Согласно представлениям, развитым в работах [11, 49 , 74, 75, 79, 91, 103, 117, 123, 125, 129, 145, 151], механизм образова­ния кристаллизационных трещин в сварных швах на низкоуг­леродистой и низколегированной сталях можно трактовать следующим образом.

В процессе первичной кристаллизации сварочной ванны, благодаря разделительной диффузии на границе раздела фаз и выравнивающей диффузии в жидком металле, объемы рас­плава, заключенные между кристаллитами (дендритами, ячей­ками), обогащаются примесными и легирующими элементами. Этому процессу способствуют фазовые превращения, напри­мер, перитектическое, а также изменения конфигурации гра­ницы раздела фаз, проявляющиеся в увеличении протяжен­ности выступов на фронте кристаллизации.

По мере снижения температуры и достижения определенно­го пересыщения в расплаве между кристаллитами образуются сульфиды, оксисульфиды или другие содержащие серу соеди­нения, не растворимые в затвердевающем металле. Температу­ра затвердевания расплава, обогащенного указанными соедине­ниями, значительно ниже температуры равновесного солидуса металла исходного состава. В связи с этим температура реаль­ного (неравновесного) солидуса системы и ее температурный интервал кристаллизации зависят от состава межкристаллит — ных границ.

После образования каркаса первичных кристаллитов, между которыми еще остается некоторое количество жидкой фазы, развиваются усадочные процессы, приводящие к возникнове­нию в металле шва растягивающих напряжений. С этого мо­мента кристаллизация оставшейся жидкости сопровождается воздействием на каркас кристаллитов возрастающих во време­ни напряжений, которые деформируют систему. Скорость рос­та этих напряжений зависит от жесткости закрепления эле­ментов конструкции, формы сварочной ванны, скорости сварки и других факторов.

Деформационная способность системы в интервале темпе­ратур между образованием каркаса кристаллитов и реальным солидусом (в ТИХ) минимальна. Ее величина определяется формой и взаимной ориентацией кристаллитов, а также коли­чеством и формой распределения между ними легкоплавкой составляющей. Она достигает наименьшего значения в случае крупных столбчатых кристаллитов, границы которых обогаще­ны сульфидами цепочечной или пленочной формы. Если в ука­занном интервале температур деформация системы превысит ее деформационную способность, то произойдет межкристал — литное разрушение, развивающееся в микроскопический де­фект, классифицируемый как кристаллизационная трещина. В металле шва такие дефекты возникают, как правило, по грани­цам кристаллитов и ячеек, а также границам между элемента­ми дендритов [49, 124, 198, 206]. Важную роль в образовании крис­таллизационных трещин играет то обстоятельство, что сера и сульфиды, являясь поверхностно-активными веществами, бла­гоприятствуют ослаблению межкристаллитных связей [83].

В соответствии с описанным механизмом, рассмотрим влия­ние химического состава металла шва на трещиностойкость в процессе кристаллизации.

Увеличение в шве концентрации серы снижает его стой­кость против кристаллизационных трещин [48, 50, 151, 160, 202]. Образованию указанных дефектов способствует повыше­ние микросегрегации серы [194]. Возрастание ее концентрации в швах на низкоуглеродистых сталях способствует накоплению и выделению сульфидной фазы по границам между первичны­ми кристаллитами [151]. Чем больше в шве содержание серы, тем больше он должен содержать марганца для компенсации отрицательного влияния серы [160].

Фосфор при обычных его концентрациях в швах на низко­углеродистой и низколегированной сталях (в пределах от 0,025 до 0,04 %) не оказывает влияния на стойкость метал­ла шва против образования кристаллизационных трещин [103, 151]. Интересен тот факт, что в этом случае отсутствует внутрикристаллитная неоднородность металла шва по фосфору [81].

Кислород способствует повышению стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин [196], что связано с адсорбцией серы оксидами на ранних стадиях крис­таллизации, предотвращающей образование сульфидов в фор­ме пленок и цепочек [129, 131, 151]. Необходимо отметить, что различные окислы по-разному способны связывать серу. В слу­чае окислов железа и марганца этот процесс развивается более эффективно, чем в случае глинозема и алюмосиликатов [103].

Увеличение концентрации углерода в сварных швах спо­собствует образованию кристаллизационных трещин [202]. Как показали авторы работы [160], в случае жестко закреп­ленных угловых швов на низкоуглеродистой стали критическое содержание углерода, вызывающее образование горячих тре­щин, составляет 0,16-0,17 %. В зависимости от величины ко­эффициента формы шва оно может повышаться до 0,25 % [93], а за счет предварительного подогрева свариваемого ме­талла — до 0,46-0,5 % [62, 151]. Указанное повышение крити­ческой концентрации углерода объясняется благоприятной ориентацией легкоплавких прослоек по отношению к главным растягивающим напряжениям [101] и снижением скорости ох­лаждения (деформирования) металла в температурном интер­вале хрупкости [62, 151].

Необходимо отметить, что исследованиями химической мик­ронеоднородности не обнаружено корреляции между характе­ром изменения дендритной ликвации серы и резким уменьше­нием стойкости сварных швов против образования кристалли­зационных трещин в диапазоне критических концентраций уг­лерода (более 0,16-0,17 %). По нашему мнению, это обуслов­лено недостаточной разрешающей способностью и точностью авторадиографического метода анализа дендритной ликвации серы.

Марганец увеличивает стойкость металла шва против обра­зования кристаллизационных трещин [48, 63, 151, 160, 202]. В наплавленном металле, содержащем 0,28-0,33 % углерода, положительное влияние марганца проявляется при увеличении его концентрации до 2,23 % [63], что объяснено дезориентаци­ей и измельчением первичной структуры, образованием туго­плавких, равномерно распределенных по границам кристалли­тов сульфидных и оксисульфидных включений.

Кремний уменьшает стойкость швов против образования кристаллизационных трещин [48, 103, 151, 160]. Если его со­держание более 0,35 %, в швах на низкоуглеродистой стали образуются кристаллизационные трещины [48]. Указанное влияние углерода, серы и кремния на стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин авторы ра­боты [146] связывают с расширением температурного интерва­ла кристаллизации и увеличением концентрации деформаций по границам между ячейками. Аналогичным образом объясняет­ся увеличение трещиностойкости сварных швов, легированных марганцем и молибденом.

Титан повышает стойкость наплавленного металла против образования кристаллизационных трещин [64, 65], причем тем эффективнее, чем меньше в шве углерода [64]. Например, при содержании углерода 0,44-0,48 % образование кристаллизаци­онных трещин полностью устраняется, если наплавленный металл легирован титаном до 0,5-1,1 % [65]. Положительное влияние этого элемента связывают с измельчением и дезори­ентацией первичной структуры, разрушением сульфидных пле­нок и образованием разобщенных тугоплавких сложных тита­нистых сульфидных фаз (сульфидов титана, карбосульфидов и др.), сравнительно равномерно распределенных по границам первичных кристаллов [65]. Авторы работы [76] отмечают, что легирование швов на низкоуглеродистой стали малыми добав­ками титана способствует уменьшению сегрегации серы и других примесей. При сварке низкоуглеродистой стали в сре­де С02 повышение в шве содержания титана (до 0,13 %) спо­собствует образованию по границам первичных кристаллитов пленочных и цепочечных железомарганцевых сульфидов с титаном, приводящих к снижению стойкости металла шва против кристаллизационных трещин [155]. Вместе с тем отме­чено, что дальнейшее легирование титаном приводит к повы­шению стойкости металла шва против кристаллизационных трещин.

Алюминий при его содержании до 0,016 % повышает стой­кость металла шва против образования кристаллизационных трещин [58]. Положительное влияние алюминия объясняют благоприятным сочетанием размеров, формы, равномерности распределения образующихся неметаллических включений и измельчением первичной структуры металла шва. Дальнейшее легирование алюминием снижает стойкость металла шва про­тив кристаллизационных трещин [154].

На основании сопоставления данных, приведенных в разде­лах 1.4 и 1.3, о влиянии углерода, кремния и марганца на ден­дритную ликвацию серы и стойкость металла шва против кри­сталлизационных трещин, можно констатировать наличие между ними обратной зависимости. Это обстоятельство свиде­тельствует о неразрывной связи трещиностойкости металла шва и ликвацией серы.

ВЫВОДЫ

1. Трещины в наплавленном металле сварных соединений на сталях трубного производства развиваются по границам кристаллов, ячеек и между элементами дендритов, т. е. в зонах накопления примесей, снижающих температуру реального со — лидуса металла.

2. Ликвационные процессы, предопределяющие химическую микронеоднородность и оказывающие значительное влияние на формирование структуры и на стойкость сварных швов про­тив образования трещин, определяются:

величиной температурных градиентов в контактирующих фазах;

интенсивностью конвекции в объеме сварочной ванны;

природой и концентрацией примеси, а также полнотой про­текания ее развивающей диффузии в контактирующих фазах;

протяженностью выступов на фронте кристаллизации.

Перечисленные факторы, в свою очередь, зависят от усло­вий сварки, химического состава основного (проплавляемого) и присадочного металла.

3. Химическая микронеоднородность слитков и сварных швов, выполненных покрытыми электродами и автоматической сваркой под флюсом, исследована методами авторадиографии, металлографии и микрорентгеноспектрального анализа. Уста­новлено, что микронеоднородность сварных швов на низкоуг­леродистых и низколегированных сталях связана с ликвацией серы, кремния и марганца. С точки зрения образования крис­

таллизационных трещин наиболее опасна ликвация серы. По­вышение концентрации углерода в сварочной ванне способст­вует ее дендритной ликвации, а повышение концентрации мар­ганца, наоборот, препятствует этому процессу.

4. Систематические количественные данные о ликвационных процессах в сварочной ванне на низкоуглеродистых и низко­легированных сталях в условиях, характерных для сварки по­крытыми электродами, отсутствуют, что затрудняет поиск оп­тимального состава металла шва, при котором обеспечиваются наибольшая его химическая однородность и высокая трещино­стойкость, и требует проведения дополнительных исследо­ваний.