Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке.

Кинетика структурно-фазовых переходов при нагреве и охлаждении зависит от характеристик аустенита перед превращением: размера его зерна, степени гомогенизации по содержанию углерода и легирующих элементов, уровня его дефектности. Поэтому для управления процессами структурообразования при сварке и термообработке необходимо знать закономерности влияния химических элементов на процессы структурообразования.

Для структуры реальных сплавов характерна макро- и микрохимическая неоднородность. Как известно, микрохимическая неоднородность характерна для литой структуры металла шва: тело (оси) дендритов обеднены, а междендритные прослойки обогащены углеродом, легирующими и примесными химическими элементами. Макрохимическая неоднородность представляется наличием вторых фаз, неметаллических включений в структуре металла шва, ЗТВ и основного металла.

В сплавах, содержащих неравновесные избыточные фазы, в процессе нагрева выше критических точек протекают следующие основные процессы: выравнивание концентрации внутри зерна аустенита, растворение неравновесных избыточных фаз, рост зерна аустенита.Одновременно с процессом растворения неравновесных избыточных фаз происходит выравнивание химического состава в объеме всей структуры. Оба процесса контролируются диффузией углерода и легирующих элементов. Легирующие элементы по-разному взаимодействуют с железом и углеродом, что определяет их различное влияние на кинетику процессов в стали при нагреве и охлаждении.

С железом легирующие элементы дают растворы замещения. Как правило, они повышают прочность, снижают пластичность и вязкость металла. Исключение составляют марганец и никель, которые в определенных количествах повышают вязкость стали.

Взаимодействие легирующих элементов с углеродом зависит от положения элемента в периодической системе. Легирующие элементы, расположенные в периодической системе левее железа, способны образовывать либо карбид, либо заменять часть атомов железа в его карбиде. По степени увеличения степени сродства к углероду и повышения устойчивости элементы располагаются в следующий ряд: Mn, Cr, W, Mo, V, Ti. В сталях встречаются карбиды шести типов, которые можно объединить в 2 группы:

1. Me₃C, Me₂₃C₆, Me₇C₃, Me₆C.

2. MeC, Me₂C.

Карбиды 1 группы со сложной кристаллической решеткой при нагреве легко растворяются в аустените. Карбиды 2 группы, как фазы внедрения, имеют простую решетку и кристаллизуются обычно со значительным дефицитом по углероду, они термостойки и даже при высоких температурах могут не перейти в раствор. Для каждого карбидообразующего элемента существует определенное отношение его содержания в стали к содержанию углерода (Ме/С), при котором все количество углерода и все количество легирующих элементов оказываются связанными в карбид. Существует такое критическое значение этого отношения (к), что когда Ме/С < к то избыток углерода будет образовывать цементит (Fe₃C). Если Ме/С > к, то избыток легирующего элемента будет растворяться в аустените, изменяя его свойства, например, прочность.

Влияние легирующих элементов на превращения в стали.

1. По результатам экспериментальных исследований установлено, что при сварочном нагреве с увеличением интенсивности нагрева (скорости) наблюдалось повышение критических температур, т.е. образование аустенита при более высоких температурах. Наиболее характерно это для сталей, легированных карбидообразующими элеменатами. Это можно объяснить снижением диффузионной подвижности углерода в присутствии карбидообразующих элементов, а также повышением температурного порога растворения карбидов. В связи с этим в ЗТВ состояние основных участков может сильно различаться. Чем более легирован сплав, тем более неоднороден участок неполной перекриталлизации, который содержит нерастворившиеся карбиды, а в высокотемпературной области в околошовном участке однородность по химическому составу будет высокая.

2. При охлаждении (распаде) аустенита те элементы, которые растворяются в цементите или феррите и не образуют специальных карбидов, либо ускоряют превращение (кобальт), либо замедляют его (Mn, Ni, Cu). Карбидообразующие элементы влияют на скорость распада аустенита.

См. рисунок 29 (диаграммы превращения рис.283 стр 314 Гуляев)

В сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам) изотермический распад аустенита имеет 2 явно выраженных интервала превращений: перлитное превращение и превращение в бейнитные структуры. При этом линия распада аустенита смещается вправо, что означает замедление скорости распада аустенита в легированной стали по сравнению с углеродистой. Это приводит также к уменьшению критической скорости охлаждения, при которой образуется мартенсит, т.е. увеличивается прокаливаемость стали. Этот фактор необходимо учитывать при назначении режима охлаждения после сварки, чтобы регулировать фазовым составом структуры сварного шва.

3. Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна. Элементы Ni, Co, Si, Cu (которые не образуют карбиды) относительно слабо влияют на рост зерна. Элементы карбидообразующие сильно измельчают зерно: Cr, Mo, W, V, Ti, Ce. Это связано с образованием барьеров для диффузионной подвижности атомов, а также их карбиды, располагаясь на границах зерна, сдерживают ее рост.