Оценка свариваемости сталей различных классов методом химического эквивалента углерода Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

4. Епифанов, Г. И. Физика твердого тела : учеб. пособие для вузов. — М. : Высшая школа, 1965. — 276 с.

5. Алешин, Н. П. Ультразвуковая дефектоскопия : справ. пособие / Н. П. Алешин, В. Г. Лупачев. — Мн. : Высшая школа, 1987. — 271 с.

6. Ермолов, И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля / И. Н. Ермолов. — М. : Машиностроение, 1981. — 240 с.

ЛОМОВА Ольга Станиславовна, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Нефтехимические технологии и оборудование».

Адрес для переписки: 190567@ mail.ru МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, кафедра ТМ.

Статья поступила в редакцию 25.02.2015 г. © О. С. Ломова, А. П. Моргунов

УДК 621.791.011+669.14.018

Б. Е. ЛОПАЕВ Р. Р. ХИСМАТУЛИН И. И. КАГАРМАНОВ А. М. УСТЯН

Омский государственный технический университет

ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КЛАССОВ МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА УГЛЕРОДА_

На основе расчета химического эквивалента углерода проведена оценка склонности углеродистых и легированных сталей к образованию холодных трещин, относящихся к понятию «свариваемость материалов».

Ключевые слова: химический эквивалент углерода, свариваемость, холодные трещины, мартенсит, локальная концентрация, инкубационный период.

Способность материалов образовывать сварное соединение определяется испытаниями на свариваемость.

Свариваемость (соединяемость) — свойство материала образовывать неразъемное соединение с требуемым качеством и уровнем физико-механических и функциональных свойств соединения как в процессе его получения, так и при эксплуатации изделия [1].

Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей, — склонность к образованию трещин различного типа и механические свойства сварного соединения.

По свариваемости стали подразделяют на четыре группы: первая — хорошо сваривающиеся; вторая — удовлетворительно сваривающиеся; третья — ограниченно сваривающиеся; четвертая — плохо сваривающиеся стали [2].

К первой группе относятся стали, сварка которых может быть выполнена по обычной технологии, т.е. без подогрева до сварки и в процессе сварки и без последующей термообработки. Однако применение термообработки для снятия внутренних напряжений не исключается.

Ко второй группе относят стали, при сварке которых в нормальных производственных условиях трещин не образуется. В эту же группу входят стали, которые для предупреждения образования трещин нуждаются в предварительном подогреве, а также в предварительной и последующей термообработке.

К третьей группе относят стали, склонные в обычных условиях сварки к образованию трещин. При сварке их предварительно подвергают термообработке и подогревают. Кроме того, большинство сталей, входящих в эту группу, подвергают термообработке после сварки.

К четвертой группе относят стали, наиболее трудно поддающиеся сварке и склонные к образованию трещин. Эти стали свариваются ограниченно, поэтому сварку их выполняют с обязательной предварительной термообработкой, с подогревом в процессе сварки и последующей термообработкой.

При сварке углеродистых и легированных сталей свариваемость определяется испытаниями на склонность к образованию холодных трещин.

Известно, что холодные трещины возникают в металле зоны термического влияния при наличии трех условий: образования закалочных микроструктур (мартенсита); наличия диффузионного водорода и растягивающих напряжений [3].

Для оценки склонности металла к образованию холодных трещин используют понятие химического эквивалента углерода. В основу математического подхода к описанию химического эквивалента углерода было положено предположение, что свариваемость можно определить по показателю, определяющему, какое минимальное критическое время охлаждения необходимо, чтобы в металле шва образовалось 100 % мартенсита. Чем меньше подгото-

Химический состав исследуемых сталей, %

Марка стали С Б! Мп № Сг Мо Си

Низкоуглеродистые

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

Среднеуглеродистые

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 - -

Низколегированные

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 - - - -

Среднелегированные

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 - -

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

вительного времени необходимо для образования 100 %-й мартенситной структуры (т.е. чем выше критическая скорость охлаждения), тем лучше свариваемость и выше сопротивление образованию холодных трещин. Это свидетельствует о том, что подготовительные процессы, связанные с образованием холодных трещин, имеют диффузионный характер, и напрямую связаны с перераспределением водорода в металле шва. В случае малого инкубационного периода (1 — 10 с) образования мартенсита водород быстро фиксируется в металле шва, однако его локальная концентрация оказывается не достаточной для инициирования образования холодных трещин. В случае длительного инкубационного периода образования мартенсита (1000 — 2000 с) времени оказывается вполне достаточно для охрупчивания свариваемого металла в результате действия водорода. При малом инкубационном периоде, но последующей длительной выдержке возможно постепенное перераспределение водорода, что и вызывает эффект замедленного разрушения.

Уравнение химического эквивалента углерода имеет вид [3]:

1 1 1

СЕ м = С+--+--Мп+—№ +

м 38 6,0 12

1 1 1

+--Сг+--Мо +-Си,

1,8 2,3 9,1

(1)

где С, Мп и т.д. элементов, %.

концентрация химических

Оценка закаливаемости металла ЗТВ рассчитывается по уравнению:

1п(Мм ) = А•СЕм + В,

(2)

где А, В — константы (А= 11,26; В= —3,51), индекс «М» относится к мартенситу,

АМ — критическое время охлаждения от температуры от 800 до 500 °С, с.

При СЕм от 0,2 до 0,45 % стали обладают хорошей свариваемостью; при

СЕ м = 0,46 - 0,576 % — удовлетворительной; при СЕ м = 0,577 -0,782 % — ограниченной и при СЕ м = = 0,783-1,0 % — плохой свариваемостью [3].

Целью настоящей работы является определение свариваемости по химическому эквиваленту углерода некоторых низко- и среднеуглеродистых, низко-и среднелегированных сталей, химический состав которых приведен в табл. 1.

Расчеты СЕм и 1п( А^ ) приведены ниже, а графические зависимости 1п( А^ ) от СЕм представлены на рис. 1—4.

Расчет СЕм и 1п(А^) по уравнениям (1) и (2)

Низкоуглеродистые стали

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

=0,427, %

для хорошо сваривающихся сталей: Ст. 3 сп, 20, 20Г, 15, Ст. 4 сп, 25, 06Н3

Рис. 2. Влияние СЕМ на 1п(Ау для удовлетворительно сваривающихся сталей: Ст. 5 сп, 15ХСНД, 10Г2С1, 10Г2Б, 17ГС, 16Г2АФ

Рис. 3. Влияние СЕМ на 1п(А(м) для ограниченно сваривающихся сталей: 40, 20ХГСА

Сталь 20

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

Сталь 20Г

СЕ м = 0,17+0И+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

Сталь 15

^ 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 всех вышеперечисленных низкоуглеродистых сталей химический эквивалент углерода СЕМ <0,45, поэтому они относятся к хорошо сваривающимся сталям.

Рис. 4. Влияние СЕМ на 1п(А(м) для плохо сваривающихся сталей: 20ХМ, 12Х5МА, 20Х2МА, 30ХН2МФА, 30ХГСНА

Среднеуглеродистые стали Сталь Ст. 4 сп

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

1п(ДМ) = 11,26.0,394 -3,51= 0,92

Оценка свариваемости сталей

Марка стали СЕм, % 1п(ЛГм) ЛГм, с Свариваемость

Низкоуглеродистые

Сталь Ст 3 сп 0,427 1,29 3,661 хорошая

Сталь 20 0,422 1,24 3,459 хорошая

Сталь 20г 0,442 1,46 4,331 хорошая

Сталь 15 0,406 1,06 2,889 хорошая

Среднеуглеродистые

Сталь Ст 4 сп 0,394 0,92 2,524 хорошая

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

Сталь 25 0,429 1,32 3,743 хорошая

Сталь 40 0,626 3,53 34,398 ограниченная

Низколегированные

15ХСНД 0,575 2,96 19,375 удовлетворительная

10Г2С1 0,564 2,84 17,115 удовлетворительная

20ХМ 0,869 6,27 531,126 плохая

10Г2Б 0,529 2,44 11,542 удовлетворительная

17ГС 0,541 2,58 13,210 удовлетворительная

16Г2АФ 0,464 1,71 5,551 удовлетворительная

Среднелегированные

12Х5МА 3,842 39,75 1,833 1017 плохая

20Х2МА 1,534 11,98 160011,345 плохая

30ХН2МФА 0,899 6,61 743,969 плохая

06НЗ 0,402 1,01 2,762 хорошая

20ХГСА 0,771 5,17 176,09 ограниченная

30ХГСНА 1,076 8,42 4536,90 плохая

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

СЕ м = 0,22 +

Сталь 25 0,17 0,50 0,22

38 6,0

+

1,8

= 0,429 , %

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

Сталь 40

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

38 6,0 1,8

= 0,626 , %

1п(Лу = 11,26-0,626 -3,51= 3,53

У сталей Ст. 4 и 25 химический эквивалент углерода 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.

Низколегированные стали

СЕ 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

= 0,575 , %

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

СЕ 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 относятся к удовлетворительно сваривающимся сталям, 20ХМ — к плохо сваривающимся сталям.

Среднелегированные стали

Сталь 12Х5МА

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

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

СЕ M = 0,18 +

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

СЕ M = 0,26 +——+—++—++—++■

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

= 0,899 ,

СЕ M = 0,06 +

Сталь 06НЗ

030 + 050 + М=0 02 , % ; 38 6,0 12

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

ступить для построения графиков соответствующих удовлетворительной, ограниченной и плохой свари-ваемостям (рис 2 — 4).

Из табл. 2 видно, что чем меньше критическое время охлаждения 100 % мартенсита, тем меньше значение химического эквивалента углерода, тем выше свариваемость и тем меньше вероятность образования холодных трещин в углеродистых и легированных сталях.

При малом значении времени (1 — 10) с локальная концентрация водорода недостаточна для образования холодных трещин.

Численное значение времени, влияющее на свариваемость сталей (табл. 2) можно распределить так: (1—5) с — хорошая; (5—18) с — удовлетворительная; при AtM>18 с — ограниченная и плохая свариваемости.

Таким образом, изложенные в статье сведения будут полезны разработчикам свариваемых материалов, технологам при проектировании технологии сварки различных конструкций, студентам при изучении дисциплины «Теория сварочных процессов».

Библиографический список

Сталь 20ХГСА

СЕ« = 0,17 + 09+08+08 = 0,771, % ;

м 38 6,0 1,8

1п(Ду = 11,26-0,771-3,51=5,1

Сталь 30ХГСНА

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 имеет СЕм =0,402, она относится к хорошо сваривающимся сталям. Сталь 20ХГСА имеет СЕм =0,771, поэтому она относится к ограниченно сваривающимся сталям. Стали 12Х5МА, 20Х2М2, 30ХН2МФА, 30ХСНА относятся к плохо сваривающимся сталям.

Полученные в результате расчета СЕм и 1п(Ду сводим в табл. 2.

Построим графические зависимости химического эквивалента углерода от логарифма критического времени охлаждения 100 % мартенсита по группам свариваемости.

Например, для построения графика «свариваемость хорошая» необходимо из табл. 2 выбрать значения СЕм в пределах 0,2 — 0,45 % и соответствующие им значения 1п(Ду. Таким же образом нужно по-

1. Ющенко, К. А. Свариваемость и перспективные процессы сварки материалов [Текст] / К. А. Ющенко // Автоматическая сварка. — 2004. — № 9. — С. 40 — 45.

2. Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова. — 3-е изд. — М. : Машиностроение, 1974. — 520 с.

3. Костин, В. А. Математические описание углеродного эквивалента как критерия оценки свариваемости сталей [Текст] / В. А. Костин // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8. — С. 12—17.

4. Технология электрической сварки металла и сплавов плавлением [Текст] / Под ред. Б. Е. Патона. — М. : Машиностроение, 1974. — 768 с.

ЛОПАЕВ Борис Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».

ХИСМАТУЛИН Роман Рафикович, студент гр. С-510

машиностроительного института.

КАГАРМАНОВ Игорь Игоревич, студент гр. СМ-312

машиностроительного института.

УСТЯН Армен Манвелович, магистрант гр. СПМ-

514 машиностроительного института.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 26-02-2015 г. © Б- Е- Лопаев, Р. Р. Хисматулин, И- И- Кагарманов, А- М- Устян

Книжная полка

Мылов, Г- В- Методологические основы автоматизации конструкторско-технологического проектирования гибких многослойных печатных плат / Г- В- Мылов, А- И- Таганов- - М- : Горячая линия-Телеком, 2014- - 167 c- - ISBN 978-5-9912-0367-8-

Изложены методологические основы, включающие в себя современную концепцию построения информационного сопровождения стадий жизненного цикла гибких многослойных печатных плат (ГМП), основы анализа и синтеза проектных конструкторско-технологических решений и информационной поддержки этапов автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства изделий ГМП. Для специалистов, будет полезна аспирантам и студентам.