную прочность. Тонкие пленки оксидов, образующиеся при сварке высоколегированных сталей на поверхности шва, даже в среде защитных газов снижают коррозионную стой кость и их необходимо удалить травлением [7].
Азот. Увеличение концентрации азота в низкоуглеродиетых и низколегированных сталях оказывает существенное влияние на их прочностные и пластические свойства (рис. 3.11). Кри вая растворимости азота в a-железе, находящегося в равнове сии с Fe4 N (см. рис. 3.5), показывает, что азот может явиться одной из причин старения металла шва, сопровождающегося повышением его твердости и снижением пластичности и удар ной вязкости.
Водород. Может самостоятельно или в сочетании с другими факторами приводить к различным дефектам. В ЗТВ или в на плавленном металле при сварке высокопрочных сталей с по вышенным содержанием водорода возможны замедленные хрупкие разрушения. Водород с течением времени после сварки может диффундировать в ЗТВ и таким образом дости гать критической концентрации. Это приводит, например, к об разованию холодных подваликовых трещин [7].
В наплавленном металле, содержащем водород, при быст ром охлаждении могут образоваться микротрещины, снижаю щие усталостную прочность. Если при охлаждении трещины не образуются, снижение выносливости из-за растворенного в стали водорода не наступает до тех пор, пока циклическое нагружение не вызывает пластическую деформацию и тем са мым необратимые повреждения материала.
Глава 4. ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (Куркин А. С.)
4.1.Деформации, перемещения и напряжения при сварке
4.1.1.Виды деформаций
В точках детали при сварке возникают температурные дефор мации еа, а также деформации ес, вызванные силовым взаимо действием неравномерно расширяющихся частей детали. При отсутствии внешних нагрузок, приложенных к детали, дефор мации ес могут быть названы с о б с т в е н н ы м и , иногда их на зывают также в н у т р е н н и м и :
вс —8 — ва, |
( 4 . 1 ) |