Сварные швы на трубных (низкоуглеродистых и низколеги­рованных) сталях являются многокомпонентными системами, состоящими из многих легирующих и примесных элементов. В процессе кристаллизации таких систем перераспределение каждого элемента зависит от концентрации и природы других [69].

Взаимодействие между собой элементов, обогащающих рас­плав, в процессе снижения температуры вызывает дифферен­циацию расплава, проявляющуюся в образовании оксидов, карбидов, сульфидов, нитридов и более сложных соединений [103]. Эти соединения (преимущественно сульфиды) распола­гаются в закристаллизовавшемся металле по границам крис­таллитов [81, 82].

Как известно, наиболее опасной примесью в стали является сера [48]. Она интенсивно ликвирует в расплав, находящийся на границах и стыках первичных кристаллитов, значительно расширяя температурный интервал кристаллизации стали [146]. По мере снижения температуры в объемах расплава, обогащенных серой, образуются легкоплавкие сульфиды, нали­чие которых является одной из основных предпосылок образо­вания кристаллизационных трещин в сварных швах [103, 129]. В связи с изложенным важно рассмотреть, какое влияние на перераспределение (ликвацию) серы и образование сульфидов оказывают другие элементы, а также в какой мере они способ­ны компенсировать ее влияние.

Повышение в металле шва концентрации углерода приводит к усилению дендритной ликвации серы [83, 107, 195]. Это обусловлено развитием перитектического превращения, благо­даря которому сокращается растворимость серы в образующей­ся твердой фазе [161, 195], а также расширением области твердожидкого состояния кристаллизующегося металла [145].

Углерод способствует ликвации не только серы, но и фосфора, марганца, кремния [105, 106, 195]. Кроме того, сам углерод склонен к ликвации [104, 195]. Авторы работы [103] отмечают, что повышение содержания углерода в швах на низкоуглероди­стых и низколегированных сталях способствует укрупнению и увеличению количества сульфидных включений; уменьшению содержания сульфида марганца в составе неметаллических включений; образованию сульфидных пленок и цепочек по границам первичных кристаллитов.

Кремний усиливает дендритную ликвацию серы и фосфо­ра в структуре а-железа [4], чему способствует то обстоятель­ство, что он смещает влево перитектическую точку на равно­весной диаграмме состояния Fe — C [160]. Раскисление сва­рочной ванны кремнием приводит к снижению концентрации кислорода и связыванию его в силикатные соединения, пре­пятствует поглощению серы из расплава оксидными включе­ниями. Благодаря этому расплав обогащается серой, которая на завершающем этапе кристаллизации металла выделяется в форме сульфидных цепочек и пленок, окаймляющих первич­ные кристаллиты [103], кроме того, способствует значительно­му снижению содержания сульфида марганца во включениях [103].

Как отмечают авторы работы [201], раскисление углеродом, кремнием и алюминием способствует накоплению серы в рас­плаве на стадии первичной кристаллизации. Эти данные кор­релируют с результатами работы [171], в которой отмечен рост активности серы при увеличении в стали содержания указан­ных элементов-раскислителей.

Увеличение концентрации марганца снижает дендритную ликвацию серы, причем тем значительнее, чем выше в шве концентрация углерода [83, 108]. Марганец, обладая более вы­соким сродством к сере, чем железо [17, 193], способствует снижению активности [171] и более полному связыванию серы в сульфиды марганца [103, 160]. Образующийся в этом случае сернистый марганец или твердый раствор сернистого железа в сернистом марганце более тугоплавок, чем сульфид железа или эвтектика Fe — FeO — FeS [36]. Повышение в металле шва содержания марганца вызывает дробление сульфидных пленок на отдельные обособленные частицы [101, 102]. При содержа­нии марганца в металле шва более 1,5 % он образует химичес­кую неоднородность в пограничных участках кристаллитов [106].

Разобщение отдельных зерен пленками сульфидов является основной причиной повышения склонности стали к образова — нию горячих трещин. Авторы работ [101, 134] отмечают, что сталь обладает более благоприятными свойствами в том случае, когда глобулы оксисульфидов беспорядочно размещены во всем объеме металла. Сульфидные прослойки в сварных швах на трубных сталях образуют сетку по границам первичных крис­таллов. Они особенно четко наблюдаются в местах совпадения границ первичных и вторичных кристаллитов [94].

Механизм образования сульфидных включений в зависимо­сти от содержания в металле шва серы и кислорода проанали­зирован в работе [134]. В табл. 1.3 (по данным работы [106]) показано влияние соотношения в шве концентраций кислорода и серы на форму образующихся сульфидных включений.

Увеличение скорости кристаллизации стали значительно повышает количество серы, содержащейся в твердом растворе, и снижает — связанное в сульфиды. При этом последовательно уменьшаются размеры сульфидов. Указанная взаимосвязь ско­рости кристаллизации с количеством серы, связанным в суль­фиды, и размерами сульфидов свидетельствует о том, что они образуются только в процессе кристаллизации стали [38]. По­вышение скорости охлаждения металла шва в температурном интервале кристаллизации приводит к измельчению столбча­тых кристаллитов и утонению ликвационных прослоек между ними [69, 79].

Предварительный подогрев основного металла способствует развитию внутрикристаллитной неоднородности металла шва по сере и фосфору, тогда как интенсификация охлаждения сварочной ванны приводит к противоположному результату [81]. Благодаря понижению скорости охлаждения участков ме­талла, удаленных от линии сплавления, в них наблюдается резко выраженная дендритная ликвация серы [17, 81]. В этих же зонах шва (центральная и верхняя) наблюдаются наиболее крупные сульфидные включения [104].

Т а б л и ц а 1.3

Влияние серы и кислорода на морфологию сульфидон

Соотношение концентраций кислорода и серы в металле шва

Форма сульфидов, образующихся в металле шва

0,7

Пленочные

0,7 — 1,5

Шарообразные — при малой скорости сварки При большой скорости сварки, на периферии шва — шаровидные, а в центре шва — пленочные

1,5

Шаровидные

Для исследования химической неоднородности сварных швов применяются следующие методы: отпечатков по Бауману [172], металлографии [132], авторадиографии [108], контактной микрорентгенографии [85] и микрорентгеноспектральный [40, 69, 94]. Метод отпечатков по Бауману позволяет качественно оценить только макрораспределение серы. Металлографичес­кие — микрораспределение серы, фосфора и углерода. Количе­ственно оценить уровень дендритной ликвации элементов можно с помощью авторадиографического метода, однако наи­большая локальность и точность количественного анализа кон­центрационной микронеоднородности обеспечивается примене­нием микрорентгеноспектрального анализа, локального оптиче­ского эмиссионного анализа и электронно-микроскопической авторадиографии [7, 73].

Дендритная ликвация серы, фосфора и марганца в свар­ных швах на низкоуглеродистой стали исследовалась методами металлографии [4, 47] и авторадиографии [83, 104, 105]. Ко­личественная информация о влиянии указанных элементов на дендритную ликвацию серы, фосфора и марганца была получена авторадиографическим методом применительно

к швам, выполненным автоматической сваркой под флюсом [83, 104, 105]. Применительно к условиям кристаллизации сварных швов монтажных стыков трубопроводов, выполнен­ных покрытыми электродами, такого рода исследования не проводились.