Влияние химических элементов на свариваемость стали

Однако свойства сварных соединений изделий из этих сталей, по сравнению с аналогичными свойствами основного металла, могут быть хуже. Это связано, главным образом, с химическим составом стали, а также с условиями нагрева и охлаждения основного металла при сварке. Кроме того, свариваемость стали сильно зависит от напряженного состояния элементов после сварки. В настоящем разделе рассмотрено влияние на свариваемость химического состава стали и ее микроструктуры.

Рассмотрим лишь самые общие представления о влиянии элементов на свариваемость строительной стали, сложившиеся на основе результатов исследований авторов.

Как отмечалось выше, в строительной малоуглеродистой стали содержание углерода, как правило, не превышает 0,22 %. Такое содержание углерода само по себе не вызывает осложнений при сварке в широком диапазоне тепловлокений.

При сварке же низколегированных сталей углерод при повышенном содержании в сочетании с другими элементами, входящими в состав стали, может отрицательно воздействовать на ее свариваемость.

Вредные примеси в стали — фосфор и сера — при повышенном содержании могут также ухудшать ее свариваемость.

Однако при современных способах производства стали содержание Р и S в металле относительно невелико, и при сварке эти элементы вызывают затруднения лишь в редких случаях.

На свариваемость определенное влияние также могут оказывать кислород и азот. Последний, как известно, может явиться причиной старения стали в зоне термического влияния на участке, нагреваемом до температур 300 ... 500° С, а также может явиться причиной старения металла шва. Однако, если в стали присутствуют сильные нитридо- и карбонитридообразующие элементы Аl и Ti (вводимые как при раскислении, так и в целях легирования) и т. п., азот связывается достаточно полно и не ухудшает ее свариваемость. С другой стороны увеличение содержания нитридов алюминия в металле шва может привести к повышению критической температуры хрупкости.

Кислород в металле шва может явиться причиной образования пор, а также хладноломкости металла шва.

Водород как в стали, так и в сварочной ванне одинаково нежелателен, в первом случае он является причиной флокенов, во втором, диффундируя из шва в металл околошовного участка, повышает его склонность к хрупкому разрушению и способствует образованию холодных трещин.

Разме: наследственного зерна при нагреве влияет на рост зерна на участке перегрева. Крупное наследственное зерно предопределяет рост зерна околошовного участка, что приводит к охрупчиванию металла.

Марганец способствует росту аустенитного зерна, повышая склонность стали на околошовном участке к закалке. Вследствие этого с увеличением содержания марганца с 0 до 1,5 % твердость стали на околошовном участке, даже при сравнительно низком содержании углерода, резко возрастает. Вместе с тем, чтобы не проявилось вредное влияние марганца, отношение Mn/С должно быть не более четырех.

Кроме положительного влияния на основной металл, марганец играет большую роль при раскислении и легировании металла шва, а также, в известной мере, предупреждает образование кристаллизационных трещин. Марганец в металле шва нейтрализует вредное влияние серы, образуя сульфид марганца (MnS). С увеличением содержания марганца склонность металла к образованию трещин при повышении содержания серы (до определенного уровня) не возрастает. Это наиболее эффективно проявляется при содержании углерода 0,10-0,14%.

Кремний является сильным раскислителем, однако он повышает температуры критического интервала хрупкости и склонность металла шва к образованию кристаллизационных трещин (при сварке спокойных сталей это проявляется незначительно). Кремний охрупчивает металл околошовной зоны, но слабее марганца, что отражено в формуле углеродного эквивалента.

Введение хрома в низколегированную сталь повышает ее закаливаемость в ЗТВ, однако при содержании его до 0,8 % в основном металле этот эффект практически не сказывается.

Результаты исследований показали положительное влияние титана на пластичность основного металла и ЗТВ при содержании до 0,05 %, а при содержании титана более 0,05 % металл околошовного участка при сварке имеет повышеную хрупкость.

Ванадийсодержащие стали характеризуются удовлетворительной свариваемостью. В связи с тем, что ванадий является карбидообразующим элементом, он улучшает свариваемость малоуглеродистой стали, благодаря выделению тугоплавких и труднорастворимых в аустените карбидов или карбонитридов. При сварке такой стали ее твердость (закаливаемость) в околошовной зоне ниже, чем у аналогичной стали, не содержащей ванадия.

При связывании свободного углерода в карбиды его содержание в твердом растворе уменьшается. Вследствие этого при высоких температурах в зоне сварки и соответствующих скоростях охлаждения не происходит превращений, способствующих образованию закалочных структур.

Поэтому ванадий и титан при их суммарном содержании до 0,15 % не оказывают заметного влияния на склонность металла околошовной зоны к образованию холодных трещин.

Молибден в стали способствует ее закаливаемости, повышая твердость металла в ЗТВ. Вместе с тем марганцовистые стали с 0,33 % Мо на околошовном участке ЗТВ не склонны к образованию холодных трещин при использовании электродов с основным покрытием.

Таким образом, большинство из перечисленных элементов охрупчивают металл околошовной зоны. При оценке влияния того или иного элемента на повышение твердости стали следует учитывать степень его влияния на снижение температуры мартенситного превращения.

Температуру в большей степени снижает углерод и в меньшей — кремний. Снижая содержание углерода и добавляя элементы, обладающие значительно меньшей, чем углерод, способностью понижать Мн, получают стали, обладающие высокими механическими свойствами в исходном состоянии и удовлетворительной свариваемостью.

Совместное влияние всех элементов входящих в состав стали, с учетом степени воздействия каждого из них на поведение металла в ЗТВ при сварке часто оценивают по углеродному эквиваленту С_э или Р_см.