Теорія зварювальних процесів. Дослідження фізико-хімічних і металургійних процесів та здатності металів до зварювання - Квасницький В.В.

Автор: Квасницький В.В.

Теги: навчальний посібник обробка металів металургія зварювання властивості металів

ISBN: 5-87848-096-4

Год: 2002

Похожие

Історія міст і сіл української РСР. Івано-Франківська область

Технологія конструкційних матеріалів. Частина друга. Заготівельне виробництво

Напрямні телекомунікаційні системи: Навчальний посібник

Структурно-семантичні та функціональні особливості антропонімів у сатиричній прозі М.А. Булгакова. Автореферат

Текст

В.В. Квасницький
ТЕОРІЯ
ЗВАРЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ
І МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ
ТА ЗДАТНОСТІ МЕТАЛІВ ДО ЗВАРЮВАННЯ
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Український державний морський технічний університет
імені адмірала Макарова
В.В. КВАСНИЦЬКИЙ
ТЕОРІЯ ЗВАРЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХІ МЕТАЛУРГІЙНИХ
ПРОЦЕСІВ ТА ЗДАТНОСТІ МЕТАЛІВ ДО ЗВАРЮВАННЯ
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України
як навчальний посібник
Миколаїв 2002
УДК 621.791
ББК 30.61
К32
Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчаль-
ний посібник. Лист № 14/18.2-968 від 10.05.2002 р.
Рецензенти:
академік НАН України, доктор технічних наук, професор В.І. Махненко;
доктор технічних наук, професор В.Д. Кузнецов.
Науковий редактор доктор технічних наук, професор Ю.М. Лебедєв.
Квасницький В.В.
К32
Теорія зварювальних процесів. Дослідження фізико-хімічних
і металургійних процесів та здатності металів до зварювання:
Навчальний посібник. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - 181 с.
І8ВИ 5-87848-096-4
До посібника входять роботи, які знайомлять студентів зі складними фі-
зико-хімічними та металургійними процесами, показують вплив на них окре-
мих факторів при зварюванні і споріднених процесах, дають змогу оцінити
здатність металів до зварювання.
Посібник укладено відповідно до програми курсу "Теорія зварювальних
процесів" і призначено для студентів спеціальностей "Технологія та устатку-
вання зварювання" і "Кораблі та океанотехніка" кораблебудівних вузів та
факультетів і буде корисним для інженерів зварювального виробництва та
аспірантів.
УДК 621.791
ББК 30.61
I8ВN 5-87848-096-4
© Видавництво УДМТУ, 2002
© Квасницький В.В., 2002
Передмова
Посібник написано відповідно до програми курсу "Теорія зварю-
вальних процесів". Метою курсу є оволодіння знаннями з фізико-
хімічних та металургійних основ зварювання. Дисципліна є базовою
для технологічних зварювальних дисциплін і навчає якісному та кіль-
кісному аналізу процесів зварювання. Аналіз може бути виконаний на
основі певних об'єктивних характеристик зварювальних матеріалів та
металу шва. Однією з характеристик може бути хімічний склад. Хіміч-
ний склад зварювальних матеріалів та основного металу завжди відо-
мий, а хімічний склад металу шва визначається після зварювання. Для
цього існують різні методи. Найбільш швидким та доступним є спект-
ральний метод визначення хімічного складу металів. Саме цей метод
використовується в лабораторіях для експресного аналізу металів.
Суть методу та його використання для аналізу металургійних процесів
при зварюванні розглянуто в даному навчальному посібнику. Спект-
ральний аналіз використовується при дослідженні металургійних про-
цесів, характерних для зварювання якісними електродами, під шаром
флюсу, у захисних газах та іншими способами. Тому студенти повинні
володіти знаннями та навичками спектрального аналізу на рівні, до-
статньому для якісного та кількісного визначення в сталі найбільш
поширених елементів.
Властивості металу залежать від розподілу хімічних елементів,
його складу та будови на мікронному та субмікронному рівнях. Такі
дослідження виконують з допомогою локального рентгеноспектраль-
ного мікроаналізу та растрової електронної мікроскопії. Для цього не-
обхідні унікальне обладнання та висока кваліфікація дослідника. У
науковій лабораторії кафедри зварювального виробництва УДМТУ
З
використовується растровий електронний мікроскоп-мікроаналізатор
РЗММА-102. Студенти повинні мати уявлення про суть аналізу та
можливості цього унікального обладнання для успішного використан-
ня в подальшій роботі.
У посібнику розглянуто теорію та експериментальні дослідження
металургійних процесів при зварюванні плавленням та фізико-хімічні
процеси при зварюванні тиском і паянні. Розглянуто зварювання аце-
тиленокисневе, якісними електродами, під флюсом, в захисних газо-
вих середовищах та процеси, які обумовлюють хімічний склад, будову
і властивості зварних з'єднань.
Особливу увагу приділено механізмам утворення в зварних з'єд-
наннях дефектів металургійного характеру та засобам їх запобігання.
Розглянуто також процеси, які супроводжують зварювання тиском і
паяння. Для цього використовується установка ІМАШ 20-75 та ваку-
умне обладнання.
Лабораторні роботи мають характер наукових досліджень з попе-
реднім теоретичним прогнозуванням. Така будова посібника значно
полегшує цілеспрямовану підготовку студентів денної, заочної та дис-
танційної форм навчання. Через великий обсяг експериментальних
досліджень у деяких роботах після теоретичної та методичної підготов-
ки студенти не проводять експерименти повністю. Вони, аналогічно
організації досліджень у науково-дослідних інститутах та заводських
лабораторіях, результати аналізів отримують у вигляді протоколів, а
головну увагу повинні приділити аналізу результатів досліджень та
висновкам, при цьому необхідно співставляти прогнозні оцінки та
експериментальні дані. Така організація робіт сприяє творчій роботі
студентів.
Автор висловлює щиру подяку рецензентам академіку Махнен-
ку В.І. і професору Кузнецову В.Д. та науковому редактору професору
Лебедєву Ю.М. за цінні поради і зауваження при підготовці посібника.
1. СПЕКТРАЛЬНИЙ АНАЛІЗ МЕТАЛУ
Спектральний аналіз - один з найбільш поширених сучасних фі-
зичних методів визначення хімічного складу металів. Суть аналізу по-
лягає в тому, що досліджувану речовину випаровують та атоми парів
збуджують (електрони переходять на вищі рівні). Коли атоми повер-
таються в нормальний стан, вони випромінюють надлишок отриманої
енергії у вигляді фотона з певною довжиною хвилі. Різні атоми мо-
жуть збуджуватись по-різному і випромінювати світло різної довжини
хвиль, але для кожного хімічного елемента емісійний спектр цілком
окреслений. Визначення у випромінюванні парів присутності емісій-
ного спектра окремих елементів складає суть якісного аналізу металів
і сплавів. Кількісний спектральний аналіз базується на залежності ін-
тенсивності випромінювання відповідної довжини хвиль від кількості
атомів елемента.
Переваги спектрального аналізу перед іншими методами: аналіз
виконується за декілька хвилин; висока чутливість методу дозволяє
виявляти дуже малі концентрації (іноді мільйонні долі); у більшості
випадків після аналізу деталь може бути використана за призначен-
ням.
1.1 Суть спектрального аналізу
Спектральний аналіз ґрунтується на вивченні будови спектра світ-
ла, яке випромінюється чи поглинається аналізованою речовиною.
Розрізняють емісійні та абсорбційні методи спектрального аналізу [13].
Для випромінювання світла необхідно перевести атоми та моле-
кули речовин у збуджений стан. Переходячи у звичний стан, вони від-
дають надлишок енергії у вигляді світла. У випромінюванні нагрітих
твердих чи рідких тіл присутнє світло з будь-якою довжиною хвилі.
Для аналізу його використовувати неможливо, оскільки характер ви-
5
промінюваного світла мало залежить від хімічного складу речови-
ни.
На відміну від твердих та рідких тіл випромінювання газів визна-
чається складом аналізованої речовини. Для випаровування речовини
та збудження атомів звичайно використовують дуговий чи іскровий
розряди. Висока температура в розрядах призводить до розпаду моле-
кул на атоми в більшості речовин. У зв'язку з цим емісійні методи
аналізу застосовують для атомного аналізу. Для молекулярного аналі-
зу різних з'єднань застосовують абсорбційні методи.
Збудження атомів та іонів, перехід електронів на вищі рівні від-
бувається при збільшенні їх внутрішньої енергії до величини потенці-
алу збудження, наприклад, при непружних співударах атомів або при
їх співударах з електронами. Якщо кінетична енергія часток менша від
мінімального потенціалу збудження, то збудження не буде, скільки б
не було послідовних співударів. Такі співудари називають пружними.
При збудженні атомів на вищий рівень звичайно переходить один із
зовнішніх електронів. Такі електрони називають оптичними. У збу-
дженому стані атом залишається близько 10 8 с. Перехід збудженого
атома в звичайний стан супроводжується випромінюванням надлишку
енергії у вигляді фотона. Енергія фотона Е дорівнює різниці внут-
рішньої енергії атома в збудженому Е2 та звичайному Е\ станах:
Е = Е2- Е\. Частоту випромінювання світла V та довжину хвилі X мож-
на визначити за рівняннями
Е _Е2-Ех . с
V — — —------, Л — — ,
к к V
дек- постійна Планка; с - швидкість світла.
Перехід електрона на початковий рівень відбувається одразу або
поступово з одного рівня на інший - нижчий. При переході атом ви-
промінює фотон з визначеною енергією. Тому кожна спектральна лі-
нія має свій потенціал збудження. Кількість ліній у спектрі залежить
6
від розщеплення складних рівнів на прості. При розщепленні замість
однієї лінії з'являється кілька, і чим сильніше розщеплення, тим склад-
нішим є спектр.
Найлегше збуджуються лінії з низьким потенціалом збудження.
Вони звичайно мають найбільшу інтенсивність. Ці лінії при зменшен-
ні кількості елемента в речовині зникають зі спектра після всіх інших і
називаються останніми. Дозволеними переходами електрона є тільки
ті, при яких квантове число І змінюється на одиницю, тобто перехід з
5-рівнів нар-рівні, зр-рівнів на 5- та б/-рівні тощо.
Останні лінії, як і спектр у цілому, залежать від будови атома.
Атоми елементів першої головної групи (лужні метали) мають один
електрон на 5-рівні, а найближчий - р-рівень тієї ж оболонки. Тому
потенціал збудження останніх ліній дуже низький - 1,5...2,0 еВ. Зна-
ходяться вони в інфрачервоній та видимій ділянках спектра. Атом
водню також має один електрон на 5і-рівні, але перша оболонка не має
р-рівня, тому найближчий рівень знаходиться високо, а потенціал
збудження атома водню більший від 10 еВ. Найінтенсивніша лінія в
спектрі водню знаходиться в ультрафіолетовій ділянці. У видимій ді-
лянці спектра водню найяскравіша лінія відповідає переходу між
верхніми збудженими рівнями 3(1—*2р.
Атоми елементів другої головної групи мають нижній терм 52, а
останні лінії відповідають переходам з найближчого р-терма. Потен-
ціали збудження в них вищі, ніж у лужних металів, і в середині групи
зменшуються від берилію до барію.
Спільною закономірністю для всіх елементів є те, що в межах од-
ного й того ж періоду різниця енергій між рівнями та потенціал збу-
дження зростають, а довжина хвиль останніх ліній зменшується зі
зростанням заряду ядра. Для елементів однієї групи відстань між рів-
нями і потенціал збудження зменшується, а довжина хвилі останніх
ліній зростає при переході до важких елементів, тому що зв'язок елек-
тронів з ядром слабшає.
7
Для елементів, які знаходяться в кінці кожного періоду і мають
високий потенціал збудження (більше 6 еВ), останні лінії лежать у не-
видимій ультрафіолетовій ділянці. У цьому випадку для аналізу вико-
ристовують менш інтенсивні лінії з більшою довжиною хвилі, тобто у
видимій ділянці. Такі лінії мають ще вищий потенціал збудження і
відповідають переходам між верхніми збудженими рівнями.
Суть якісного спектрального аналізу полягає в знаходженні та
ідентифікації характерних ліній елементів у спектрі. При емісійному
аналізі випромінювання дугового чи іскрового розряду, в якому зна-
ходяться пари аналізованої речовини, розкладається в спектр за допо-
могою призми (дисперсійні прилади) або дифракційних ґраток (диф-
ракційні прилади).
Світло через вузьку щілинку (« 10 2 мм) попадає на призму або
дифракційні ґратки, де відхиляється від початкового напряму на кут,
який залежить від довжини хвилі. Після призми або дифракційних
ґраток за допомогою фокусуючих систем світло дає ряд зображень
вхідної щілини у вигляді тонких ліній. Кількість ліній відповідає кіль-
кості окремих довжин хвиль світла, що входять у щілину. Сукупність
цих зображень називається лінійчатим спектром та відображає емі-
сійний спектр джерела світла.
Найчастіше використовують тригранну призму, виготовлену з оп-
тичного скла. Одержання спектра ґрунтується на тому, що кути залом-
лення променя залежать від довжини хвилі. Принципова оптична схе-
ма спектрального приладу показана на рис. 1.1.
Світловий пучок, що падає на призму, має бути паралельним, то-
му джерело світла (розряд) розміщують у фокусі об'єктива 2, встанов-
леного перед призмою. Оскільки джерело світла має досить великі
розміри, то у фокусі об'єктива розміщують діафрагму з вузькою щіли-
ною, яку освітлює джерело світла. Після проходження призми промені
різних за довжиною хвиль не паралельні один одному, однак кожен
8
пучок проміння однієї довжини хвилі залишається строго паралель-
ним. Щоб його зібрати, застосовують ще один об'єктив 4.
Рис. 1.1. Принципова оптична схема спектрального приладу:
1 - джерело світла; 2 - перший об'єктив (коліматорний); 3 - призма; 4 - другий об'єк-
тив (камерний); 5 - фотопластинка або екран
Отриманий спектр можна спостерігати візуально або фотографу-
вати на фотопластинку 5. Для якісного аналізу необхідно знайти ха-
рактерні лінії того чи іншого елемента.
Кількісний аналіз ґрунтується на залежності інтенсивності ліній
елемента від його концентрації:
Е
І = АСье іа,
де І - інтенсивність лінії; А - постійна для даної лінії; Е - потенціал
збудження даної лінії; Т - температура джерела світла; к - постійна
Больцмана; С - концентрація елемента; Ь - коефіцієнт самопоглинан-
ня, який при відсутності самопоглинання, при малих концентраціях
дорівнює одиниці (Ь = 1). Із підвищенням концентрації величина Ь
зменшується, однак для невеликого інтервалу концентрацій її можна
вважати постійною.
Як видно з рівняння, інтенсивність спектральної лінії великою мі-
рою залежить від концентрації елемента і температури джерела світла.
Залежно від потенціалу збудження кожна лінія має свій максимум при
певній температурі. Тому при кількісному аналізі використовують не
абсолютну інтенсивність лінії, яка залежить від температури, а віднос-
ну інтенсивність двох ліній з однаковими чи близькими потенціалами
9
збудження. Такі лінії називають гомологічними. Вони складають ана-
літичну пару. Відносна інтенсивність двох гомологічних ліній різних
елементів не залежить від температури, а визначається тільки їхнею
концентрацією. Якщо концентрація однієї з речовин (елемент порів-
няння) залишається постійною, то відносна інтенсивність аналітичної
пари залежить тільки від концентрації елемента, який визначають.
Наприклад, при аналізі сталей за лінію порівняння беруть лінію заліза,
концентрація якого близька до одиниці. При кількісному аналізі зви-
чайно використовують не останні лінії елемента, а більш слабкі лінії,
які не піддаються самопоглинанню і мають більшу концентраційну
чутливість.
1.2 Спектральний аналіз за допомогою стилоскопів
Стилоскопи призначені для якісного та приблизного кількісного
аналізів. При емісійному спектральному аналізі з використанням елек-
тричної дуги або іскри частина речовини з поверхні металу випарову-
ється, а пари елементів, які входять до складу зразка, надходять у по-
лум'я і випромінюють характерний спектр. Наявність чи відсутність у
спектрі ліній того чи іншого елемента визначає наявність чи відсут-
ність цього елемента в аналізованому сплаві.
При частковому якісному аналізі необхідно визначити присут-
ність у спектрі ліній одного або кількох заздалегідь заданих елементів.
При повному якісному аналізі необхідно ідентифікувати характерні
чутливі лінії всіх елементів, присутність яких можлива чи мислима в
даній пробі.
Для проведення аналізу за допомогою стилоскопа необхідно по-
передньо докладно ознайомитись зі спектром заліза, який є своєрід-
ною шкалою для визначення довжини хвиль ліній. Окремі спектральні
лінії відрізняються між собою за яскравістю та інтенсивністю: деякі
чіткі, інші - широкі та розмиті; деякі лінії розташовуються в характер-
ів
ні групи, які легко запам'ятовуються. Оскільки чутливість ока до фіо-
летової ділянки спектра дуже низька, перше знайомство зі спектром
заліза рекомендується починати з червоної ділянки, де лінії 6393,61;
6400,02; 6411,66; 6421,36; 6430,85 А утворюють характерну групу.
Потім можна перейти до наступних ділянок спектра.
У різних ділянках спектра треба знаходити характерні групи ліній
і намагатися запам'ятати їх. Наприклад, у жовтій ділянці спектра мож-
на побачити дві трійки ліній - 5497,52; 5501,47; 5506,78 А та 5596,63;
5572,85; 5676,11 А, у проміжку між цими групами яскравих ліній не-
має. У зеленій ділянці помітно відрізняється група з довжиною хвиль
5065,02; 5068,79; 5074,76; 5079,75; 5083,34 А. Характерно розміщені
лінії полегшують орієнтування в спектрі заліза і допомагають знайти
складніші скупчення ліній. Для проведення якісного аналізу слід та-
кож побудувати дисперсійний графік, якщо він відсутній у паспорті
приладу.
Дисперсійний графік зв'язує довжини хвиль спостережуваних лі-
ній з поділками на шкалі для фіксації положення призми. Для побудо-
ви дисперсійної кривої використовують спектр заліза.
При спектральному аналізі досліджуваний сплав є одним з елект-
родів дуги; другий електрод - металевий стержень або диск, вибір ма-
теріалу для якого визначається умовами роботи.
Перед аналізом невеличку ділянку на поверхні зразка та кінець
постійного електрода зачищають і доводять метал до блиску. Для цьо-
го використовують зачисні інструменти або шкурку, які треба міняти
для кожного виду зразків та електродів. Зручніше працювати з елект-
родами діаметром 8... 15 мм, які менше нагріваються. У цьому разі
кінець електрода заточують на зрізаний конус з кутом приблизно 45°
та діаметром зрізаної частини близько 2 мм; зрізана частина може бу-
ти зроблена у вигляді півсфери. У стилоскопі СЛП-4 використовуєть-
ся вольфрамовий електрод, який заточується косим зрізом під кутом
11
45°, у стилоскопах СЛ-11А та "Спектр" - дискові мідні електроди. До-
сліджуваний сплав та електрод встановлюють у відповідні штативи,
вмикають електричний струм і в окуляр спостерігають спектр. Якщо
ми хочемо виявити присутність у сплаві будь-якого елемента, то з
допомогою атласу [31] треба визначити область спектра, в якій будемо
знаходити лінії даного елемента. Для приведення цієї області спектра
в поле зору окуляра користуються дисперсійним графіком або табли-
цею. Потім з допомогою атласу знаходять лінії відшукуваного елемен-
та в заданій ділянці спектра. Для підтвердження належності даної лінії
до того чи іншого елемента необхідно знайти його інші лінії в цій або
в іншій ділянці спектра. Для цього можна скористатися таблицею чут-
ливих ліній атласу та знімками, на яких позначено положення чутли-
вих ліній елементів відносно ліній спектра заліза. Ділянки спектра,
таблиці чутливих ліній та оцінку їх інтенсивностей наведено в додат-
ках посібника за даними атласу [31].
Інтенсивність спектральних ліній вказує на кількість елемента.
Чим більша концентрація елемента, тим більша інтенсивність лінії
цього елемента; однак інтенсивність спектральних ліній залежить та-
кож від умов збудження атомів. Тому оцінку вмісту елемента в сплаві
будують на порівнянні інтенсивностей двох спектральних ліній - лінії
визначуваного елемента та лінії порівняння.
Лініями порівняння, як правило, є спектральні лінії основи спла-
ву. Наприклад, для сталей лініями порівняння беруть лінії заліза, для
латуней та бронз - лінії міді тощо. Однак у деяких випадках, коли
спектр сплаву має мало ліній, до нього необхідно ввести спектр іншо-
го елемента; наприклад, для визначення алюмінію в бронзах береться
залізний постійний електрод.
Найдостовірнішою оцінкою інтенсивності лінії візуально є оцінка
рівності інтенсивностей лінії відшукуваного елемента і лінії порівнян-
ня. Досить достовірні ознаки для оцінки можна отримати, визначаючи
12
більшу чи меншу інтенсивність аналізованої лінії відносно лінії порів-
няння. Однак визначити, у скільки разів інтенсивність лінії визначу-
ваного елемента більша від інтенсивності лінії порівняння, візуально
неможливо. Тому часто недостатньо трьох можливих ознак (дві лінії
інтенсивні однаково, аналізована лінія слабша, аналізована лінія ін-
тенсивніша, ніж лінія порівняння) для проведення аналізу в потрібно-
му інтервалі концентрацій. У такому випадку вибирають додаткові
пари ліній, до того ж навіть у різних ділянках спектра.
Оцінки інтенсивностей спектральних ліній при різних концентра-
ціях елементів у сталях наводяться у відповідних таблицях атласу
(див. додатки).
При аналізі на стилоскопі допускається середня похибка близько
20 %, тобто в межах п'ятої частини визначуваної величини. Наприк-
лад, якщо при визначенні вольфраму користуємося оцінкою "1=3" в
групі \У3 при концентрації 1 % вольфраму, то 1 % є певним умовним
значенням інтервалу концентрації від 0,8 до 1,2 % або 1,0±0,2 %.
Інколи не вдається встановити для певної концентрації оцінку з
точністю до 20 %, а в інших випадках можна добитися більш високої
точності. Тоді в таблицях позначається інтервал концентрацій, в яко-
му зберігається дана оцінка інтенсивності.
Для оволодіння методами спектрального аналізу визначення кон-
центрацій рекомендується вести на зразках з відомим хімічним скла-
дом. Дані атласу [31] та наведені там оцінки дійсні тільки при роботі
зі зразками, маса яких не менша 50... 100 г. Результати аналізу струж-
ки, тонкого листа або дроту показують більш високий вміст елементів,
бо зразок інтенсивно згорає. У таких випадках особливо доцільно ма-
ти для порівняння зразки відомого складу того ж виду, що й проба.
Підготовка зразків та електродів при кількісному аналізі прово-
диться так, як і при якісному.
Методика аналізу сталей із залізним постійним електродом вико-
13
ристовується при збудженні спектра дугою як змінного, так і постій-
ного струму; суттєві відмінності мають місце тільки при визначенні
нікелю та міді.
Оскільки зразки навіть дуже чистого заліза мають малі домішки
хрому, марганцю та нікелю, то для аналізу малих концентрацій цих
елементів використовують мідні постійні електроди. Крім цього, мідні
електроди зменшують інтенсивність фону безперервного спектра та
спектра заліза.
При роботі з мідним електродом звичайно досягаються кращі від-
творення аналізу. Зручнішими є також умови роботи, при яких елект-
род менше нагрівається, менше згорає та легше очищується від плівки
оксидів.
Методику аналізу сталей з мідним електродом детально перевіре-
но лише з дугою змінного струму.
Стилоскопи застосовують для експрес-аналізів, до точності кот-
рих не ставляться високі вимоги.
Основні дані стилоскопів:
діапазон спектра, А
фокусна відстань об'єктива, мм
збільшення окулярів
ширина щілини, мм
-3900...7000
- 270 - для СЛ-11А та "Спектр'
- х13,5; х20
-0,015.
Конструкція стилоскопів
Принципова оптична схема стилоскопа зображена на рис. 1.2.
Конструкцію стилоскопів розглянемо на прикладі стилоскопа
СЛ-11А, який близький за конструкцією до стилоскопа "Спектр". Пе-
реносні стилоскопи, наприклад СЛП-4, мають суттєві відмінності в
конструктивному виконанні. Зовнішній вигляд стилоскопа СЛ-11А
показано на рис. 1.3.
Стилоскоп складається з таких основних частин: освітлювальної
системи, щілини з об'єктивом, відбивної призми, диспергуючої систе-
14
ми та окулярної головки. Усі частини розташовані в корпусі 6. На
площині 17 стилоскопа змонтовано стіл / для встановлення зразків.
Рис. 1.2. Принципова схема стилоскопа:
1 - дослідний зразок. 2 - розряд. З - конденсор.
4 - щілина. 5.9 - поворотні призми, б - об'єк-
тив. 7.8 - дисперсійні призми. 10.11 - змінні
окуляри
Рис.1.3. Загальний вигляд стилоскопа СЛ-11А:
1 - стіл для зразків; 2,3,19 - маховички відповідного повороту дискового електрода,
горизонтального переміщення електрода перпендикулярно оптичній осі та по висоті;
4 - з'ємний кожух для захисту від радіоперешкод; 5 - пружний затискач для дрібних
деталей; б - корпус освітлювальної системи стилоскопа; 7 - окуляр; 8 - маховичок
для переміщення фотометричного клина; 9-11 - шкала для визначення відповідно
змінних окулярів, кутів повороту призми та спектра хімічних елементів; 12 - махови-
чок повороту призми; 13 - з'ємний шаблон для встановлення відстані між зразками і
електродом; 14 - перемикач сили струму; 15 - вмикач; 16 - корпус стилоскопа; 77 -
площина для установки освітлювальної системи; 18 - перемикач на дуговий чи іскро-
вий розряд; 24 - заземлення; 25 - запобіжник; 26 - підключення до електричної мережі
15
Освітлювальна система, що складається з трьох конденсорів з фо-
кусною відстанню відповідно 70, 50 та 60 мм, змонтована на крон-
штейні та фланці, між якими встановлено світлозахисну трубку. Щі-
лину постійної ширини 0,015 мм нанесено на скляну платівку, яка
склеєна з третьою лінзою освітлювача. Відбивна призма спрямовує
промені, які йдуть від щілини на об'єктив.
Диспергуюча система складається з двох призм: одна з кутом 63°
закріплена на містку нерухомо; друга з кутом 31° разом зі своїм міст-
ком може обертатися, внаслідок чого спектр перемішується в полі зо-
ру окуляра. Поворот призми здійснюється маховичком 12. з'єднаним з
барабаном, на якому нанесено рівномірну шкалу 10 з ціною поділок 2°
та шкалу 11 з символами хімічних елементів. Символами позначено
групи спектральних ліній, які використовують для аналізу сталей на
відповідні елементи. При суміщенні символу з відрахованою поділ-
кою барабана в полі зору окуляра виникає відповідна група ліній.
На кронштейні окулярної головки розміщені прямокутна призма,
дзеркало, фотометричний клин зі шкалою та окуляр 7 в оправі.
Для зручності в роботі є два змінних окуляри з різним збільшен-
ням. Окуляр зі збільшенням у двадцять разів використовують при ви-
вченні спектрів, багатих лініями (сталі і т.п.); окуляр зі збільшенням у
тринадцять цілих, п’ять десятих рази - при аналізі кольорових мета-
лів.
Фотометричний клин у вигляді вузької смуги в центрі поля зору
розташовано в площині зображення спектра вздовж спектральних лі-
ній. Переміщення клина проводиться маховичком 8 та відраховується
по шкалі, яку видно в полі зору окуляра.
Якщо працюють без фотометричного клина, то маховичком 8
приводять у поле зору діафрагму, яка відповідає встановленому оку-
ляру. Для цього необхідно встановити точку, нанесену на маховичок,
напроти відповідної позначки (13,5 або 20) на шкалі 9.
16
Зовнішній вигляд стилоскопа з тильного боку зображено на
рис. 1.4. На кронштейні 20 у тримачі 21 встановлюється дисковий або
циліндричний електрод 22. Тримач електродів переміщується по висо-
ті маховичком 19 (рис. 1.3); у напрямі, перпендикулярному оптичній
осі, - маховичком З і в разі застосування дискового електрода можна
обертати його маховичком 2. Повільність ходу тримача регулюється
за допомогою розрізної втулки з гвинтом, яка розташована в його
нижній частині.
Для захисту від радіоперешкод тримач електродів закривають
з'ємним кожухом, який одночасно є столиком 4 для зразків. На столик
можуть встановлюватися зразки різних розмірів та різної форми. Для
закріплення дрібних деталей використовують пружний затискач 5.
Рис. 1.4. Вигляд стилоско-
па СЛ-11А з тильного бо-
ку при знятому захисному
кожусі:
20 - кронштейн; 21 - тримач
електрода; 22 - дисковий
електрод; 23 - розрядник;
24 - заземлення; 25 - запобі-
жник
Відстань між зразками та електродом, яка дорівнює 3 мм, вста-
новлюється за допомогою з'ємного шаблона 13, який кладуть на сто-
лик. Електрод підводять до шаблона впритул.
Джерелом збудження спектра є спеціальний генератор, який за-
безпечує роботу в режимах дуги та іскри. Напруга від генератора до
електрода підводиться високовольтним провідником через контакт на
кронштейні тримача, а до зразка на столик - через заземлений корпус
17
приладу. У стилоскопі "Спектр" забезпечується також режим комбі-
нованого розряду.
Живлення дуги забезпечується спектральним генератором змін-
ного струму (120/220 В, 5... 10 А). Для живлення іскрового розряду
використовують іскровий генератор (10 кВ, потужність 0,5 кВт).
У більшості випадків випаровування в іскровому розряді прохо-
дить більш стабільно. Тому іскру використовують більше для кількіс-
ного аналізу. При дуговому розряді точність аналізу дещо знижується
через інтенсивне утворення оксидів на поверхні електродів, однак че-
рез більш сильне нагрівання електродів чутливість аналізу зростає.
Тому дугу використовують, головним чином, для якісного або грубого
кількісного аналізу та кількісного визначення малих концентрацій
елементів.
Методика роботи
За шаблоном встановлюють відстань від електрода до зразка. На
столик стилоскопа кладуть аналізований зразок. Поверхня зразка має
бути розташована на рівні поверхні столика таким чином, щоб вона
перекривала поле зору на дуговий розряд. Після цього запалюють ду-
гу, для чого перемикач 18 (рис. 1.3) встановлюють у положення "Дуга"
чи "Іскра", перемикач 14 - у положення "2А" або "4А", перевіряють
заземлення генератора, вмикають прилад в електричну мережу і вста-
новлюють вмикач 15 у положення "Вкл.".
Спостерігаючи в окуляр приладу, маховичком 13 виводять на се-
редину поля зору необхідну ділянку спектра.
Переміщенням окуляра домагаються максимальної чіткості спект-
ральних ліній, після чого приступають до оцінки вмісту елементів в
аналізованому зразку. Інтенсивність спектральної лінії оцінюють
шляхом порівняння її з іншими спектральними лініями, інтенсивності
яких взято за умовний стандарт. Для аналізу користуються таблицями,
наведеними в дод.2.
18
При роботі з фотометричним клином слід встановити лінію легу-
ючого елемента проти місця, закритого клином, а лінію порівняння -
поза ним і, переміщуючи клин, зрівняти інтенсивності обох ліній.
Процент пропускання клина відраховується за шкалою, розташованою
в полі зору окуляра.
Результат аналізу дається на основі середнього значення з п'яти
відрахувань за шкалою фотометричного клина. Клин дає змогу посла-
бити інтенсивність будь-якої лінії спектра, не змінюючи інтенсивності
інших ліній.
Перед аналізом треба побудувати градуювальний графік за кіль-
кома еталонами. По осі абсцис відкладають поділки шкали клина, по
осі ординат - концентрації легуючого елемента в еталонах. Аналіз ре-
комендується починати з еталонів.
Відкривати кришки генератора та міняти зразки на столику
під час роботи стилоскопа забороняється.
Режим роботи стилоскопа "Спектр" повторно-короткочасний: піс-
ля трьох хвилин безперервної роботи необхідно натисканням кнопки
"Стоп" вимкнути прилад не менше, як на одну хвилину. Показання ам-
перметра в будь-якому випадку роботи не повинні перевищувати 10 А.
Аналітичні групи ліній та спектроскопічні ознаки для визначення
деяких елементів подано в дод.2.
1.3 Спектральний аналіз за допомогою спектрографа ИСП-30
Принцип спектрального аналізу з допомогою спектрографа такий
же, як і на стилоскопі. На відміну від стилоскопа, де спектр спостері-
гається візуально, на спектрографі спектр фотографується, а оцінка
інтенсивностей спектральних ліній з допомогою мікрофотометра дає
точне визначення концентрації елементів у сплаві. Джерелом світла
служить дуговий або іскровий розряд змінного струму.
Найпростішим методом кількісного спектрального аналізу є ме-
19
тод трьох еталонів. Послідовність операцій при аналізі цим методом
дозволяє простежити визначення концентрації марганцю у вуглецевих
сталях на конкретному прикладі. Послідовність роботи:
1. Добирають три еталони вуглецевих сталей з різним вмістом
марганцю - від 0,3 до 1,5 %. За такі еталони можна брати стандартні
зразки Уральського інституту металів та місцеві зразки, які були тричі
ретельно проаналізовані. Зразки беруть циліндричної форми діамет-
ром 10 мм, завдовжки 50... 100 мм чи брусками 10x10x50 мм. Робочу
поверхню зразка треба добре зачистити на наждачному крузі.
2. Еталон затискають у тримачі штатива. Другий електрод - пру-
ток червоної міді діаметром 8 мм, загострений на конус з кінцем у ви-
гляді сфери; аналітичний проміжок має бути близько 2 мм.
Між електродами запалюють іскру (від генератора іскри при та-
кому режимі: ємкість - 0,01 мкФ, самоіндукція - 0,01 мГн, робочий
проміжок -3 мм, струм у первинному колі - 1,6...2,0 А).
Час попереднього випалу до фотографування - 0,5... 2 хв.
3. Після попереднього випалу можна приступати до фотографу-
вання спектра. Ширина щілини спектрографа має бути не більшою,
ніж 0,02 мм, висота - 1,0... 1,5 мм (висота обмежується розміром діа-
фрагми з фігурними вирізами).
Фотографувати можна за умов: час експозиції - 20...90с; сила
струму - 6...7 А; ширина вхідної щілини - 0,01 мм; висота щілини -
1... 2 мм; час випалу - 30... 45 с.
Фотографувати слід на діапозитивні пластинки або пластинки для
наукових цілей 1-го або 2-го типу. Час експозиції при фотографуванні
підбирають шляхом попередніх проб таким чином, щоб почорніння
ліній аналітичної пари (Ми 2939,11 А та Ре 2944,40 А) усіх еталонів
було в межах 0,3... 1,5 для діапозитивних пластинок та 0,6... 1,5 для
пластинок типу 1 або 2.
Почорніння вимірюють за середньою (логарифмічною) шкалою
мікрофотометра МФ-2.
20
4. Обробку фотопластинки треба проводити в метолгідрохіноно-
вому проявнику такого складу:
Перший розчин: метол - 15 г, сульфіт кристалічний - 120 г, вода
- до 1 л.
Другий розчин: гідрохінон - 15 г, сульфіт кристалічний - 100 г,
вода - до 1 л.
Третій розчин: поташ - 85 г, вода - до 1л.
Усі три розчини змішують у рівних пропорціях. Час проявлення
З... 4 хв. при температурі 18 °С.
Фіксування можна проводити у стандартних фіксажах (бажано в
кислих), зафіксовані пластинки промивають у проточній воді та су-
шать.
Для скорочення часу проявлення можна застосувати проявник та-
кого складу: сульфіт безводний - 60 г, гідрохінон - ЗО г, сода - 20 г,
бромистий калій - 20 г, вода - до 1 л.
Примітка. Сульфіт безводний можна замінювати подвійною до-
зою сульфату кристалічного. Час проявлення - 1 хв при температурі
18 °С.
Після вибору часу експозиції (близько 1,0... 1,5 хв) спектри всіх
трьох еталонів фотографують послідовно на одну пластинку по три
рази кожний. На мікрофотометрі визначають почорніння ліній Мп
2939,11 А та Ре 2944,40 А за середньою (логарифмічною) шкалою мік-
рофотометра.
Результат вимірювання почорніння записують до журналу за на-
веденою нижче схемою.
Інтенсивність спектральних ліній визначають за почорнінням їх
зображень на фотографічній пластинці. Оптичну густину обробленої
фотопластинки називають густиною почорніння або просто почорнін-
ням, яку позначимо літерою 5. Почорніння даної лінії негатива визна-
чається відношенням інтенсивності світла /о, що падає на пластинку,
21
до інтенсивності світла/і, що пройшло пластинку:
•5 = 18^.
'1
Для вимірювання почорніння світловий пучок спрямовують на
прозоре місце негатива і вимірюють інтенсивність світла, яке пройшло
через пластинку. Потім цей же пучок спрямовують на зображення
спектральної лінії і знову вимірюють інтенсивність світла, яке пройшло
через пластинку. Логарифм відношення цих вимірювань дає величину
почорніння спектральної лінії.
Почорніння визначають за допомогою мікрофотометра, наприк-
лад МФ-2. Для вимірювання світлового потоку, який пройшов крізь
пластинку, використовують фотоелемент, в якому виникає фотострум,
пропорційний інтенсивності світлового потоку. Фотострум вимірю-
ється гальванометром з відліковим пристроєм, який має три шкали.
Зображення відлікової шкали проектується на екран.
Верхня міліметрова шкала призначена для вимірювання коефіці-
єнтів пропускання різних частин фотопластинки. Відразу на щілину
виводять зображення прозорої ділянки фотопластинки та відмічають
показання гальванометра Ао. Потім виводять вимірювану лінію та від-
мічають нове показання гальванометра Л]. Тоді почорніння спектра-
льної лінії
.5=18 А
4
Якщо встановити для прозорої ділянки відлік "1000" (крайнє пра-
ве положення шкали), то для поглинаючої ділянки одержимо відлік у
процентах пропускання, помножений на 10.
Якщо, наприклад, для марганцю та заліза отримано відповідно
відліки А] та А2, то різниця в почорнінні буде
Д5' = .?1-5,=16А_18А = 18А,
22
звідки видно, що різниця почорніння спектральних ліній не залежить
від початкового відліку Ао.
У мікрофотометрі МФ-2 є середня логарифмічна шкала, яка одра-
зу дає почорніння спектральної лінії, помножене на 100. Щоб визна-
чити почорніння спектральної лінії, треба відлік прозорої (незасвітлю-
ваної) ділянки фотопластинки встановити на поділку "0" логарифміч-
ної шкали (поділка "1000" міліметрової шкали), що досягається змі-
ною ширини щілини або переміщенням сірого клина. Потім необхідно
спроектувати на вимірюючу щілину фотометровану лінію. Одержаний
при цьому відлік дає значення почорніння. Якщо відхилення від про-
зорої ділянки не досягає відліку "0", то значення почорніння знаходять
як різницю відліків, що відповідають лінії елемента на незасвітленій
(прозорій) ділянці.
Результати вимірювань записують у приведену нижче таблицю.
Таблиця для побудови градуювального графіка
Номер еталона Концент- рація С, % 1§С Номер плас- тинки та спе- ктра Інтенсив- ність лінії *$Мп " *^Ге А5сер
>$Мп >$Ее
1 0,59 -0,228 15і 0,893 0,760 0,133 0,134
152 0,896 0,760 0,132
153 0,900 0,763 0,137
2 0,74 -0,130 154 1,025 0,751 0,274 0,273
155 1,020 0,748 0,272
15б 1,019 0,746 0,273
3 1,43 0,155 157 1,355 0,763 0,592 0,591
152 1,354 0,760 0,594
159 1,349 0,763 0,586
Різниця почорнінь може бути отримана безпосередньо, якщо від-
лік від "0" встановлюють для слабко почорнілої лінії. Тоді відлік на
23
більш почорнілу лінію після ділення на 100 дає різницю почорнінь
обох ліній.
5. За отриманими даними будують на міліметровому аркуші гра-
дуювальний графік. По осі абсцис відкладають значення 1§С, по осі
ординат - значення Д5сер для кожного еталона. Масштаб рекоменду-
ється брати такий: Д5 =0,1 відкладати на 1 см, 1§С = 1 - на 10 см.
Отримана пряма лінія є градуювальним графіком тільки для даної
фотопластинки. Якщо на тій же фотопластинці сфотографовано спект-
ри невідомих зразків х, то, знайшовши значення Л$х, можна знайти
значення логарифма невідомої концентрації, яке відповідає йому.
Вказаним методом градуювальний графік будують для кожної
фотопластинки, на яку фотографують спектри еталонів та аналізова-
них зразків. Для отримання точніших результатів спектри кожного
еталона чи зразка фотографують тричі і для цих спектрів беруть се-
редні значення.
Примітка. Спектри еталонів та зразків фотографують на одну фотопла-
стинку при однакових умовах.
Сучасні прилади для кількісного спектрального аналізу металів
дозволяють уникнути тривалих та трудомістких операцій з фотографі-
чними пластинками. Використання комп'ютерних систем та програм
обробки результатів аналізу дозволяє швидко отримати в роздрукова-
ному вигляді не лише значення концентрацій елементів, а й похибку
їх визначення. Наприклад, вакуумно-емісійний спектроаналізатор
Белек 2000 дозволяє провести за декілька секунд точний аналіз хі-
мічного складу різних металів та сплавів. Результати аналізу можуть
бути одночасно спрямовані на монітор, принтер та носій пам’яті. По-
тужне та багатофункціональне програмне забезпечення керує проце-
сом аналізу і обробки результатів після пуску приладу натисканням
декількох кнопок. Його маса складає 180 кг. Спектроаналізатор Белек
Компакт Лаб-Й важить 52 кг і за декілька секунд дозволяє визначити
24
концентрації до 36 хімічних елементів, включаючи вуглець, сірку,
фосфор, бор. Обидва прилади використовують довжини хвиль 140...
...430 нм (1400...4300 А).
Для аналізу чавуну, кольорових металів та їх сплавів призначено
спектрометр Спектролаб М5, який може одночасно аналізувати до
64 елементів, у тому числі і сліди елементів. Повний аналіз викону-
ється менше, ніж за 20 сек. Для аналізу легуючих елементів викорис-
товується іскровий розряд, для слідів елементів - дуговий. Викорис-
тання волоконних світловодів дозволяє аналізувати різні зони розряду,
що забезпечує високу чутливість приладу та виключає вплив міжеле-
ментної взаємодії. Діапазон довжин хвиль складає 165...800 нм
(1650...8000 А). Для аналізу в ультрафіолетовому діапазоні викорис-
товується вакуумна оптика. Залежно від діапазону концентрацій при-
лад має автоматичне переключення спектральних ліній. Можливість
використання при аналізі різних оптик забезпечує достовірність ре-
зультатів. Для виконання аналізу необхідно помістити зразок на іс-
кровий столик, ввести його номер та натиснути пускову кнопку. Ре-
зультати аналізу можуть бути представлені на моніторі і роздруковані
у вигляді протоколів або графічно, а також передані на віддалені
комп’ютери.
Для аналізу твердих тіл, порошків та рідин існує універсальний
енергодисперсійний рентгенофлюоресцентний спектрометр Спектро
Х-Лаб, який за декілька хвилин може виконати аналіз всіх елементів у
діапазоні атомних номерів від 2 = 9 (фтор) до 2 = 92 (уран). Принцип
його дії полягає в емісії характеристичного рентгенівського випромі-
нювання після збудження атомів досліджуваного матеріалу поляризо-
ваним рентгенівським променем з більш високою енергією. Аналіз
енергії та інтенсивності характеристичного випромінювання за допо-
могою енергодисперсійного 8і(Іл)-детектора дозволяє ідентифікувати
та визначити концентрацію елементів у пробі. Енергодисперсійний
25
рентгенофлюоресцентний аналіз (ЕД РКЕА або ЕД РФАП) не викли-
кає ніяких змін навіть у біологічних пробах.
1.4 Обладнання та матеріали
1. Стилоскопи СЛ-11 А, "Спектр", СЛП-4, спектрограф ИСП-30 у
комплекті з генератором дуги ДГ-2.
2. Мікрофотометр МФ-2.
3. Спектропроектор ПС-18.
4. Десять зразків низьколегованої сталі у вигляді брусків
10x10x50 мм.
5. По три еталони з різним вмістом елементів, які визначаються в
зразках.
6. Фотопластинки та фотохімікати для їх обробки.
1.5 Методика роботи
1. Вивчити суть спектрального аналізу, будову стилоскопів, спек-
трографа, мікрофотометра, спектропроектора.
2. Вивчити спектр заліза.
З. Визначити декілька точок дисперсійного графіка та співставити
їх з даними таблиці для стилоскопа.
4. Вивчити області спектра для аналізу зразків на вміст марганцю,
кремнію, нікелю, молібдену та титану.
5. Визначити за допомогою стилоскопа вміст перерахованих еле-
ментів у контрольних зразках.
6. Побудувати градуювальний графік для фотопластинки зі спек-
трами еталонів і досліджуваного зразка та визначити концентрації еле-
ментів в останньому.
1.6 Зміст звіту
У звіті потрібно відзначити: назву роботи; суть спектрального
аналізу; методику роботи на стилоскопі та спектрографі; результати
26
експериментального визначення вмісту легуючих елементів у зразках;
стислі висновки щодо вибору областей спектру низьколегованих ста-
лей для визначення вмісту марганцю, кремнію, нікелю, титану та мо-
лібдену.
1.7 Контрольні питання
1. У чому полягає суть спектрального аналізу металів?
2. З’ясуйте, у чому полягає якісний аналіз на стилоскопі.
3. Схарактеризуйте існуючі методи кількісного аналізу на стило-
скопі.
4. У чому призначення та принцип роботи мікрофотометра?
5. Назвіть сучасні спектральні аналізатори. Дайте їм характери-
стику.
2. РАСТРОВА ЕЛЕКТРОННА МІКРОСКОПІЯ ТА
РЕНТГЕНІВСЬКИЙ МІКРОАНАЛІЗ
2.1 Суть електронної мікроскопії та мікроаналізу
В основі растрової електронної мікроскопії та рентгенівського
мікроаналізу лежить взаємодія електронного пучка з поверхнею зраз-
ка. Для цього досліджувана область або мікрооб'єм опромінюються
тонко сфокусованим електронним пучком (нерухомим або розгорну-
тим у растр по поверхні зразка) [28].
Взаємодія пучка електронів з досліджуваним зразком буває двох
типів: 1) пружні процеси (пружне розсіювання), які призводять до від-
бивання електронів від поверхні або діють на траєкторію електронів у
твердому тілі, не змінюючи суттєво їх енергії; 2) не пружні процеси
(розсіювання), при яких електрони передають енергію твердому тілу,
що викликає появу вторинних електронів, оже-електронів, характери-
27
стичного і безперервного рентгенівського випромінювання, електро-
магнітного випромінювання у видимій, ультрафіолетовій та інфрачер-
воній областях спектра (катоднолюмінесцентне випромінювання),
електронно-дірочних пар, коливань ґраток (фонони) та електронних
коливань (плазмони). Всі ці сигнали можуть бути використані для до-
слідження природи об'єкта - форми, складу, кристалічної структури та
кристалографічної орієнтації, електронної структури, внутрішніх елек-
тричного і магнітного полів тощо.
Для растрової електронної мікроскопії найважливішими є сигна-
ли, які створюють вторинні та відбиті електрони. Ці сигнали зміню-
ються в залежності від топографії поверхні в силу того, як електрон-
ний пучок сканує по зразку. Прийом сигналів здійснюють спеціальні
детектори вторинних та відбитих електронів. Підсилення та обробка
сигналів дозволяють отримати зображення поверхні на екрані елект-
ронно-променевої трубки.
Відбитими називають електрони пучка, які падають на зразок, а
потім вилітають з нього. Експериментально встановлено, що, наприк-
лад, при бомбардуванні мідного зразка лише близько 70 % електронів
передають свою енергію і поглинаються зразком, а ЗО % - розсіюють-
ся пружно, тобто проникають на деяку відстань від поверхні, зміню-
ють напрям свого руху на зворотній та вилітають зі зразка (відбива-
ються).
Коефіцієнт відбиття ґ| електронів визначається як відношення
кількості відбитих електронів пв е до кількості електронів пучка пе або
відношення струмів відбитих електронів іве та електронів пучка іе:
Г| = ^.
4
Струми визначаються за допомогою циліндра Фарадея та пікоам-
перметра постійного струму або калібровочного підсилювача струму.
Моделювання електронних траєкторій методом Монте-Карло до-
28
зволяє визначити вплив різних факторів (енергія пучка електронів,
атомний номер об’єкта, товщина та нахил об’єкта) на взаємодію пучка
електронів і зразка. Наприклад, при збільшенні атомного номера
об’єкта до X = 78 коефіцієнт відбиття електронів зростає від 0,3 для
міді до 0,5 для платини. Оскільки відбиті електрони проникають у
тверде тіло на певну глибину (до декількох мкм), то вони дають ін-
формацію, яка є середньою по глибині. Ця глибина складає приблизно
ЗО % від довжини пробігу електрона. Для пучка, який падає на поверх-
ню зразка під прямим кутом, розподіл відбитих електронів має макси-
мум у місці падіння. Якщо зразок нахилений, то розподіл відбитих
електронів стає асиметричним відносно осі нахилу, а максимум змі-
щується від точки падіння.
Вторинними називають електрони, які емітуються зі зразка з
енергією менше, ніж 50 еВ. Цей поріг є умовним, тому що розподіл
вторинних електронів за енергією досягає максимуму при енергії 3...
...5 еВ. Цей максимум різко падає при збільшенні енергії. Якщо ви-
значити енергетичний розподіл емітованих зі зразка електронів, з від-
битими та вторинними електронами включно, у діапазоні енергій від
нуля до енергії Ео електронів пучка, то крива розподілу, виходячи з
нуля (при Е = 0), має два максимуми: низькоенергетичний з енергією
З... 5 еВ і високоенергетичний з енергією приблизно 0,6 Ео.
Низькоенергетичний максимум обумовлений лише вторинними
електронами, які утворюються внаслідок взаємодії електронів пучка
та слабко зв’язаними електронами провідності.
Коефіцієнт вторинної емісії визначається як відношення струмів
вторинних електронів та електронів пучка. Високоенергетичний мак-
симум обумовлений емітованими і відбитими електронами.
Для рентгенівського мікроаналізу важливе перш за все характери-
стичне рентгенівське випромінювання. Взагалі при непружному роз-
сіюванні електронів рентгенівське випромінювання може виникати за
29
рахунок двох зовсім різних процесів: 1) гальмування електронного
пучка в кулонівському полі атомів, що призводить до появи безперерв-
ного спектра рентгенівського випромінювання з енергією від нуля до
енергії електронів у пучку; 2) взаємодії електронів пучка з електрона-
ми внутрішніх оболонок атомів, що призводять до переходу електро-
нів на більш віддалені рівні і створення вакансій на більш глибоких
електронних оболонках, тобто збудження атома. При поверненні ато-
мів у звичайний стан (повернення електронів із зовнішніх оболонок на
місце електронних вакансій) вивільнена енергія може проявити себе
або у формі випромінювання рентгенівського кванта, або у формі ви-
промінювання оже-електрона (оже-ефект). Частота випромінювання V,
як і довжина хвилі X, зв'язані з енергією кванта Е такими рівняннями:
р
у= —; Х = — = 1,2398/5' [нм],
к еЕ
де к - постійна Планка; е - заряд електрона; Е - енергія, кеВ; с -
швидкість світла.
Оже-електрони, як і рентгенівське випромінювання, мають харак-
теристичну енергію, оскільки електронні переходи відбуваються між
чітко визначеними енергетичними рівнями. На відміну від характери-
стичного рентгенівського випромінювання оже-електрони мають ве-
лику імовірність непружного розсіювання. Довжина їх вільного пробі-
гу складає 0,1...2нм. Тому лише ті оже-електрони, які випроміню-
ються атомами тонкого поверхневого шару товщиною біля 1 нм, по-
кидають зразок, маючи характеристичну енергію, і можуть буди вико-
ристані для мікроаналізу поверхні. Такий аналіз називають оже-
електронною спектроскопією.
Електрон пучка з достатньою енергією може вибити електрон з
внутрішніх К-, Е-, М- або А'-оболонок (позначення прийняті відповід-
но для головного квантового числа п, рівного 1.. .4), залишаючи атом в
іонізованому або збудженому стані. Атом релаксує до основного ста-
30
ну за час порядку 10 12 с. При цьому електрон з АГ-рівня може перехо-
дити на /.-рівень з А",/-рентгенівським випромінюванням, або на М-
рівень з АГр-рентгенівським випромінюванням. Перехід електрона з £-
рівня на Л/-рі вень супроводжується Аа-випромінюванням, а з рівня М
на А' - Ма-рентгенівським випромінюванням. Це випромінювання на-
зивають характеристичним рентгенівським випромінюванням, оскіль-
ки його енергія та довжина хвилі характеризують конкретний збудже-
ний атом.
Довжина хвилі X характеристичного рентгенівського випроміню-
вання елемента визначається законом Мозлі:
А = 5/(7-С)2,
де 2- атомний номер елемента; В і С - константи.
Оскільки електронні оболонки атомів поділяються на підоболон-
ки з різною енергією, то лінії Ка і Кр рентгенівського випромінювання
поділяють на лінії Каї, Ка2, АГрі тощо.
Хімічний аналіз матеріалів проводиться шляхом визначення енер-
гії та інтенсивності рентгенівського випромінювання. У першому на-
ближенні інтенсивності ліній спектра можна вважати пропорційними
концентрації. Для кількісного аналізу використовують еталони та про-
грами розрахунку поправок.
2.2 Принцип будови та роботи растрового електронного
мікроскопа та рентгенівського мікроаналізатора РЗММА-102
У сучасних приладах одночасно використовуються кристал-
дифракційні спектрометри з дисперсією по довжинах хвиль випромі-
нювання та рентгенівські спектрометри з дисперсією по енергіях.
У рентгенівських кристал-дифракційних спектрометрах рентге-
нівське випромінювання розкладається в спектр за допомогою кри-
стал-аналізатора. Як кристал-аналізатор використовують пластинки
31
монокристалів з відповідними міжплощинними відстанями та багато-
шарові плівкові аналізатори. Дифракція рентгенівського випроміню-
вання відбувається за законом Вульфа-Брегга:
пХ = 2(18ІП 0 ,
де X - довжина хвиль; б/ - міжплощинна відстань в кристалі; 0 - кут
падіння на кристал рентгенівського випромінювання; п - ціле число,
яке відповідає порядку відбиття випромінювання.
Як детектор рентгенівського випромінювання використовують га-
зовий проточний пропорційний лічильник або твердотільні детектори.
У кристал-дифракційних спектрометрах рентгенівських мікроаналіза-
торів з дисперсією по довжинах хвиль у якості детектора використо-
вують газовий пропорційний лічильник.
Дія газового пропорційного лічильника побудована на принципі
іонізації газів рентгенівським випромінюванням. Лічильник склада-
ється з газонаповненої трубки з натягнутим посередині тонким дротом
(найчастіше з вольфраму), на який подається позитивний потенціал
1... З кВ. Коли фотон рентгенівського випромінювання попадає в труб-
ку через тонке вікно на боковій стороні трубки і поглинається атомом
газу, то випромінюється фотоелектрон, який віддає свою енергію на
іонізацію інших атомів. Вивільнені електрони притягуються до цент-
рального дроту і створюють імпульс струму. При достатньому пози-
тивному потенціалі дроту-анода відбувається вторинна іонізація газу і
повний зібраний заряд збільшується на декілька порядків, але лічиль-
ник повинен працювати в пропорційному режимі, коли повний зібра-
ний заряд пропорційний енергії падаючого фотона.
Зібраний заряд подається на передпідсилювач, а з нього - на го-
ловний підсилювач, з якого отримують імпульс напруги певної форми
та амплітуди. Найчастіше амплітуда імпульса для енергії рентгенів-
ського фотона складає 2... 10 В. Обчислювальний пристрій розраховує
число рентгенівських квантів тієї або іншої лінії спектра, збудженої за
32
певний час. Кристал-дифракційний спектрометр з дисперсією по дов-
жинах хвиль можна налагодити на лінію спектра того чи іншого еле-
мента та визначити його розподіл вздовж лінії сканування електрон-
ного пучка. На дисплеї реєструється розподіл інтенсивності рентгенів-
ського випромінювання конкретного елемента.
У рентгенівських спектрометрах з дисперсією по енергіях в якості
твердотільного детектора використовують кристал кремнію, леговано-
го літієм. Кремнієвий детектор застосовується сильно охолодженим
рідким азотом.
Незбурений 8і (Іл)-кристал має зонну електронну структуру, в
якій стани в зоні провідності вільні, а у валентній зоні заповнені. Коли
фотон рентгенівського випромінювання через тонке берилієве вікно
попадає в детектор, він поглинається атомом кремнію і випромінюєть-
ся високоенергетичний електрон, який віддає свою енергію на ство-
рення електронно-дірочних пар, тобто електрони переходять у зону
провідності, залишаючи зону валентності (утворюють в останній дір-
ки). Під дією напруги зміщення електрони і дірки розділяються та
збираються електродами, розміщеними на поверхні кристала. Оскіль-
ки зібраний заряд малий, то детекторна електроніка підсилює сигнал
приблизно в 1О10 разів, але його амплітуда залишається пропорційною
енергії рентгенівського кванта, який випромінюється атомом під дією
пучка електронів.
Завдання детекторної електроніки полягає в тому, щоб зібрати
повний заряд, створений кожним рентгенівським фотоном, і перетво-
рити його в імпульс напруги для подальшої обробки та підрахунків.
Інформацію про розподіл амплітуд імпульсів, що необхідно для
ідентифікації рентгенівського випромінювання по елементах, дають
одноканальні та багатоканальні аналізатори. Одноканальний аналіза-
тор відбирає та пропускає для подальшої обробки імпульси, амплітуда
яких знаходиться в межах заданої напруги, а також формує сигнал для
33
лічильника або інтенсиметра. Багатоканальний аналізатор визначає
амплітуду кожного імпульсу від головного підсилювача та адресує її
для накопичення в одній з чарунок запам'ятовуючого пристрою, яка
відповідає заданому інтервалу амплітуд імпульсів. Вміст чарунок
пам'яті передається комп'ютеру для подальшої обробки, наприклад,
для ідентифікації піків або для їх виміру. Розподіл амплітуд імпульсів
за дисперсією енергій дозволяє визначити елементи, які присутні в
зразку.
Схема електронної та рентгенівської оптики показана на рис.2.1.
Рис.2.1. Принципова оптична схема елект-
ронного растрового мікроскопа та рентгенів-
ського мікроаналізатора:
1 - катод; 2 -модулятор; 3 - анод; 4 - обмежуюча
діафрагма; 5 - перша конденсорна лінза; б - друга
конденсорна лінза; 7 - котушка подвійного відхи-
лення; 8 - стигматор; 9 - об'єктивна лінза; 10 -
діафрагма обмеження розміру пучка; 11 - детек-
тор рентгенівського випромінювання (кристал-
дифракційний спектрометр дія хвильового спект-
ра або рентгенівський спектрометр з дисперсією
по енергіях); 12 - підсилювач фотопомножувача;
13 - генератори розгортки; 14 - зразок; 15 - детек-
тор вторинних електронів; 16 - підключення ко-
тушки подвійного відхилення; 17 - управління
збільшенням; 18- електронно-променева трубка
Електронна гармата (позиція 1... 10) служить для формування еле-
ктронного пучка, який характеризується трьома параметрами: струм
пучка (діапазон 10 І2... І0 б А), діаметр пучка (від 5 нм (50 А) до
1 мкм) та розходимість пучка (10 4... 10 2 рад). Ці параметри пов'язані
між собою. Електронний пучок падає на певне місце зразка. У резуль-
таті пружного та непружного розсіювання електронів у зразку детек-
тори фіксують відбиті та вторинні електрони, характеристичне безпе-
рервне рентгенівське та катодолюмінесцентне випромінювання. Вимі-
34
рюючи величину сигналів, можна отримати локальні характеристики
об'єкта, наприклад, топографію, склад та інше. Оскільки сигнали над-
ходять від точки падіння електронів, то чим менше діаметр пучка, тим
більше інформації ми отримаємо.
Для дослідження об'єкта пучок необхідно переміщувати по по-
верхні від однієї точки до іншої за допомогою скануючої системи.
Сканування забезпечується електромагнітними котушками подвійного
відхилення в X- та У-напрямках.
В аналоговій системі сканування пучок рухається безперервно
вздовж лінії X (розгортка по лінії), після завершення руху наступна
лінія дещо зміщується по осі У (розгортка кадру) та процес повторю-
ється, створюючи растр. У цифровій системі розгортай пучок адресу-
ється лише в певне місце Х-У-растру.
Інформація від растрового електронного мікроскопа складається з
положень пучка в координатах Х-У та відповідно набору інтенсивно-
стей сигналів від кожного з детекторів. Цю інформацію можна відобра-
зити на екрані електронно-променевої трубки (ЕПТ) двома способа-
ми.
1. Сканування вздовж лінії. При цьому пучок рухається вздовж
лінії, наприклад, в X- або У-напрямку. Сигнал положення пучка вико-
ристовується для горизонтального відхилення в ЕПТ. Внаслідок син-
хронного сканування електронного пучка по зразку та сигналу в ЕПТ
зображення в трубці однозначно відповідає положенню пучка на до-
слідному об'єкті. Сигнал від одного з детекторів використовується для
відхилення сигналу в ЕПТ по осі У. Наприклад, якщо використовуєть-
ся сигнал характеристичного рентгенівського випромінювання, то від-
хилення по осі У може бути мірою концентрації певного елемента. Для
реєстрації режиму сканування вздовж лінії необхідно встановити по-
ложення лінії сканування на растрі, лінійну розгортку з У-модуляцією,
рівень нуля та рівень максимального сигналу.
35
2. Сканування по поверхні (отримання картинки). При цьому еле-
ктронний пучок сканує по зразку в координатах Х-¥, аналогічно ска-
нує сигнал на екрані ЕПТ. Синхронні розгортай на зразку та екрані
ЕПТ забезпечують геометричний зв'язок між будь-яким вибраним на-
бором точок на зразку та екрані ЕПТ. Для відображення інформації з
об'єкта використовується яскравісна модуляція (/-модуляція). тобто
інтенсивність сигналу з детектора використовується для управління
яскравістю плями на екрані ЕПТ. Відображення повторює точну фор-
му об'єкта.
Збільшення мікроскопа визначається регулюванням масштабу
відображення на екрані ЕПТ відстані між точками на об'єкті. Оскільки
відстань між точками на екрані фіксована розмірами екрана ЕПТ, то
збільшення мікроскопа забезпечується зменшенням довжини сторони
досліджуваної площі. Наприклад, при збільшенні в десять разів до-
сліджувана площина складає 1 см, при збільшенні в 105 разів - лише
1 мкм2.
Збільшення в растровому електронному мікроскопі (РЕМ) зале-
жить від сили струму у відхилюючих котушках.
Важливим параметром РЕМ є глибина фокуса та чіткість зобра-
ження. Якщо уявити шереховату поверхню, то електронний пучок
може бути сфокусований на певному рівні. Вище та нижче фокуса пу-
чок буде розширюватись. Глибина фокуса залежить від розходження
пучка, робочої відстані та збільшення мікроскопа. Головним способом
збільшення глибини фокуса є зменшення розходження пучка, що до-
сягається зменшенням розміру діафрагми 10 (див. рис.2.1). Наприклад,
при збільшенні в 103 глибина фокуса складає 6,7 мкм при діафрагмі
600 мкм. При збільшенні в 105 і тих же діафрагмах глибина фокуса
складає 0,067 мкм та 0,4 мкм відповідно.
Велику роль в якості зображення на РЕМ грає контраст, під яким
розуміють відношення різниці максимального та мінімального сигна-
36
лів до величини максимального сигналу. Розрізняють топологічний
контраст та контраст від складу зразка. Топологічний контраст вини-
кає за рахунок того, що відбиття та вторинна електронна емісія зале-
жить від кута падіння пучка на зразок, який змінюється завдяки рель-
єфу поверхні. Контраст від складу зразка залежить від атомного номе-
ра елемента. Таким чином, контраст є складним поєднанням властиво-
стей системи електронного пучка - зразка та властивостей детектора.
Зображення мікроструктури зварного з'єднання жароміцного
сплаву ЗИ602, отримане на растровому електронному мікроскопі
РЗММА-102, показано на рис.2.2. Енергетичний та хвильовий спектр
при дослідженні сплаву №-Н£-Хг показано на рис.2.3.
Рис.2.2. Мікроструктура зварно-
Рис.2.3. Енергетичний та хвильовий спектри
сплаву №-НГ-2г
го з'єднання; х500
Розглянуті вище явища, що супроводжують процес бомбардуван-
ня дослідних об'єктів прискореним у високовольтному електричному
полі (десятки кВ) електронним пучком, складають основу електронної
растрової мікроскопії та рентгенівського мікроаналізу.
У лабораторних роботах з курсу "Теорія зварювальних процесів"
досліджуються фізико-хімічні та металургійні процеси при зварюванні
плавленням, тиском та паянні. Для аналізу металургійних процесів
при зварюванні плавленням широко використовують спектральний
аналіз та вимірювання твердості металу шва, при цьому враховують
те, що легування заліза підвищує його твердість.
37
При дифузійному зварюванні та паянні дослідження фізико-
хімічних процесів неможливе без рентгеноспектрального мікроаналі-
зу. Тому перші лабораторні заняття присвячені роботі студентів на
стилоскопах та знайомству з електронним мікроаналізатором
РЗММА-102. Після цього студенти переходять безпосередньо до ви-
вчення металургійних процесів при різних способах зварювання. На-
приклад, використання спектрального аналізу та дослідження твердо-
сті металу наплавки стосовно ацетиленокисневого зварювання розгля-
нуто в розд.З.
2.3 Обладнання та матеріали
1. Растровий електронний мікроскоп та рентгенівський мікро-
аналізатор РЗММА-102.
2. Декілька мікрошліфів сплавів у вигляді кубиків зі стороною не
більше 20 мм.
2.4 Методика роботи
1. Вивчити суть растрової електронної мікроскопії та рентгенів-
ського мікроаналізу, принципову схему приладу РЗММА-102 і його
можливості.
2. Ознайомитися з підготовкою та аналізом зразків.
З. Записати результати аналізу, виконаного оператором, та описа-
ти отримані результати.
2.5 Зміст звіту
У звіті потрібно відзначити: назву роботи; суть растрової елект-
ронної мікроскопії; суть рентгенівського мікроаналізу; принципову
схему приладу РЗММА-102 та його можливості; результати аналізу та
їх опис.
38
2.6 Контрольні питання
1. У чому полягає суть аналізу за допомогою приладу РЗММА-102?
2. Схарактеризуйте область використання та технічні можливості
приладу РЗММА-102.
3. Які види сканування поверхні зразка існують? Дайте їм харак-
теристику.
4. Визначте основні параметри приладу РЗММА-102: збільшення
електронного мікроскопу, глибина фокусу та чіткості зображення,
контраст тощо.
3. ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХ ТА МЕТАЛУРГІЙНИХ
ПРОЦЕСІВ ПРИ АЦЕТИЛЕНО КИСНЕВОМУ ЗВАРЮВАННІ
Практика показує, що найбільш простими для розуміння студен-
тів є фізико-хімічні та металургійні процеси при ацетилено-кисневому
зварюванні. Саме з них розпочинаються дослідження студентів у ла-
бораторних роботах. Кожна лабораторна робота має теоретичну та
експериментальну частини, складається з теоретичних прогнозів, ре-
зультатів досліджень та їх аналізу.
Мета роботи', вивчити будову, фізико-хімічні процеси та темпе-
ратури ацетилено-кисневого полум'я, а також металургійні властиво-
сті полум'я при різному регулюванні.
Завдання роботи ', розрахувати тепловий ефект хімічних реакцій і
температуру полум'я; вивчити термодинамічний метод оцінки окис-
нювальної здатності газової фази; дослідити вплив регулювання аце-
тилено-кисневого полум'я на хімічний склад і властивості металу шва.
3.1 Будова полум'я
Найчастіше як горючий газ при зварюванні використовують аце-
тилен. Ацетилено-кисневе полум'я, як і полум'я, що утворюється при
39
згоранні інших вуглеводнів, має три зони: 1 - ядро, 2 - середню зону,
З - факел (рис.3.1).
Рис.3.1. Розподіл температури по дов-
жині ацетилено-кисневого полум'я:
а - окиснювальне; б - нормальне; в - наву-
глецьовувальне
Розглянемо процеси, які протікають у різних зонах полум'я [23].
Ядро полум'я. У цій зоні відбуваються термічний розпад ацетиле-
ну та підготовка ацетилену до згорання (період індукції). Процес про-
тікає повільно при температурі 800... 1200 °С за формулою
= (т-А?)С,Н, +и| С Н +хС + ^нД (3.1)
XX' ' Л Л IX у X І X /
Елементарний (атомарний) вуглець, нагріваючись на поверхні яд-
ра до високої температури, викликає яскраве біле свічення останнього.
Середня зона полум'я. У цій зоні відбувається інтенсивне окис-
нення ацетилену киснем, який надходить з пальника. Реакцію горіння
на цій стадії можна записати у вигляді
С2Н2+О2 =2СО+Н2+О1. (3.2)
З цієї реакції видно, що при подачі в пальник газів у рівних кіль-
костях у середній зоні полум'я утворюються гази СО та Н2. Таке по-
40
лум'я називають нормальним. Практично кисню подається більше і
=------— у нормальному полум і становить
ГС2Н2
1,0 < р < 1,3, де , 1с2Н2 _ витрати кисню та ацетилену відповідно.
Таке співвідношення пояснюється забрудненням кисню іншими газа-
ми та частковим згоранням водню.
Полум'я, в якому р > 1,3, називають окиснювальним. Полум'я, в
якому р < 1,0, називають навуглецьовувальним.
В окиснювальному полум'ї ядро скорочується. Таке полум'я ство-
рює сильніший звук, ніж навуглецьовувальне і нормальне. У навугле-
цьовувальному полум'ї ядро має нечіткий контур, подовжується, про-
тяжність зони існування атомарного вуглецю значно збільшується,
відбувається навуглецювання металу шва. При значному зменшенні Р
елементарний вуглець досягає факела полум'я, перетворюючись там
на молекулярний і виділяючись у вигляді сажі. Утворюється кіптяве
полум'я, яке для зварювання не використовується.
Факел полум'я. У цій зоні нормального полум'я відбувається до-
горання продуктів середньої зони полум'я за рахунок кисню повітря:
З —
2СО + Н2 +-(О2 +4Т%) = 2СО2 +Н2О + 6Т% +О2. (3.3)
2 '2 2 ' Л Л Л '
3.2 Температура полум'я
За експериментальними даними, для успішного зварювання тем-
пература полум'я має бути на 450...500 °С вищою від температури
плавлення металу. Полум'я з більш високою температурою полегшує
зварювання і підвищує продуктивність.
Якщо прийняти процес горіння адіабатним, то можна розрахувати
температуру полум'я за рівнянням
ДГ = ^—, (3.4)
/=1
41
де А/ - підвищення температури по відношенню до початкової темпе-
ратури пальної суміші (звичайно початкову температуру беруть
і = 0°С); к - число продуктів горіння; () - тепловий ефект реакції то-
к
ріння; ^и.сп. - теплоємність усіх продуктів горіння; срі - молярна теп-
г=1
лоємність окремих речовин - продуктів горіння; Пі - стехіометричні
коефіцієнти перед продуктами горіння.
З формули (3.4) випливає, що для одержання вищої температури
полум'я потрібно вибирати пальний газ, який дає найбільший тепло-
вий ефект і найменшу кількість продуктів горіння. З цієї точки зору
найкращим газом є ацетилен, а найкращим окиснювачем - чистий ки-
сень. Використання повітря як окиснювача дає низьку температуру
полум'я, бо азот, який міститься в повітрі, значно збільшує кількість
продуктів згорання і витрати тепла на нагрівання останніх. Розподіл
температур показано на рис.3.1.
Максимальну температуру має окиснювальне ацетилено-кисневе
полум'я - 3300 °С. Найвища температура ацетилено-кисневого полу-
м'я досягається в середній зоні, на відстані 2... 4 мм від ядра, де спа-
люється основна кількість газу, горіння відбувається з максимальною
швидкістю і процес найближчий до адіабатного.
Розрахунок температури за формулою (3.4) для реакції (3.2) дає
значно вищу температуру, ніж реальна. Це обумовлено відсутністю
обліку витрат тепла на дисоціацію продуктів горіння при високих тем-
пературах. У полум'ї можна спостерігати дисоціації таких газів:
Н2 —>(1-а)Н2 +2аН + а(7; (3.5)
СО —> (І-а)СО + аС-і-аО + аО", (3.6)
де а - ступінь дисоціації, який показує частку грам-молекул, що про-
дисоціювали; та 0” - теплові ефекти дисоціації при а = 1.
Процеси дисоціації протікають з поглинанням тепла. На рис.3.2
показано вплив температури на ступінь дисоціації газів.
42
При температурі ацетилено-кисневого полум'я 3000...3300 °С ок-
сид вуглецю практично не дисоціює. Тому при розрахунку температу-
ри полум'я тепловий ефект реакції необхідно визначити з урахуванням
лише часткової дисоціації молекулярного водню:
С2Н2 + О2 = 2СО + (1 - а)Н2 + 2аН + (§ + а О7). (3.7)
Не враховуючи початкову температуру пальної суміші, згідно з
формулою (3.4) температура полум'я:
. =____________Ох+оО'_____________
^пл І /1 \ І Л ' (-’-о)
2с^(со) + О _ а)с^(н2) + ^аср(Н)
Ступінь дисоціації а залежить від температури, тому температура
полум'я може бути визначена методом послідовних наближень за фор-
мулою (3.8).
Рис.3.2. Залежність ступеня дисоціації
газів від температури
При розрахунку теплових ефектів слід пам'ятати, що термохіміч-
ний тепловий ефект та зміна ентальпії пов'язані рівнянням
о=-дн.
Необхідні для розрахунків стандартні термодинамічні величини
наведено в дод.З.
3.3 Металургійні властивості ацетилено-кисневого полум'я
Ацетилено-кисневе полум'я поряд з продуктами горіння має віль-
ний вуглець і кисень, кількість котрих залежить від регулювання по-
лум'я. Кількість кисню в полум'ї оцінюють парціальним тиском кисню
КГ
43
Окиснювальна здатність полум'я щодо різних елементів визнача-
ється шляхом порівняння парціального тиску | в полум’ї з пруж-
ністю дисоціації оксидів цих елементів р02 при температурі контак-
тування газової фази з металом. Для газового зварювання ця темпера-
тура становить близько 1585 °С. Полум’я щодо будь-якого елемента
може бути:
окиснювальним, якщо |> р0^ ;
відновним, якщо )< рОг ;
нейтральним, якщо у= р,,^ .
Відомо, що під пружністю дисоціації оксидів розуміють парціаль-
ний тиск кисню, коли реакція окиснення досягне рівноваги. Розраху-
вавши парціальний тиск кисню при різному регулюванні полум'я та
пружність дисоціації оксидів різних елементів при температурі
1585 °С, А.М. Шашков побудував номограму (рис.3.3) для оцінки оки-
снювальної здатності полум'я. Однак номограма придатна тільки для
грубої оцінки властивостей полум'я відносно різних елементів, тому
що в неї внесено пружності дисоціації оксидів за стандартних умов.
На номограмі в середньому стовпчику записано значення логариф-
мів тиску кисню, а ліворуч від цього стовпчика наведено оксиди мета-
лів, логарифми пружностей дисоціації яких показано стрілками на
шкалі логарифмів; праворуч записано різні значення (регулювання
полум'я), при яких логарифми парціальних тисків кисню також пока-
зано стрілками на шкалі логарифмів. Технічну назву полум'я з різним
регулюванням витрат кисню та ацетилену наведено в крайньому пра-
вому стовпчику.
З рис.3.3 видно, що прийнята в техніці назва полум'я в цілому не
відбиває його металургійних властивостей щодо різних елементів.
44
Рис.3.3. Номограма А.М. Шашкова для оцінки металургійних властивостей
ацетилено-кисневого полум’я
3.4 Методика роботи
1. Вивчити процеси, які протікають в ацетилено-кисневому полу-
м'ї.
2. Розрахувати теплові ефекти горіння ацетилено-кисневого по-
лум'я в середній зоні та факелі полум'я, а також повний тепловий
ефект від згорання одного моля ацетилену.
З. Розрахувати температуру ацетилено-кисневого полум'я в різних
зонах. Розрахунок теплових ефектів і температур виконуються у ви-
гляді табл.3.1 за даними дод .3.
4. Виконати візуальну оцінку регулювання полум'я. Відмітити,
45
чим відрізняється за формою та звуком нормальне полум'я від окис-
нювального та навуглецьовувального.
5. Виконати експериментальне дослідження впливу регулювання
полум'я на хімічний склад і твердість металу шва.
На кожному з трьох видів регулювання полум'я (нормальне, окис-
нювальне, навуглецьовувальне) наплавити метал на пластинки з низь-
ковуглецевої сталі, використовуючи низьковуглецевий дріт Св-08А та
легований дріт Св-ІОГСНТ або інший дріт, легований кремнієм та
марганцем.
6. Користуючись номограмою А.М. Шашкова, визначити (якісно),
як повинен змінюватися хімічний склад наплавленого металу при зва-
рюванні з різним регулюванням полум'я. Отриманий результат порів-
няти з результатами дослідження на стилоскопі, для чого визначити
приблизно концентрацію легуючих елементів у наплавленому металі.
Таблиця 3.1 Теплові ефекти реакцій і температури полум'я
Хімічні рівняння Результати розрахунків
Тепловий ефект, кДж Температура, °С Ступінь дисоціації
1. С7Н7 +О7 =2СО+Н7 +а 2 2 2 2
2. 2СО7 +Н7 +-(О7 + 4Т47) = 2 2 X 2 2 / = 2СО7 + Н7О + 6Т% + <97 2 2 2 -2^2
з. с7н7 +-о7 =2со7 +н7о+У<9 2 2 2 2 2 — —
4.С2Н2+(О2+41Ч2) = = 2СО + Н2 +4Т42 +<й
5. Н2 =2Н + (7 - -
6. 2СО + (1-а)Н2 + (ді+а27) 3100 (задано)
46
3.5 Обладнання та матеріали
1. Пост газового зварювання. Пальник з мундштуком 3.
2. Інструменти: напилок, металева щітка, захисні окуляри
(10 шт.), кліщі.
3. Дві пластинки з низьковуглецевої сталі розміром 50x150 мм,
товщиною 3... 5 мм.
4. Присадкові матеріали діаметром 3 мм, завдовжки 300...400 мм
з дроту Св-08А та Св-ІОГСНТ або іншого легованого дроту.
5. Фрезерувальний або шліфувальний верстат, або наждачний
круг.
6. Стилоскопи СЛ-11А, "Спектр", СЛП-4.
7. Прилад для вимірювання твердості ТК-2.
3.6 Виконання розрахунків та експериментів
Експериментальну частину програми виконують після теоретич-
них розрахунків. Після ознайомлення з будовою полум'я та його регу-
люванням виконують наплавлювальні роботи. На одну пластинку на-
плавляють валик дротом Св-08А, на другу - Св-ІОГСНТ або іншим
легованим дротом.
Наплавлення полум'ям одного регулювання виконується по черзі
одним і другим дротом. Потім змінюється регулювання та наплавля-
ються нові два валика. Довжина валика має бути 40...50 мм. При на-
плавленні звертати увагу на характер плавлення металу.
Охолодження пластинок після кожного наплавлення має здійсню-
ватися на повітрі до 300...200 °С, далі можна охолоджувати водою,
після чого на поверхні валиків фрезерувати площину для вимірювання
твердості металу. Твердість вимірюється на приладі ТК-2. На кожно-
му валику робиться не менше трьох вимірювань.
Результати спостережень характеру плавлення та вимірювань
твердості металу заносять до табл.3.2.
47
Таблиця 3.2 Твердість наплавленого металу
Характеристика полум'я Характер плавлення металу Твердість наплавного металу
Дріт Св-08А Дріт Св-ІОГСНТ
НК Середнє значення твердості НК Середнє значен- ня твердості
Окиснювальне
Нормальне
Навуглецьовувальне
Прилад ТК-2 настільного типу служить для визначення твердості
металів методом вдавлювання алмазного конусу (НКС, НКА) або ста-
левої кульки (НКВ) під дією заданого навантаження протягом 4...5 с.
Навантаження, вид наконечника та шкала вимірів вибираються
залежно від твердості металу у відповідності з табл.3.3.
Таблиця 3.3 Рекомендації щодо вимірів твердості металу на твердомірі ТК-2
Приблизна твер- дість металу, НУ Означення шкали ви- мірів Навантаження, Н (кгс) Означення твердості за Роквеллом Допустимі границі вимі- РУ
60...240 "В" 981 (100) НКВ 25...100
240...900 "С" 1470(150) НКС 20...67
390...900 "А" 588 (60) НКА 70...85
Навантаження 588 Н створюється за рахунок самого важільного
пристрою (підвіски), а навантаження 981 та 1470 Н - за рахунок двох
гир по 40 та 50 кгс.
Зразок повинен тісно прилягати до столу, без коливань, перемі-
щень та деформацій. Товщина зразка повинна бути не менше восьми-
разової глибини вдавлювання наконечника. Попереднє навантаження
складає 98 Н (10 кгс).
Прилад включають спеціальним тумблером. Готовність приладу
до роботи показує лампочка. Зразок кладуть на стіл приладу та обер-
48
танням маховика підводять зразок до наконечника і притискають, по-
ки мала стрілка індикатора не стане проти червоної точки, а велика
стрілка індикатора - на нуль шкали з точністю ±5 поділок (якщо робо-
та проводиться без обмежувача). Потім повернути шкалу до суміщен-
ня великої стрілки і нуля. При роботі з обмежувачем після суміщення
стрілок і нуля опускається обмежувач, притискається до зразка та фік-
сується гайкою.
Після встановлення зразка натисканням клавіші включають меха-
нізм навантаження. На індикаторі відраховується безпосередня твер-
дість металу. Нижче наведено шкалу відповідності між числами твер-
дості, визначеної різними методами (табл.3.4).
Таблиця 3.4 Відповідність між числами твердості, визначеної різними
методами
Твердість за Брінеллем, НВ Твердість за Роквел- лом, НК Шкали Твердість за Віккер- сом, НУ
Діаметр відбит- ка, мм Число твердості, МПа С А в
2,50 601 60 82 - 746
2,75 495 50 76 - 551
3,00 415 44 72 - 435
3,25 352 38 69 111 361
3,50 302 33 67 108 312
3,75 262 27 64 - 261
4,00 228 22 62 99 235
4,25 202 16 59 94 201
4,50 179 - 56 89 183
4,75 159 - - 83 159
5,00 143 - - 76 144
Користуючись номограмою А.М. Шашкова, з'ясуйте відношення
полум'я при різному регулюванні до кожного легуючого елемента і
49
заліза. За результатами цього аналізу заповнюється табл.3.5. Для точ-
нішого визначення пружностей дисоціації оксидів необхідно врахову-
вати концентрацію елементів у металі, користуючись рівнянням:
Ро
рСПП _ 'Лг
°2 ”[Ме]"’
(3.9)
де Ро - пружність дисоціації оксидів чистих елементів, визначена за
номограмою А.М. Шашкова; [Ме] - атомна частинка елемента в сталі
(визначається приблизно); п - стехіометричний коефіцієнт перед еле-
ментом у рівнянні реакції окислення:
и[Ме]+С>2 = т МейС>2
V т т
(3-Ю)
При заповненні табл.3.5 окиснювальне полум'я береться з регу-
люванням 1,5; нормальне - 1,1; навуглецьовувальне - 0,8.
До табл.3.5 заносять також результати спектрального аналізу.
У табл.3.5 у чисельнику записують характер взаємодії при стан-
дартних умовах, а в знаменнику - для сплаву.
Таблиця 3.5. Характер взаємодії полум'я з елементами зварювального
дроту та вміст елементів
Характеристика полум'я Дія полум'я на елементи Вміст елементів у дроті Св-ЮГСНТ
Дріт Св-08А Дріт Св-ЮГСНТ
Ре С Ре с Мп 8і № Ті Мп 8і № Ті
Окиснювальне
Нормальне
Навуглецьовуюче
3.7 Аналіз результатів роботи
1. Порівнюючи між собою результати розрахунків теплових ефек-
тів і температур, з'ясувати: якою мірою максимальна температура по-
50
лум'я залежить від чистоти окиснювача, чим пояснюється ця залеж-
ність та який практичний висновок з цього випливає; якою мірою тем-
пература, розрахована без обліку дисоціації водню, відрізняється від
фактичної.
2. Порівнюючи результати спектрального аналізу та вимірювань
твердості металу, з'ясувати, якою мірою теоретичні передбачення від-
повідають експериментальним даним. При цьому мати на увазі дані з
загального металознавства про те, що всі легуючі елементи, розчинні
в залізі, збільшують твердість сталі.
3.8 Зміст звіту
У звіті потрібно відзначити: назву та завдання роботи; теоретичні
основи роботи; методику визначення температури та металургійних
властивостей полум'я; розрахунок теплових ефектів і температур у
вигляді табл.3.1; результати експериментальних досліджень твердості
та хімічного складу металу (див. табл.3.2 та 3.5); оцінку характеру по-
лум'я по відношенню до елементів дроту (див. табл.3.5); номограму
А.М. Шашкова; аналіз результатів та висновки.
3.9 Контрольні питання
1. Яка мінімальна температура полум'я необхідна для зварювання
сталей?
2. Як розрахувати тепловий ефект хімічної реакції?
3. У чому полягає суть термодинамічного методу оцінки окисню-
вальної здатності газозварювального полум'я та газової фази взагалі?
4. Які умови окиснювання, відновлення та рівноваги?
5. Яка структура номограми А.М. Шашкова? Як за допомогою
цієї номограми встановити взаємодію ацетилено-кисневого полум'я з
елементами сталі?
6. У чому різниця між технічними термінами "нормальне" або
51
"окиснювальне" полум'я та металургійними властивостями полум'я?
7. У чому полягає стандартна та фактична спорідненість елемен-
тів з киснем?
8. Яким є вплив спорідненості елементів до кисню на їх концент-
рацію в металі шва?
9. Як відбувається легування металу шва вуглецем через газову
фазу?
4. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ УТВОРЕННЯ ПОР У МЕТАЛІ
ШВА ПРИ ЕЛЕКТРОДУГОВОМУ ЗВАРЮВАННІ
Мета роботи', дослідити процес утворення пор при ручному еле-
ктродуговому зварюванні якісними електродами, при механізованому
зварюванні в середовищі вуглекислого газу, при автоматичному зва-
рюванні під флюсом, а також з’ясувати вплив металургійних і техно-
логічних факторів на процес утворення пор.
Завдання роботи: вивчити механізм утворення пор, обумовлених
розчинними та нерозчинними газами; дослідити вплив зварювальних
матеріалів на процес утворення пор; чутливість зварювальних матері-
алів до іржі; вплив режимів зварювання на процес утворення пор.
4Л Механізм утворення пор
Порами називають округлі або складнішої форми пустоти в мета-
лі, які виникають у процесі первинної кристалізації зварювальної ван-
ни. Звичайно пори являють собою невиділені з металу бульбашки во-
дню, азоту, водяної пари та окису вуглецю [1,21,23,24,33,37]. Кінетику
утворення пор у зварних швах описано в роботі [26].
Механізм утворення пор розчинними газами - воднем та азотом -
пов'язаний з різким зменшенням розчинності цих газів при переході
52
металу з рідкого стану в твердий (рис.4.1). Взаємодію азоту і водню з
металом та механізм утворення ними пор описано в роботах
[14,20,24,25].
Як видно з рис.4.1, при підвищенні температури металу розчин-
ність газів зростає. Якщо порівнювати температуру зварювальної ван-
ни (1700 °С), температуру крапель металу, які відриваються від елект-
рода (2150 °С), і температуру крапель металу при переході через дугу
(2200...2500 °С), то можна дійти такого висновку: максимальне наси-
чення воднем та азотом відбувається при перенесенні крапель мета-
лу через дугу.
Рис.4.1. Розчинність водню та азоту в сплаві 99 % Ре + 1 % Мп в залежності
від температури
При температурі плавлення металу різко змінюється розчинність
газів. Кристалізація металів супроводжується стрімким зниженням
розчинності: азоту - в 4 рази, водню - в 1,7 рази. Внаслідок цього рі-
дина при кристалізації пересичується газами. Для виходу з рідини газ
повинен створити тиск РТ більший, ніж тиск протидії. Це визначається
умовою росту газового зародка:
53
К > Двн + Ум^м + Уш^ш + ,
г
де Рт - внутрішній тиск газової фази; Рзвн - зовнішній тиск газової фа-
зи, звичайно 105 Па; ум та уш - питома маса рідких металів і шлаку;
/ім, - товщина шару металу та шлаку відповідно; ст - поверхневий
натяг на межі металу - газова бульбашка; г - радіус бульбашки.
Величини умйм і ушЛш для звичайних умов зварювання незначні.
_ 2<т
Оскільки величина — при г —> 0 прагне до нескінченності, то виді-
г
лення бульбашок газу можливе при великому місцевому скупченні
розчинних газів або на готових поверхнях поділу фаз при малих по-
верхневих натягах. Цими поверхнями можуть бути шлакові частки в
зварювальній ванні та межі поділу твердого і рідкого металу. Буль-
башки, що виникають на поверхні поділу фаз, досягши певної величи-
ни, випливають на поверхню. При цьому бульбашки газів, які не
встигли виділитися із зварювальної ванни, утворюють пори.
У реальних умовах електродугового зварювання рідкий метал пе-
ребуває в постійному русі, що значно підвищує можливість утворення
газових зародків. Крім того, поверхневий натяг завжди знижується зі
зменшенням радіуса кривизни поверхні до нуля при г = 0 [24]. Тому
умову утворення та збільшення розміру газового зародка можна запи-
сати нерівністю Рт > Рзт .
Механізм утворення пор нерозчинними газами - окисом вуглецю,
гідроокисом та парами води - пов'язаний з утворенням цих газів у
зварювальній ванні в процесі її кристалізації. При цьому можливе
протікання таких реакцій розкис не ння металу:
[С] + [О] = СО;
[Н] + [О] = ОН;
2[Н] + [О] = Н2О.
54
Якщо ці реакції протікають при значній температурі зварювальної
ванни, тоді гази, які утворюються, виходять з ванни, сприяючи вилу-
ченню розчинних газів. Якщо утворення газів відбувається в період
затвердіння зварювальної ванни, то їх вилучення проходить мляво, і
бульбашки газів не встигають вийти на поверхню, залишаючись у ме-
талі у вигляді пор.
4.2 Теоретичний аналіз методів боротьби з порами та основа
експериментальних досліджень
Запобігання виникненню пор, викликаних розчинними газами,
ведеться шляхом [1,23,24]: обмеження джерел надходження водню та
азоту в дугу; зв'язування водню в зоні дуги в нерозчинні сполуки;
зниження розчинності газів у рідкому металі; зв'язування водню та
азоту в зварювальній ванні у нерозчинні сполуки та вилучення їх до
кристалізації ванни; застосування технологічних засобів.
Для обмеження джерел надходження водню необхідно видалити
іржу та органічні забруднення з поверхні деталей, вологу з електродів,
флюсів, захисних газів. Джерелом азоту є повітря, тому необхідно ма-
ти надійний захист від нього.
У зоні дуги водень може бути зв'язаний у нерозчинні сполуки -
фтористий водень НР, водяну пару Н2О та гідроокис ОН.
Зв'язування водню у фтористий водень найбільш успішно проті-
кає за допомогою плавикового шпату СаР2 при наявності кремнезему.
Допускається протікання таких реакцій [1,14]:
2(СаР2) + З (8іО2) = 2(Са8іО3) + 8іР4; (4.1)
8іР4+ЗН = 8іР + ЗНР; (4.2)
СаР2+Н2 = 2НР + Са. (4.3)
Плавиковий шпат взаємодіє також з водяною парою:
(СаР2) + Н2О = (СаО) + 2НР; (4.4)
(СаР2) + Н2О + (8іО2) = (Са8іО3) + 2НР.
55
Реакція (4.4) протікає лише при температурі вищій, ніж 2000 °С,
та нижче температури кипіння СаРз (2227 °С).
Можливість реакції (4.3) мала порівняно з (4.1) та (4.2). Як видно
з рис.4.2,а, при збільшенні в шлаку кремнезему потрібна менша кіль-
кість плавикового шпату для запобігання порам. Таким чином, ефек-
тивність плавикового шпату зростає при наявності кремнезему. Від-
сутність кремнезему у фтористо-кальцієвих покриттях сприяє чутли-
вості цих електродів до вологи та іржі, хоча в покриттях наявний ви-
сокий відсоток плавикового шпату.
Ефективність спільного введення в покриття плавикового шпату
СаГ2 і кремнезему 8іО2 підтверджено розрахунком парціального тиску
тетрафториду кремнію Сар4 в атмосфері дуги та експериментальним до-
слідженням вмісту дифузійного водню в металі шва. Результати розрахун-
ків та досліджень показано на рис.4.2,б, запозиченому з роботи [27].
Рис.4.2. Стійкість металу шва проти пор при внесенні 0,3 г іржі на 100 мм дов-
жини шва залежно від кількості в шлаку плавикового шпату та кремнезему (а) і
вплив вмісту цих компонентів в електродному покритті на парціальний тиск
тетрафториду кремнію в дузі та вміст водню в наплавленому металі (б):
1-4% (мас.) 8іО2; 2 - 11 % (мас.) 8іО2
56
Водень у зоні дуги може зв'язуватися киснем або за допомогою
газоподібних оксидів металу:
Н + О = ОН; (4.5)
2Н + О = Н2О; (4.6)
МеО + 2Н = Н2О + Ме. (4.7)
Зв'язування водню киснем з успіхом застосовують при зварюван-
ні в середовищі вуглекислого газу, зварюванні хромонікелевих сталей
у середовищі аргону з додаванням вуглекислого газу (до 5 %) або кис-
ню (до 3 %).
Зв'язування азоту в зоні дуги при зварюванні не розроблено. Воно
ефективно використовується при повітряно-плазмовому різанні. При
цьому процесі кромки металу в зоні різання інтенсивно насичуються
азотом і при їх подальшому зварюванні азот утворює пори в металі
шва [12]. Для попередження пор у повітряну плазму при різанні дода-
ють воду [5]. Синтез сполук у потоці плазми дозволяє отримати про-
дукти зв'язаного азоту [4]. Такими продуктами є аміак МН3, гідрозин
1Ч2Н2, нітрити, нітрати тощо [4,5,32].
Ефективним способом зниження розчинності водню є підвищення
концентрації кисню в металі. Вплив рівня окиснення металу шва на
кількість у ньому водню показано на рис.4.3.
Рис.4.3. Вплив окиснення металу
шва на кількість водню
57
У стані термодинамічної рівноваги реакції [Н] + [О] = ОН залеж-
ність концентрації водню в металі від концентрації кисню описується
рівнянням [Н] • [О] = сопзі, а для реакції 2[Н] + [О] = Н2О ця ж залеж-
ність, виражається рівнянням [Н]2 • [О] = сопзі.
Окиснення металу при зварюванні електродами з руднокислим та
рутиловим покриттям, а також при зварюванні під висококремнисти-
ми марганцевими флюсами сприяє попередженню пор, викликаних
воднем, проте слід пам'ятати, що кисень у металі погіршує пластичні
властивості металу.
Практично встановлено, що при значних окисненнях металу та
великій кількості водню в дузі введення в метал сильних розкиснюва-
чів може викликати утворення пор, обумовлених воднем. Якщо окис-
нення металу незначне, наприклад, при зварюванні електродами з
фтористо-кальцієвим покриттям, легування металу кремнієм та мар-
ганцем підвищує стійкість металу проти пор. Легування алюмінієм
зменшує вміст водню в металі шва [24].
Вилучення водню та азоту, які встигли розчинитися у зварюваль-
ній ванні, може відбуватися в результаті проникнення їх у бульбашки
нерозчинних газів, що виділяються із зварювальної ванни. Таким чи-
ном, інтенсивне окиснення вуглецю в головній частині зварювальної
ванни є позитивним фактором.
Розчинний водень може бути вилучений також при взаємодії ван-
ни з газовою фазою за реакцією
4[Н] + 8іР4 = 4НР + [8і].
Слід відзначити взаємний вплив водню та азоту на їх розчинення
та утворення пор. У роботах [20,21] встановлено, що при наявності
водню поглинання металом азоту уповільнюється, а виділення з роз-
плаву прискорюється. За своїм впливом на взаємну розчинність гази
можна розмістити в такий ряд: кисень, водень, азот [21]. Газ, який сто-
їть у ряду раніше, перешкоджає розчиненню наступного газу, займа-
58
ючи його місце в кристалічних ґратках металу. Кисень зменшує кон-
центрацію водню, а водень - концентрацію азоту, але наявність в га-
зовому середовищі кисню збільшує концентрацію азоту.
Інтенсивність розчинення азоту в металі зварювальної ванни за-
лежить від його хімічного складу. Вміст азоту в металі шва зменшу-
ють вуглець, а також, меншою мірою, кремній, марганець та деякі ін-
ші елементи [24].
Вилучення азоту зі зварювальної ванни можливе за допомогою
елементів, які утворюють стійкі нітриди. Такими елементами є алюмі-
ній, титан, цирконій, ніобій, ванадій.
Стійкість металу шва проти пор значною мірою залежить від ре-
жимів зварювання. Особливо сильно впливає швидкість зварювання:
при збільшенні швидкості зварювання, збільшується швидкість крис-
талізації металу шва. У результаті зростає імовірність утворення пор.
На процес утворення пор впливають рід та полярність струму.
Встановлено, що переважно атоми водню розчиняються в рідкому ме-
талі у вигляді протонів. Тому при зварюванні змінним струмом у мо-
мент переходу його через нуль, коли протони легко проникають до
поверхні рідкого металу, метал легко поглинає водень. При зварюван-
ні постійним струмом доступу протонів до електродів перешкоджають
надлишок електронів біля катода та електричне поле біля анода. Роз-
гляд катодних явищ у зварювальній дузі ґрунтується на впливі поляр-
ності струму на розчинення газів. У роботі [14] розглянуто два види
поглинання газів металом: хімічне та електричне. Хімічне поглинання
газів на аноді визначається стандартною розчинністю. Електричне по-
глинання газів на катоді залежить від катодного падіння потенціалу
зварювального струму, парціального тиску газу в атмосфері дуги та
температури металу.
Одним із завдань даної роботи є визначення стійкості металу проти
пор при зварюванні змінним та постійним струмом різної полярності.
59
Запобігання утворенню пор нерозчинними газами ведеться шля-
хом стримування реакції млявого утворення нерозчинних газів (4.5)—
-(4.7). Це досягається вилученням із зварювальної ванни кисню, здат-
ного вступати в реакції з вуглецем та воднем, шляхом розкиснення
зварювальної ванни. При зварюванні вуглецевих та низьколегованих
сталей розкиснювачами є кремній та меншою мірою марганець. Реак-
ції розкиснення протікають за рівняннями:
[8і] + 2[О] = (8ІО2);
[Мп] + [О] = (МпО).
Встановлено, що для стримування реакції окиснення вуглецю в
області кристалізації метал твердого шва повинен мати не менше
0,15 % кремнію. Матеріали, які звичайно застосовуються при зварю-
ванні, забезпечують цю кількість кремнію, і пори, які утворюються
окисом вуглецю, - явище рідкісне. У цьому зв'язку зварювальні мате-
ріали випробовують на чутливість до іржі, яка є джерелом водню -
основного газу, який спричиняє пори.
4.3 Експериментальне вивчення процесу утворення пор
Методику визначення схильності металу шва до пор розробив
К.В. Любавський. Стійкість металу шва проти пор водневого похо-
дження визначають тією максимальною кількістю іржі на 100 мм дов-
жини шва, при якій у шві не з'являються пори за фіксованих умов.
Для дослідження виконують проби, які показано на рис.4.4. Про-
стругану на сталевому листі канавку розбивають на відрізки довжи-
ною 100 мм. На кожен відрізок насипають певну кількість іржі та рів-
номірно розподіляють її по всій довжині. Потім у заданому режимі в
канавку наплавляють метал. Після наплавлення за наявністю зовніш-
ніх пор визначають максимальну кількість іржі, яка не викликає пор.
Для дослідження можна використовувати природну або штучну
іржу. Іржа являє собою гідрат окису заліза Ре(ОН)3, котрий з часом за
60
певних зовнішніх умов може частково втрачати вологу і давати гідро-
окиси заліза типу пТсзОгт НзО. Штучну іржу готують шляхом об-
робки хлорного заліза водним розчином аміаку:
РеСІз + ЗН2О + 3\Н; = ЗГЧН4СІ + Ре(ОН)з.
Отриману сполуку заліза просушують і подрібнюють.
Рис.4.4. Зразок для визначен-
ня стійкості металу шва проти
пор. Довжина зразка 600 мм
При оцінці стану наплавленого металу треба звернути увагу на
шлакову кірку та на поверхню шва. Поява "побитості" шва, тобто
вм'ятин на поверхні валика, вказує на присутність у металі шва знач-
ної кількості водню і служить провісником утворення пор.
Метал шва оцінюють за такою шкалою якості шва: побитість шва,
одиничні пори, сітка пор, повне розпушення металу.
РІри ручному електродуговому зварюванні та зварюванні в сере-
довищі захисних газів необхідно запобігати видуванню дугою іржі з
канавки.
Стійкість металу шва проти пор при зварюванні в середовищі за-
хисних газів може бути визначено також при зварюванні таврової
проби, як показано на рис.4.5.
Рис.4.5. Зразок для визначення стійкості металу
шва проти пор при зварюванні у вуглекислому
газі таврової проби
Ш
Зварювання виконується в двох режимах:
1 -/ = 250-260 А, V, =26 В;
2-7=300-330 А, =29 В.
61
Діаметр зварювального дроту 1,4 мм, зварювання виконується без
коливань при витраті вуглекислого газу 12... 13 л/хв.
Зварюються чотири проби: перша - після зачищення пластин до
чистого металу; друга - після зачищення пластини занурюють у воду
та витрушують; третя - пластини з іржею; четверта - пластини зачи-
щені, але зварювання ведеться при витраті вуглекислого газу 2...
... З л/хв.
Проби 2...4 дають можливість виявити вплив різних факторів на
схильність металу до пор.
Для суднобудування важливе значення має стійкість металу про-
ти пор при зварюванні зразків, покритих ґрунтом. Тому проводять ви-
пробування на зразках, показаних на рис.4.5, при різних товщинах
шару ґрунту та визначають товщини, при яких не утворюються пори.
4.4 Методика роботи
Дослідження процесу утворення пор проводять такими способами
зварювання: ручним електродуговим зварюванням якісними електро-
дами; механізованим зварюванням у середовищі захисних газів су-
цільними та порошковими дротами; автоматичним зварюванням під
флюсом.
Зварювання виконується згідно з таблицею дод.4, за даними якої
потрібно побудувати діаграму стійкості швів проти пор, виконаних
різними способами та на різних режимах зварювання.
4.5 Обладнання та матеріали
1. Автомати для зварювання під флюсом постійним та змінним
струмом.
2. Пост для зварювання в середовищі захисних газів суцільними
та порошковими дротами.
3. Пост для ручного електродугового зварювання змінним та по-
стійним струмом.
62
4. Флюси ОСЦ-45 та АН-348А, прожарені протягом 3 год при
температурі 350 °С.
5. Електроди рутилового та фтористо-кальцієвого типу діаметром
4 мм, прожарені протягом 3 год при температурі 250 °С.
6. Зварювальний дріт відповідних діаметрів для автоматичного
зварювання під флюсом та механізованого зварювання в середовищі
захисних газів.
7. Природна та штучна іржа у вигляді порошку.
8. Сталеві пластини 600x200x15 мм з канавками - 10 од.
9. Інструменти для зварювання.
10. Терези, лінійка.
4.6 Аналіз результатів роботи
На підставі одержаних результатів встановити:
1. Як змінюється стійкість металу проти пор при зварюванні різ-
ними електродами? Чим це пояснюється? Порівняти склад електрод-
них покриттів.
2. Як впливає на стійкість металу проти пор склад електродного
дроту при зварюванні в середовищі захисних газів?
3. Як впливає на стійкість металу проти пор режим зварювання?
Необхідні дані щодо складу електродних покриттів та флюсів подано
в дод.5.
4.7 Зміст звіту
Звіт повинен містити: назву та завдання роботи; стислі теоретичні
основи роботи; методику роботи; результати роботи та їх аналіз.
Така структура звіту зберігається для всіх подальших лабо-
раторних робіт.
4.8 Контрольні питання
1. Який механізм утворення пор розчинними та нерозчинними в
металі газами?
63
2. Які існують способи запобігання порам, обумовленим розчин-
ними та нерозчинними газами?
3. Як впливає режим зварювання на стійкість металу шва проти
пор?
4. Наведіть конкретні приклади різних способів запобігання по-
рам.
5. Порівняйте проблеми попередження пор при зварюванні у вуг-
лекислому газі та водяній парі.
6. Схарактеризуйте основні компоненти зварювальних матеріалів,
які дають можливість попередити утворення пор.
7. Як впливає іржа та прошарок захисного ґрунту на утворення
пор?
8. Як необхідно готувати кромки та зварювальні матеріали для
попередження пор?
5. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ
ЗВАРЮВАННІ ЯКІСНИМИ ЕЛЕКТРОДАМИ
Мета роботи: вивчити компоненти електродних покриттів та хі-
мічний склад металу шва при зварюванні якісними електродами.
5.1 Зміст роботи
При ручному електродуговому зварюванні голим електродом або
електродом зі стабілізуючим покриттям, поряд з інтенсивним наси-
ченням азотом, виникає сильне окиснення металу при взаємодії його з
навколишнім середовищем [1,23,33]:
2[Ре] + О2 = 2РеО.
Закис заліза, нагромаджуючись у розчині, буде взаємодіяти з еле-
ментами сталі (кремнієм, марганцем, вуглецем):
64
[8і] + 2[РеО] = 2[Ре] + (8іО2);
[Мп] + [РеО] = [Ре] + (8іО2);
[С] + [РеО] = [Ре] + СО$.
Зниження вмісту в сталі кремнію, марганцю та вуглецю свідчить
про окиснення металу, що погіршує механічні властивості зварного
з'єднання.
Для одержання зварного з'єднання відповідної якості застосову-
ють електроди з якісним покриттям.
Компоненти електродних покриттів мають різний хімічний склад
і призначення.
Іонізуючі компоненти мають атоми лужних металів з малим по-
тенціалом іонізації (СаСО3; К2СО3 тощо) та стабілізують дуговий роз-
ряд.
Шлакоутворюючі компоненти утворюють при плавленні шлак,
що ізолює метал від безпосередньої дії азоту та кисню повітря. Вони
також регулюють склад зварювальної ванни. Шлакоутворюючими
компонентами є польовий шпат (К2ОА12О3-68іО2), крейда, мармур
(СаСО3), магнезит (М§СО3), плавиковий шпат (СаР2), кварцевий пісок
(8іО2), руди (гематит (Ре2О3), марганцева руда (МпО), титановий кон-
центрат (РеОТіОД, рутил (ТіО2)) тощо.
Обмінні реакції між шлаком та металом можна розглянути на
прикладі марганцю, який у шлаковій фазі знаходиться у вигляді окси-
ду (МпО):
шлак (МпО) X (Мп2+) + (О2 ), (Ре2+) + (О2 ) X (РеО)
м м
суміжний шар (Мп2+) + Ре° ", Мп° + Ре2+
я м І
метал [Ре] [Мп] [РеО].
У загальному вигляді: (МпО) + [Ре] = [Мп] + (РеО).
65
Процес може бути виражений узагальненою константою рівнова-
ги, зважаючи на те, що концентрації [РеО] та (РеО) в металі та шлаку
зв’язані між собою згідно із законом розподілення:
[%Мп](%РеО)
(%МпО) Л }
або
[%Мп] = 1<м /оМпО) оск-льки | рс | й і
(%РеО)
З останнього виразу видно, що відсоток марганцю в сталі зале-
жить від температури та співвідношення концентрацій оксидів МпО
та РеО в шлаку.
Таким же чином може переходити в метал кремній.
Газоутворюючі компоненти виділяють при своєму розпаді чи
окисненні в зоні зварювання значну кількість газів, витискуючи звідти
повітря. Такими компонентами можуть бути органічні речовини
(крохмаль, целюлоза, мука, декстрин) та СаСО3, М§СО3, які при сво-
єму розпаді виділяють вуглекислий газ. Мармур, крейда та магнезит є
одночасно шлако- та газоутворюючими компонентами.
Легуючі та розкиснюючі компоненти - це феросплави (феромар-
ганець, феротитан, феросиліцій, фероалюміній тощо) та чисті метали,
котрі при плавленні покриття розчиняються в електродному металі,
виконуючи роль легуючих елементів, або, відновлюючи елементи з
оксидів, виконують роль розкиснювачів при зварюванні.
Наприклад, кремній з феросиліцію, розчиняючись в електродному
металі, розкиснює його та відновлює марганець із закису марганцю:
(8і) + 2(РеО) X (8іО2) + 2[Ре];
ні) + 2(МпО) (8іО2) + 2[Мп].
В ’яжучі компоненти звичайно являють собою рідке скло -
(Ла2О-8іО2), (К2О8і02) - або високополімерні речовини, котрі остан-
66
нім часом використовуються при виробництві електродів. Рідке скло в
процесі зварювання переходить у шлак, а органічні речовини згора-
ють.
Залежно від компонентів електродних покриттів останні поділя-
ють на декілька видів. При позначенні типу електроду за стандартами
вказують вид покриття. За міжнародним стандартом 180 2560-73, роз-
робленим Міжнародною організацією стандартизації (Іпіегпайопаї
8осісіу Ог§апІ2айоп - 180), виділяють таки види покриттів: А - кислі,
В - основні, К - рутилові, С - целюлозні, О - окиснювальні, АК - ки-
сло-рутилові, КК - рутилові великої товщини, 8 - інші.
Розроблений ГОСТ 9467-75 враховує пропозиції 180 щодо видів
покриттів і вводить їх позначення: А - кислі, Б - основні, Р - рутилові,
Ц - целюлозні, П - інші. Змішаний вид покриття має відповідне по-
двійне позначення, наприклад АР, РБ тощо. Виділяються також типи
електродів за товщиною покриття. Залежно від співвідношення діа-
метра покриття 1) та діаметра стержня б/ електроди позначають:
М - з тонким покриттям (7)/б/ < 1,20);
С - з середнім покриттям (1,20 < /)/б/ < 1,45);
Д - з товстим покриттям (1,45 < /)/б/ < 1,80);
Г - з особливо товстим покриттям (7)/б/ > 1,80).
Склад електродного покриття вибирається таким чином, щоб за-
безпечити надійний захист металу шва від повітря та необхідні вла-
стивості металу за рахунок протікання певних металургійних проце-
сів між шлаком та розплавленим металом. Якість захисту від повітря,
яку оцінюють за концентрацією в шві азоту, залежить від товщини
покриття та його складу. При збільшенні товщини покриття до 0,5 мм
вміст азоту в металі шва різко падає (приблизно до 0,08 %), а надалі
зменшується повільно. Тому товщина покриття найчастіше не пере-
вищує 1,0 мм, що забезпечує концентрацію азоту до 0,04 %. Важливе
значення для захисту має об’єм утворюваних газів.
67
Механічні властивості металу шва визначаються його хімічним
складом. При зварюванні електродами легуючі елементи переходять у
шов як із зварювального дроту, так і з електродного покриття, де вони
знаходяться у вигляді металічної добавки (найчастіше у вигляді феро-
сплавів). Іншим джерелом легуючих елементів є основний метал. То-
му метал шва можна розглядати як суміш основного металу та наплав-
леного, тобто перенесеного через дугу електродного. Тоді концентра-
ція легуючого елементу в шві визначається за формулою
[Л]ш=[Л]оу + [Л]н(1-у),
де [Л]ш , [Л]о, [Л]н - концентрації легуючого елементу відповідно в
шві, основному та наплавленому металі; у - доля участі основного
металу в шві, яка визначається за допомогою макрошліфа (рис.5.1):
у = РО/(РО +Т"Н); 1-у - доля участі наплавленого металу в шві; Ро та
Рн - площі поперечного перерізу проплавленого основного та наплав-
леного металів відповідно.
Рис.5.1 Вибір точок для спектрального аналізу
при наплавленні металу електродом із покриттям:
1 - основний метал; 2 - метал шва; 3 - метал краплі на
кінці електрода; 4 - електродний дріт
Концентрація легуючого елементу в наплавленому металі визна-
чається через його коефіцієнти переходу за формулою
[Л]н=[Л]ЛПере+[^]д^д^^ПерП,
де [Л]н, [Л]с, [Л]д - концентрації легуючого елементу відповідно в
наплавленому металі, електродному дроті та металічній добавці (фе-
68
росплаві); А?перс , А?перп - коефіцієнти переходу легуючого елементу
відповідно з електродного дроту та покриття; Ря - доля металічної
добавки в електродному покритті; — - коефіцієнт маси покриття,
тобто відношення маси покриття до маси покритої частини електрод-
ного дроту.
Якщо прийняти коефіцієнти переходу легуючого елементу з елек-
тродного дроту і покриття рівними, то
[Л]н =АГпер|[Л]с +[Д]дРдШ.
І м
Таким чином, при зварюванні якісними електродами метал шва
підлягає розкисненню та легуванню; зварне з’єднання при цьому на-
буває певних механічних властивостей.
Деякі дані, які характеризують зварювання електродами, наведені
в табл.1-4 дод.5.
5.2 Методика роботи
1. Провести наплавлення валика довжиною 4... 5 см на пластину
низьковуглецевої сталі електродом УОНИ 13/45. Валик наплавлення
вивести на кромку пластини для зручності подальшого дослідження.
2. Аналогічно провести наплавлення валика на цю ж пластину
електродом АНО-4 або РБУ-4. Наплавлення замаркувати.
3. Поверхні валиків очистити від шлаку металевою щіткою, потім
невелику частину поверхні кожного валика та частину поверхні основ-
ного металу зачистити до блиску шкуркою.
4. Взяти електрод УОНИ 13/45 після зварювання, відрізати ниж-
ній його кінець, відлущити покриття та зачистити до блиску шкуркою,
намагаючись не пошкодити краплю металу на кінці електрода.
5. Зробити те ж саме з електродом АНО-4 або РБУ-4.
69
6. Дослідити зміни хімічного складу металу при ручному елект-
родуговому зварюванні методом спектрального аналізу. Вибір точок
проведення спектрального аналізу показано на рис.5.1.
7. Зробити макрошліф та визначити долю участі в металі шва ос-
новного та наплавленого металу.
8. Визначити коефіцієнт маси покриття електродів та коефіцієнти
переходу легуючих елементів з електрода в шов, прийнявши їх коефі-
цієнти переходу з основного металу рівними одиниці.
5.3 Обладнання та матеріали
1. Пост для зварювання на постійному та змінному струмі.
2. Пластина низьковуглецевої сталі (з низьким вмістом марганцю).
3. Електроди УОНИ 13/45, АНО-4 або РБУ-4.
4. Спектрограф ИСП-30 та спектроскоп ПС-18.
5. Мікрофотометр МФ-2.
6. Стилоскоп СЛ-11А, "Спектр", СЛП-4.
7. Інструменти для зварювання.
8. Терези, лінійка.
9. Обладнання та реактив для підготовки макрошліфів.
5.4 Аналіз результатів роботи
1. Проаналізувати склад електродних покриттів та роль компо-
нентів при зварюванні якісними електродами різних типів, які наведе-
но в дод.5 (табл.1-4).
2. На підставі експериментальних результатів визначити: вплив
електродного покриття на концентрацію елементів у краплі на кінці
електрода; фактори, які впливають на хімічний склад металу шва;
вплив електродного покриття на коефіцієнти переходу легуючих еле-
ментів у наплавлений метал; вплив електродного покриття на хіміч-
ний склад металу шва.
70
5.5 Контрольні питання
1. Чи може бути концентрація марганцю в наплавленому металі
більшою, ніж в основному металі або електродному дроті?
2. Чому кількість марганцю різна в електродному дроті та в крап-
лі, що утворилася на кінці електрода?
З. Схарактеризуйте способи легування металу шва при зварюван-
ні якісними електродами.
4. Як розрахувати очікуваний хімічний склад металу шва при зва-
рюванні якісними електродами?
5. Як можна збільшити коефіцієнт переходу легуючого елемента з
електрода в шов?
6. ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСІВ ЛЕГУВАННЯ МЕТАЛУ ШВА ПРИ
АВТОМАТИЧНОМУ ЗВАРЮВАННІ ПІД ФЛЮСОМ
Мета роботи', вивчити компоненти флюсів та легування сталі
марганцем при автоматичному зварюванні під плавленням флюсом
ОСЦ-45 (високомарганцевий), а також зміни вмісту марганцю в сталі
при зварюванні під флюсом АН-20 (безмарганцевий) або АН-26.
6.1 Зміст роботи
Залежно від способу виготовлення флюси поділяються на плавле-
ні, керамічні та агломеровані. Найбільш поширені плавлені та кераміч-
ні флюси.
Технологія виготовлення керамічних флюсів має багато спільного
з технологією виробництва електродного покриття, але покриття на-
пресовують на дріт, а керамічний флюс прожарюють, гранулюють та
подають у зону дуги окремо. Компоненти керамічного флюсу зв’я-
зують за допомогою рідкого скла, як і компоненти електродного по-
71
криття. Тому в керамічні флюси можна вводити ті ж групи компонен-
тів, що і в електродні покриття. Відповідно захист дуги та металургійні
процеси при зварюванні під керамічними флюсами і якісними електро-
дами теж можуть бути аналогічними, у тому числі і процеси розкиснен-
ня та легування металу шва. Наприклад, керамічний флюс АНК-30 для
зварювання низьколегованих високоміцних сталей у своєму складі має
магнезит, плавиковий шпат, мармур, глинозем, марганцеву руду, феро-
молібден, феросиліцій, алюмінієвий порошок тощо. Фірма Е8АВ виго-
товляє керамічні флюси ОКРІих 10.80 і ОКРІих 10.81 основного типу,
які легують метал шва марганцем так само, як і електроди.
Плавлені флюси виплавляють у газополуменевих або електроду-
гових печах з наступною сухою або мокрою грануляцією. У такі флю-
си неможливо ввести газоутворюючі компоненти та легуючі елементи.
Тому при автоматичному зварюванні під плавленими флюсами
процеси легування та видалення кисню можуть проходити тільки за
рахунок обмінних реакцій між металом і шлаком, оскільки плавлені
флюси являють собою системи силікатів або алюмосилікатів і не мо-
жуть мати вільних металів як розкиснювачів осаджуючої дії.
Склад деяких флюсів наведено в табл.5 дод.5.
Флюси ОСЦ-45 та АН-348А мають більш кислий характер, ніж
АН-20 та АН-26.
Зростання вмісту марганцю та кремнію в наплавленому металі
при автоматичному зварюванні під флюсом відбувається за рахунок
шлакообмінних реакцій.
Рівноважна концентрація марганцю:
[%Мп] = К (%Мп0) .
(%РеО)
Вміст марганцю в металі зростає з підвищенням температури,
підвищенням концентрації МпО та зменшенням концентрації РеО в
шлаку.
72
Перехід марганцю в метал затримується в кислих шлаках, які міс-
тять надлишки 8іО2 та ТіОг, оскільки МпО утворює з ними міцні спо-
луки (солі):
(МпО) + (8іО2) X (Мп8іО3) X (Мп2+) + (8іО32 );
2(МпО) + (8іО2) X (Мп28іО4) X 2(Мп1) + (8іО2+).
Кислі шлаки зв’язують також РеО і можуть бути щодо сталі та
інших металів розкиснювачами:
шлак 2(РеО) + (8іО2) X (РЄ28ІО4)
м
метал 2[РеО].
Коефіцієнт розподілу для закису заліза РеО в кислих шлаках
менший, ніж в основних, і залежить від температури:
4ео=-!|^ = /(П.
(РеО)
Склад флюсів ОСЦ-45 та АН-348А забезпечує сприятливі умови
для переходу Мп зі шлаку в метал.
Процес легування кремнієм суттєво не відрізняється від процесу
легування марганцем і може бути представлений спрощеною схемою
(8іО2) + 2[Ре] = [8і] + 2[РеО]:
шлак (8іО2) X (§і4+) + 2(О2) X 2(Ре2+) + 2(О2 ) X 2(РеО)
Я м
суміжний шар 8і4+ + 2Ре° X §і° + 2Ре2+
м м і
метал 2[Ре] [8і] 2[РеО].
Константа рівноваги процесу визначається рівнянням
КЗІ = [%^](.^РЄО)2 = /(П ([Ре]«1,0),
(8іО2)
73
звідки знаходимо
[%8і] = К8і
(%8іО2)
(%РеО)2 '
Вміст кремнію в металі зростає з підвищенням температури, вміс-
ту 8іО2 в шлаку та зменшенням у шлаку вмісту РеО. Кремній перехо-
дить у метал краще з кислих шлаків, бо велика концентрація СаО та
М§0 в основних шлаках призводить до утворення стійких силікатів
Са8іО3 та М§8іО3, знижуючи активність 8іО2.
Розкиснення металу зварного шва полегшується тим, що в зоні
взаємодії металу та шлаку різко знижується температура, як показано
на рис.6.1, тим самим позитивно впливаючи на напрям реакції. При
підвищенні температури розвиваються ендотермічні реакції:
(МпО) + [Ре] = [Мп] + ([РеО]) - Оі (6.1)
(РеО розподіляється між шлаком та металом);
(8іО2) + [Ре] = [8і] + 2([РеО]) - 07 (6.2)
(РеО розподіляється аналогічно).
Рис.6.1. Схема електрозварювання під
флюсом
Реакції (6.1), (6.2) протікають у зоні високих температур (у краплі
електродного металу і головній частині зварювальної ванни).
При температурах, близьких до температури кристалізації, про-
ходять екзотермічні реакції:
74
[Мп] + [РеО] = (МпО) + [Ге] + (ф;
[8і] + 2[РеО] = (8іО2) + 2[Ре] + .
МпО та 8іО2 переходять у шлак, де можуть з’єднуватись у складні
сполуки.
Таким чином, кислі шлаки, які зв’язують частину закису заліза
РеО, марганець і кремній, не тільки розкиснюють метал, а й частково
його легують.
6.2 Методика роботи
1. Вибрати режим зварювання та провести пробне наплавлення
металу на пластинку.
2. Виконати наплавлення металу довжиною 50... 80 мм на пластин-
ку під флюсом ОСЦ-45 або АН-348А, а потім - під флюсом АН-20 або
АН-26.
3. Виконати якісний та кількісний аналіз металу наплавлення,
крапель електродного металу, залишених на кінці електродного дроту,
та основного металу.
4. Проаналізувати одержані результати. Склад зварювального
дроту Св-08А наведено в табл.З дод.5.
6.3 Обладнання та матеріали
1. Зварювальний автомат.
2. Флюс ОСЦ-45 або АН-348А.
3. Флюс АН-20 або АН-26.
4. Сталеві пластини 100x80x10 мм з СтЗ.
5. Зварювальний дріт Св-08А діаметром 3... 5 мм.
6. Стилоскопи "Спектр", СЛ-11А, СЛП-4.
7. Спектрограф ИСП-30, спектропроектор ПС-18, мікрофотометр
МФ-2.
8. Фотоматеріали.
9. Інструменти для зварювання.
75
6.4 Аналіз результатів роботи
1. Проаналізувати склад керамічних і плавлених флюсів та роль їх
компонентів при зварюванні.
2. На підставі експериментальних результатів визначити: вплив
концентрації МпО у флюсі на концентрацію марганцю в металі шва;
вплив складу флюсу на концентрацію кремнію і марганцю в металі
шва; вплив характеру шлаку на його взаємодію з металом.
6.5 Контрольні питання
1. Як залежить вміст марганцю в наплавленому металі від вмісту
МпО у флюсі?
2. Як змінюється склад краплі електродного дроту в процесі плав-
лення?
3. Які фактори визначають перехід марганцю в шов за рахунок
його відновлення з МпО, який уведено в шлак?
7. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ ПРИ
ЗВАРЮВАННІ В АТМОСФЕРІ ЗАХИСНИХ ГАЗІВ
Мета роботи', вивчити металургійні процеси при зварюванні в
аргоні, вуглекислому газі та суміші 80 % аргону + 20 % вуглекислого
газу.
7.1 Зміст роботи
Електродугове зварювання в атмосфері захисних газів набуло
широкого розповсюдження в зварювальному виробництві. Захисний
газ подається в зону зварювання через спеціальне сопло (рис.7.1). У
ролі захисних газів використовують інертні гази - аргон та гелій або
активний вуглекислий газ. Металургійні процеси при зварюванні в
76
інертних газах, вуглекислому газі та в газових сумішах суттєво різ-
няться між собою [1,11,21,29,35,37].
Рис.7.1. Схема автоматичного зварювання в середо-
вищі захисного газу:
1 - сопло; 2 - струмопідвідний мундштук; З - зварюваль-
ний дріт
При зварюванні в атмосфері інертних газів зміни в складі металу
шва відбуваються лише завдяки процесам випаровування, оскільки
леткість елементів сплаву різна. Окиснення в цьому разі майже немає.
Воно може відбуватися тільки за рахунок оксидів на поверхні металу
або недостатньої чистоти інертного газу.
Вуглекислий газ є активним газом, який взаємодіє з металом при
зварюванні. Тому його головна функція - захист дуги і металу від вза-
ємодії з повітрям, зокрема з азотом. Він захищає також від кисню по-
вітря, але при зварюванні в атмосфері вуглекислого газу метал інтен-
сивно окиснюється, оскільки вуглекислий газ - сильний окиснювач
багатьох елементів. При високій температурі вуглекислий газ дисо-
ціює. Його склад, залежно від температури, показано на рис.7.2,а. Для
порівняння на рис.7.2,б показано склад газової фази при нагріванні
повітря. Графіки наведено за роботою [11]. Вони отримані різними
авторами шляхом розрахунків, носять наближений характер, але пока-
зують, як з підвищенням температури змінюється склад газової фази.
У дійсності реальний склад газової фази при зварюванні більш склад-
ний: це суміш одного або декількох захисних газів, парів металу, ком-
77
понентів покриття або флюсу, яка практично завжди містить пари во-
ди і продукти її дисоціації.
Рис.7.2. Склад газової фази при нагріванні вуглекислого газу (а)
та повітря (б) при загальному тискові 105 Па
Реакції окиснення металу можуть проходити безпосередньо в СО2
[Ре] + С02 = [РеО] + СО; (7.1)
[Ми] + С02 = (МпО) + СО; (7.2)
[8і] + С02 = (8іО2) + 2С0; (7.3)
[С] + С02 = 2С0 (7.4)
або продуктах його дисоціації
2СО2 = 2С0 + 02; (7.5)
2[Ре] + 02 = 2[РеО]; (7.6)
2[Мп] + 02 = 2(Мп0); (7.7)
[8і] + 02 = (8іО2); (7.8)
2[С] + О2 = 2СО. (7.9)
Оскільки О2 в дузі дисоціює (О2 = 20), то аналогічно реакціям
(7.6)-(7.9) відбувається окиснення металу атомарним киснем.
При зварюванні в атмосфері вуглекислого газу для розкиснення
78
металу шва слід застосовувати легований зварювальний дріт, наприк-
лад, Св-08Г2С. Кремній та марганець зварювального дроту розкис-
нюють метал:
2[РеО] + [8і] = (8іО2) + 2[Ре];
[РеО] + [Мп] = (МпО) + [Ре].
Розроблені останнім часом нові марки зварювального дроту ма-
ють також інші активніші розкиснювальні елементи. Для зменшення
окиснювального потенціалу захисного середовища використовують
газові суміші, наприклад 80 % Аг + СО2.
Зміну складу газової суміші Аг + СО2 в дузі показано на рис.7.3
[11], який свідчить про значно меншу кількість кисню в зоні дуги, ніж
при зварюванні в чистому СО2. На рис.7.3 дисоціація молекулярного
кисню не враховувалась, але, як видно з рис.7.2,а, вона лише розпочи-
нається при температурах, близьких до 3000 °С.
Слід відзначити також те, що заміна вуглекислого газу на газову
суміш Аг + СО2 при зварюванні значно зменшує розбризкування ме-
талу, яке є одним з головних недоліків зварювання у вуглекислому
газі (рис.7.4). Тому в суднобудуванні широко використовується газова
суміш Аг + 20 % СО2.
Рис.7.3. Склад газової фази при нагріванні газової суміші Аг + СО2
при загальному тиску 105 Па:
1 - чистий СО2; 2 - 4 - вміст в суміші СО2 складає 50,20 та 5 % відповідно
79
100 80 60 40 20 0 СОіЛ4
Рис.7.4. Вплив складу газової суміші Аг + СО2 на коефіцієнт розбризкування
металу при зварюванні електродними дротами діаметром:
1 -2,0 мм; 2 - 1,5 мм; 3 - 1,4 мм [12]
При зварюванні в захисних газах суцільними дротами легування
металу шва відбувається через зварювальний дріт та розплавлений
основний метал. Тому концентрацію легуючого елементу в шві визна-
чають за формулою
[Л]ш = [Л]оцоу + [Л]дцд(1-у),
де [Л]ш, [Л]о, [Л]д - концентрації легуючого елементу відповідно в
шві, основному металі та зварювальному дроті; ц0, цд - коефіцієнти
засвоєння легуючого елементу відповідно з основного металу та зва-
рювального дроту; у, (1-у) - долі участі в металі шва відповідно ос-
новного металу та зварювального дроту. Вони визначаються за допо-
могою макрошліфа.
При зварюванні в СО2 низьколегованих сталей Цо(Мп)= 0,85...0,93;
Цд(мп) = 0,35...0,64; Цо(8і) = 0,73...0,97; Щдр = 0,23... 0,69; Цо(с) = 0,86...
...0,92; цП(с) = 0,51...0,55. При зварюванні сталі 12Х18Н9Т концентра-
ція вуглецю може навіть зростати за рахунок його відновлення з СО
високоактивними елементами, але цд(Т1) = 0,2.
Іноді в розрахунках користуються загальним середнім коефіцієн-
80
том засвоєння легуючих елементів з основного металу та дроту. На-
приклад, для зварювання сталі СтЗ дротом Св-08ГС набувають зна-
чення Ц(с) = 0,71; Ц(Мп) = 0,55; щ31) = 0,37.
Вплив складу газової суміші на загальні коефіцієнти засвоєння
деяких легуючих елементів показано на рис.7.5 [29].
Усі наведені значення коефіцієнтів засвоєння легуючих елементів
є приблизними, оскільки залежать від хімічного складу металу, режи-
мів зварювання тощо. Наприклад, з підвищенням напруги та змен-
шенням сили струму втрати вуглецю, кремнію та марганцю зроста-
ють.
7.2 Методика роботи
1. Вибрати режим зварювання та виконати пробне наплавлення
металу на пластинку.
2. Виконати наплавлення металу довжиною 50...80 мм на пла-
стинку зварювальними дротами Св-08А та Св-08Г2С в атмосфері га-
зової суміші або аргону, а потім - в атмосфері вуглекислого газу цими
81
3. Виконати якісний та кількісний аналіз металу наплавлення,
крапель металу, залишених на кінці електродного дроту, та основного
металу.
4. Визначити коефіцієнти розбризкування при різних умовах зва-
рювання.
5. Визначити коефіцієнти засвоєння кремнію та марганцю зі зва-
рювального дроту, прийнявши їх коефіцієнти засвоєння з основного
металу рівними цо(Мп) = 0,85; Цо(31) = 0,73.
6. Зробити аналіз одержаних результатів. Склад зварювальних
дротів наведено в табл.З дод.5.
7.3 Обладнання та матеріали
1. Обладнання для зварювання в середовищах вуглекислого газу,
аргону або газової суміші суцільними та порошковими дротами.
2. Десять сталевих пластин 80x50x5 мм з СтЗ.
3. Зварювальний дріт Св-08А та Св-08Г2С, порошковий дріт.
4. Стилоскопи "Спектр", СЛ-11П, СЛП-4.
5. Спектрограф ИСП-30, спектропроектор ПС-18, мікрофотометр
МФ-2.
6. Інструменти для зварювання.
7. Фотоматеріали.
8. Терези, лінійка.
9. Обладнання та реактив для підготовки макрошліфів.
7.4 Аналіз результатів роботи
1. Проаналізувати склад газової фази в дузі при зварюванні у вуг-
лекислому газі, газових сумішах та порівняти його зі складом повітря.
2. На підставі отриманих результатів визначити: вплив складу за-
хисного газового середовища на хімічний склад металу шва та крапель
металу на кінці електродного дроту; вплив складу захисного газового
82
середовища на формування шва та розбризкування металу; вплив га-
зового середовища на коефіцієнти засвоєння легуючих елементів зі
зварювального дроту; вплив спорідненості елементів до кисню на їх
коефіцієнти засвоєння; рекомендації щодо захисного середовища та
зварювальних матеріалів для вуглецевих та легованих сталей.
7.5 Контрольні питання
1. Внаслідок чого може змінюватися склад металу шва при зва-
рюванні в атмосфері аргону?
2. Які зміни складу та механічних властивостей металу викликає
його взаємодія з вуглекислим газом?
3. Чи можна ліквідувати наслідки взаємодії металу з киснем в ат-
мосфері вуглекислого газу?
4. Схарактеризуйте способи легування металу шва при зварюван-
ні в захисних газах.
5. Які особливості та переваги зварювання в газових сумішах?
6. Які переваги, особливості та області застосування зварювання
порошковими дротами?
8. ДОСЛІДЖЕННЯ СТІЙКОСТІ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ ПРОТИ
УТВОРЕННЯ ГАРЯЧИХ ТРІЩИН
Мета роботи', вивчити механізм утворення та способи попере-
дження гарячих тріщин, методику дослідження та визначення стійко-
сті зварних з’єднань проти гарячих тріщин.
8.1 Механізм утворення гарячих тріщин
Гарячими тріщинами називають міжкристалітні руйнування звар-
ного шва та навколошовної зони під впливом термодеформаційного
83
циклу зварювання в інтервалі високих температур, при яких метал має
низьку пластичність [1,6,19,33].
Тріщини, які утворюються при кристалізації металу в температур-
ному інтервалі крихкості, називають кристалізаційними. Тріщини, які
утворюються при температурах, нижчих від температури реального
солідуса, називають підсолідусними.
Тріщини утворюються під дією напружень, які виникають у звар-
ному з'єднанні внаслідок нерівномірного розподілу температури та
пластичних деформацій металу при нагріванні. При кристалізації та
охолодженні металу шва в ньому та в навколошовній зоні діють роз-
тягуючі напруження, які призводять до пружно-пластичних деформа-
цій. Якщо величина пластичної деформації перевищує пластичність
металу, то виникають гарячі тріщини. Таким чином гарячі тріщини
обумовлені впливом діючих напружень (силовий фактор) та пластич-
ності металу, яка пов'язана з хімічним складом, величиною і формою
кристалітів, структурними складовими, хімічною та фізичною неод-
норідністю металу (металургійний фактор).
Здатність зварного з'єднання без руйнування сприймати дефор-
мації, викликані термоде формаційним циклом зварювання, визначає
рівень технологічної міцності металу. Теорія технологічної міцності
металів при зварюванні була розроблена проф. М.М. Прохоровим.
Згідно з цією теорією опір зварного з'єднання утворенню гарячих трі-
щин визначається такими основними факторами, як характер наро-
стання деформації при охолодженні (темп деформації) зварного з'єд-
нання, пластичність металу в температурному інтервалі крихкості і
величина цього інтервалу.
Температурний інтервал крихкості (ТІК) при кристалізації металу
обмежений зверху температурою Тк в (температура крихкості верхня)
початку зрощування кристалітів, що менше температури ліквідуса Тп,
та знизу Тк н (температура крихкості нижня) температурою реального
84
солідуса. У цьому інтервалі температур метал шва перебуває в твердо-
рідкому стані і має низьку пластичність. Механізм утворення криста-
лізаційних тріщин показано на рис.8.1.
Рис.8.1. Зміни пластичності П та
величини деформації є при крис-
талізації металу в температурному
інтервалі крихкості ТІК
Криві з буквою П показують зміну пластичності металу, а з бук-
вою є - різний темп деформації зварного з'єднання. Якщо темп дефор-
мації такий, що пластичність металу не вичерпується (єі, Є4), то трі-
щини не утворюються. У протилежному випадку виникають тріщини.
АП показує запас пластичності металу з характеристикою пластично-
сті Пі при темпові деформації щ. Для цього ж металу показано критич-
ний темп деформації єкр. З рис.8.1 видно, що збільшення ТІК (крива
П2), як і зменшення пластичності (П3) підвищує імовірність появи га-
рячих тріщин. Розширенню ТІК вниз сприяють легкоплавкі домішки
та хімічна неоднорідність металу. Розширенню ТІК вверх сприяють
стовпчасті кристаліти металу шва. Вони швидко ростуть назустріч
один одному, утворюючи твердий каркас з ізольованими мікро-
об'ємами рідини, і навіть при однакових темпах деформації (є2 і є3)
утворюють тріщини. Якщо при температурах, нижчих від пла-
стичність металу різко зростає (див. рис.8.1), то надалі немає небезпеки
в утворенні гарячих тріщин. Насправді багато металів мають ще один
спад пластичності при високих температурах, як показано на рис.8.2.
85
При цьому ТІК розширюється і можливе утворення як кристалізацій-
них, так і підсолідусних тріщин при темпові деформації Єз. Підсолі -
дусні тріщини утворюються при темпові деформації Є2, при Є1 - трі-
щини не виникають.
Рис.8.2. Ілюстрація утворення кристаліза-
ційних та підсолідусних тріщин
Утворення підсолідусних тріщин характерне для жароміцних ні-
келевих сплавів, чистих металів, ніобієвих та інших однофазних спла-
вів з вузьким інтервалом кристалізації. Наприклад, на рис.8.3 показано
зміну пластичності металу навколошовної зони гарячекатаного сплаву
Х18Н60МВТЮ (ЗП202) при нагріванні до 1300 °С та охолодженні [6].
Пластичність визначали за методом ИМЕТ-1, при якому тонкі
стерженьки 3x7x150 мм з шийкою 3x3 мм нагрівають пропусканням
електричного струму за необхідною програмою та протягом 0,05 с
розривають, вимірюючи відносне звуження зразка в шийці.
Рис.8.3. Зміна пластичності сплаву
ЗП202 при його нагріванні до 1300 °С
та охолодженні
86
З рисунку видно, що при нагріванні сплаву до 1300 °С його пла-
стичність різко падає при температурі близько 1200 °С, а при охолод-
женні від 1300 °С відновлюється при температурі близько 950 °С.
З рис.8.3 можна зрозуміти, чому жароміцні нікелеві сплави схиль-
ні до гарячих тріщин при зварюванні та тріщин повторного нагріву,
з’ясувати негативний вплив перегріву металу, необхідність високо-
концентрованих джерел теплової енергії при зварюванні плавленням,
тиском та паянні.
У формуванні підсолідусних тріщин вирішальну роль відіграють
силовий фактор, фізична неоднорідність, протяжність, формування,
міграція та характер міжзеренних границь. Підсолідусні тріщини про-
ходять по границях, які сформувалися в твердому металі та мають
скупчення дефектів кристалічної будови металу і пов'язані з фізичною
мікронеоднорід ністю.
8.2 Запобігання гарячим тріщинам при зварюванні
Засоби попередження гарячих тріщин у зварних з'єднаннях роз-
роблено на основі теорії утворення гарячих тріщин. Ці засоби
пов’язані із впливом силового та металургійного факторів. Незалежно
від виду тріщин, для їх попередження необхідне зменшення ТІК, під-
вищення пластичності металу та зниження темпу деформації в цьому
інтервалі.
Засоби попередження кристалізаційних тріщин
/. Підвищення чистоти сплавів за наявністю шкідливих домішок,
з яких в першу чергу необхідно виділити сірку, та легування шва еле-
ментами, які підвищують стійкість проти кристалізаційних тріщин.
Вміст сірки в конструкційних сталях звичайно становить
0,025...0,035 %. У низьколегованому дроті вміст сірки обмежується
0,03 %. У деяких марках високолегованого дроту це обмеження стано-
вить 0,025 % і навіть 0,015 %.
87
Важливим елементом у сталях є вуглець, який визначає їх струк-
туру та механічні властивості. Разом з тим вуглець різко негативно
впливає на стійкість металу проти гарячих тріщин. Він посилює також
негативний вплив сірки. Тому при зварюванні в металі шва зберігають
мінімально необхідну з огляду на механічні властивості металу кон-
центрацію вуглецю, яка ще не викликає кристалізаційних тріщин.
Утворенню кристалізаційних тріщин сприяє кремній, але в значно
меншій мірі, ніж вуглець. Тому при зварюванні вуглецевих та низько-
легованих сталей оптимальною вважається концентрація кремнію в
шві 0,15...0,6%, яка не викликає гарячих тріщин і забезпечує зміц-
нення металу.
Найбільш сприятливим елементом, який ефективно підвищує
стійкість швів проти кристалізаційних тріщин, є марганець. Він пере-
водить сірку з легкоплавких сульфіду заліза та евтектики в тугоплав-
кий сульфід марганцю.
Перехід сірки з металу шва в шлак при зварюванні низьковугле-
цевої сталі під флюсом АН-348А залежно від концентрації марганцю
показано на рис.8.4 [24], а сумісний вплив концентрації сірки, вугле-
цю та марганцю на стійкість металу проти кристалізаційних тріщин -
на рис.8.5 [37].
Підвищення вмісту марганцю в металі, як і збільшення концент-
рації закису марганцю МпО в шлаку, сприяє переходу сірки в шлак.
Видалення мірки з металу шва може відбуватися шляхом її виго-
рання при зварюванні електродами з покриттям рудно-кислого типу за
рахунок РеО, а також в атмосфері окисних газів. Тому ці шви мають
дещо нижчу концентрацію сірки порівняно зі швами, звареними в
інертних та відновних газах.
З рис.8.5 видно, що чим більший вміст вуглецю в сталі, тим біль-
шим повинно бути співвідношення Мп : 8, щоб запобігти утворенню
кристалізаційних тріщин. Наприклад, при 0,12 % С це співвідношення
повинно бути більше 10, а при 0.16 % С - більшим 40.
88
2. Зменшення величини первинних кристалітів металу шва шля-
хом: 1) зміни його хімічного та фазового складу:2) характеру криста-
лізації: 3) форми зварювальної ванни: 4) електромагнітного перемі-
шування: 5) механічної вібрації електрода: 6) введення в шов ультра-
звукових коливань: 7) створення центрів кристалізації (елементи-мо-
дифікатори, металічна крупка):
8) використання дрібно зерни-
Вміст марганцю в металі, % мас.
Рис.8.4. Перехід сірки з металу шва
в шлак залежно від концентрації в
шві марганцю
Рис.8.5. Утворення кристалізаційних
тріщин у металі кутового шва при кое-
фіцієнті форми 1,5 залежно від концен-
трації сірки, вуглецю та марганцю. По-
ля діаграми вище кривих відповідають
наявності, нижче - відсутності тріщин
Існує думка, що при однаковій товщині міжкристалітних прошар-
ків рідини з подрібненням кристалітів пластичність твердо-рідких си-
стем зростає за гіперболічним законом. Це є одним з головних факто-
рів, який сприяє підвищенню стійкості проти гарячих тріщин сплавів
евтектичного типу в міру збільшення концентрації легуючого елемен-
ту від точки граничної концентрації розчинності до евтектичного
складу. В евтектиці обидві фази, які кристалізуються, ростуть одночас-
но і тому надзвичайно дрібні (рис.8.6). Для порівняння на рис.8.7 по-
казано мікроструктуру металу шва нержавіючої сталі типу 18-8. При
зварюванні чисто аустенітним швом (рис.8.7,а) зі стовпчатими крис-
89
талітами метал схильний до кристалізаційних тріщин, оскільки з по-
довженням кристалітів їх поворот навіть на малий кут може призвести
до утворення нещільності у вигляді тріщин.
При зварюванні аустенітно-феритним швом (рис.8.1,6) 8-фсрит
сприяє подрібненню первинних кристалітів та забезпечує стійкість
проти гарячих тріщин.
Рис.8.7. Мікроструктура металу шва нержавіючої сталі 1Х18Н9Т при зварюван-
ні однофазним аустенітним швом (а) та двофазним аустенітно-феритним (б)
Рис.8.6. Мікроструктура жароміцного
евтектичного нікелевого сплаву; хЮОО
Слід відзначити, що евтектичні сплави мають дуже вузький тем-
пературний інтервал кристалізації. Це також сприяє стійкості проти
гарячих тріщин. Деякі евтектики, наприклад, боридні, завдяки високій
здатності до міжкристалітного проникання можуть "залікувати" гарячі
тріщини як в металі шва, так і в навколошовній зоні. На рис.8.8,а по-
90
казано гарячу тріщину в навколошовній зоні, а на рис.8.8,б - залікову-
вання тріщин боридною евтектикою.
Рис.8.8. Мікроструктура металу в зоні сплавлення при зварюванні сплаву
ЗП202 аустенітним швом однофазним (а) та аустенітно-боридним (б); х400
а
3. Зменшення впливу! розтягуючих напружень та зниження темпу
деформації металу в ТІК, що досягається застосуванням попередньо-
го підігріву, раціональним проектуванням зварних конструкцій, раціо-
нальним порядком виконання зварних швів при оптимальному закріп-
ленні деталей.
Попередній підігрів є досить ефективним способом попередження
кристалізаційних тріщин. При цьому зменшується швидкість охоло-
дження шва, знижується темп наростання пружно-пластичної дефор-
мації та зменшується величина розтягуючих напружень. Для серед-
ньовуглецевих сталей частіше застосовують попередній підігрів до
температури 250...З00 °С. Залежність критичної концентрації вуглецю
від температури попереднього підігріву показано на рис.8.9 [24].
Наплавлення проводилось під флюсом АН-348А при вмісті в на-
плавленому металі кремнію 0,6...0,8 %, марганцю - 1,25... 1,6 %, спів-
відношенні Мп : 8 не менше 20. Кружки означають відсутність трі-
щин, хрестики - їх наявність. Як видно з рис.8.9, попередній підігрів
значно підвищує критичну концентрацію вуглецю.
91
Аналізуючи металургійні способи запобігання виникненню крис-
талізаційних тріщин, потрібно відзначити, що вони ефективні при від-
носно низькому вмісті вуглецю в металі шва. Підвищення стійкості
проти тріщин при всіх способах зварювання досягається в першу чер-
гу зменшенням концентрації вуглецю в металі шва. Цьому сприяють
застосування низьковуглецевого зварювального дроту малого діамет-
ра, зменшення сили струму і швидкості зварювання, використання
постійного струм прямої полярності, дводугового зварювання в розділь-
них ваннах. В останньому випадку сила струму першої дуги повинна
бути меншою, ніж другої. Для зменшення долі основного металу в шві
при наплавленні зменшують крок наплавки.
Температура підігріву,°С •
Рис.8.9. Залежність критичного вміс-
ту вуглецю в наплавленому металі
від температури підігріву деталі.
Використовуючи попередній підігрів, слід пам'ятати, що надмір-
ний підігрів може посилити утворення тріщин внаслідок збільшення
вмісту вуглецю за рахунок підвищення долі основного металу в шві.
При будь-якому хімічному складі металу шва гарячі тріщини мо-
жуть утворюватися в кратері. Тому не слід раптово обривати дугу в
кінці шва. Електрод перед обривом дуги слід відвести на 1... 2 см у бік
від шва, а при автоматичному зварюванні вивести на вивідну планку.
При відсутності такої можливості кратер слід заварити.
92
Засоби попередження підсолідусних тріщин
1. Легування сплавів елементами, які знижують дифузійну рухо-
мість атомів або сприяють утворенню при кристалізації та охоло-
дженні високотемпературних дисперсних фаз. Це запобігає форму-
ванню та міграції міжзеренних границь у металі при підсолідусних
температурах.
2. Зварювання двофазними швами.
3. Скорочення часу перебування металу при високих температу-
рах, коли дифузійні процеси протікають швидко.
4. Підвищення чистоти основного металу за домішками, атоми
яких розміщуються між вузлами атомних ґраток.
5. Зниження темпу наростання та величини пружно-пластичних
деформацій металу при охолодженні після зварювання.
8.3 Визначення стійкості металу проти утворення
гарячих тріщин при зварюванні
Стійкість металу проти утворення гарячих тріщин можна знайти
різними методами, які мають відповідні кількісні показники. Існують
розрахункові та експериментальні методи. Одним з розрахункових
методів є визначення еквівалентної концентрації вуглецю Секв- При
розрахунках Секв, звичайно, сталь вважається не схильною до гарячих
тріщин, якщо Секв < 0,45%.
Для більш реальної оцінки стійкості сталі проти гарячих тріщин
рекомендуються певні обмеження умов розрахунків. Наприклад, для
низьколегованих сталей рекомендовані різні коефіцієнти для обчис-
лення еквівалентної концентрації вуглецю, залежно від концентрації в
сталі вуглецю та легуючих елементів.
Уілкінсон запропонував для вуглецевих та низьколегованих сталей
використовувати показник схильності до гарячих тріщин НСЗ (Ьоі
сгаскіп§ зизсерйЬіІііу):
93
__ С(8 + Р + 0,048і + 0,0Ші)103
нсь =--------------------------,
ЗМп + Сг + Мо + У
де символами елементів позначено їх концентрацію, % (мас.). Якщо
НС8 < 4, гарячі тріщини не з’являються. Умовою відсутності гарячих
тріщин для високоміцних сталей (ов >700 МПа) великої товщини є
НС8 < 2.
Для визначення схильності легованих сталей до утворення гаря-
чих тріщин розраховують критичну швидкість деформації за рівнян-
ням
гкр = 19 - 42С - 4118 - 3,381 + 5,6Мп + 6,7Мо мм/хв.
Якщо г|ф > 6,0, то гарячі тріщини не виникають, а якщо гкр < 1,8,
то вони з’являються.
Для хромонікелевих аустенітних сталей користуються відно-
шенням еквівалентних концентрацій хрому та нікелю:
Сгекв _ Сг + 1,37Мо + 1,58і + 2КЬ + ЗТІ
№екв ” № + 0,3 ІМп + 22С +14,2К + Си '
Якщо Р + 8 = 0,02...0,035 %, а
>1,5, то сталь вважається
стійкою проти гарячих тріщин.
Для аустенітно-феритних сталей визначають критерій
£ = 299С + 8№ + 142Т4Ь - 5,5(3-Ре)2 - 105,
де (5-Ре) - відсоток дельта-фериту в структурі металу шва.
При /. > 0 сталь вважається схильною до гарячих тріщин.
Схильність металу до утворення гарячих тріщин можна оцінити
також шляхом дослідження технологічних проб, що імітують зварні
з’єднання різних конструкцій.
Суть таких випробувань полягає в тому, що метал, в якому не ви-
никають тріщини в штучно створених умовах деформації, не повинен
руйнуватися і в реальних виробах.
Є багато методів технологічних випробувань, з яких найбільш ві-
94
домі такі: зварювання пластин в жорсткому закріпленні, проба Бол-
ленрата, методи МВТУ, ЖдМІ (тепер Приазовський державний тех-
нічний університет), ІМЕТ, Варестрейнта та ін.
Проба Варестрейнта. Кінець пластинки 50x200 мм затискають у
пристрої, як показано на рис.8.10. Зварювання виконують зліва напра-
во. У момент проходження дугою точки А пластинку вигинають си-
лою Р. Радіус вигину залежить від розмірів змінної оправки. Зварю-
вання закінчують у точці С. Деформацію верхніх волокон зварного
шва знаходять як відношення 5/2/?. де 5 - товщина пластинки; К - ра-
діус вигину. Змінюючи радіус К оправки, можна змінювати величину
деформації верхньої частини наплавленого валика. При цих випробу-
ваннях утворюються поперечні тріщини. Для випробування металу
шва на стійкість проти поздовжніх тріщин збільшується ширина пла-
стинки до 75 мм, зварювання проводиться поперек пластини, а оправ-
ку розміщують уздовж шва. Зразок вигинається навкруг оправки. При
цьому напрям дії напружень згину повертається на 90°.
Рис.8.10. Зразок дослідження стійкості
металу проти гарячих тріщин за мето-
дом змінних деформацій
При визначенні результатів випробувань загальну довжину трі-
щин співставляють із врахуванням максимальної деформації.
Технологічна міцність металу може бути охарактеризована такими
критеріями: мінімальною деформацією, необхідною для виникнення
гарячих тріщин; загальною сумою довжини всіх тріщин при деформації
є = 5/2/?: максимальною довжиною тріщини при деформації є = 5/2/?.
95
Перші два критерії показують опір металу утворенню гарячих
тріщин, за третім критерієм знаходять температурний інтервал крих-
кості. Недоліком методу є те, що в примусовій деформації бере участь
основний метал, який знижує точність результатів. Викликає дискусії
також оцінка за довжиною тріщини.
Зварювання жорсткого вузла. Це одна з технологічних проб, яка
імітує реальне стикове або таврове з'єднання. Стикове з'єднання зва-
рюють після закріплення двох пластин шириною 125 мм та довжиною
200... 400 мм до масивної пластини, для чого пластину обварюють по
контуру. Таврове з'єднання пластин показано на рис.8.11.
Рис.8.11. Зразок для визначення стійкості металу проти гарячих тріщин
Зразки (не менше трьох) використовують у дослідних роботах та
приймальних випробуваннях для визначення якості основного металу,
зварювальних матеріалів, нових способів і режимів зварювання. Зва-
рювання виконують на пластинах товщиною 8 мм і більше. Довжина
зразків £ складає 200 мм для ручного, 300 мм - механізованого та
400 мм - автоматичного зварювання.
Тріщини виявляють зовнішнім оглядом поверхні шва після зва-
рювання, зламів шва після руйнування та по мікрошліфах. При цьому
отримують якісну характеристику стійкості проти тріщин. Для отри-
мання кількісної оцінки зразки зварюють при різних силах струму.
Чим більша сила струму, при якій ще не утворюються гарячі тріщини,
тим кращі властивості випробуваного матеріалу.
Метод Приазовського державного технічного університету. У
цьому методі проводиться деформування зварного шва при зварюван-
96
ні з певною швидкістю і визначається критична швидкість деформу-
вання - максимальна швидкість, при якій тріщини не виникають.
Схема випробувань показана на рис.8.12 [1].
Рис.8.12. Схема визначення стій-
кості металу шва проти кристалі-
заційних тріщин за критичною
швидкістю деформування:
1 - тріщина в шві; 2 - метал шва; З -
зварювальна ванна; 4 - електрод; 5 -
зразки (пластини)
Початкову швидкість деформування вибирають настільки вели-
кою, щоб обов'язково утворилася тріщина. При переміщенні дуги
швидкість деформації зменшується. У певний час вона стане настіль-
ки малою, що метал, який знаходиться в ТІК, її витримає. Це викличе
збільшення потужності електродвигуна. Збільшення сили струму в
якорі двигуна реєструється приладом. Визначена в цей момент швид-
кість деформування є критичною.
8.4 Методика роботи
1. Ознайомитись з методами випробування зварних з'єднань на
схильність до гарячих тріщин та складом досліджуваних матеріалів.
2. Визначити стійкість вуглецевих та хромонікелевих сталей до
гарячих тріщин розрахунковими методами. Хімічний склад металу
задається при виконанні роботи.
3. Вибрати режим зварювання, виконати декілька випробувань за
одним з розглянутих експериментальних методів.
4. Визначити стійкість зварних з'єднань проти утворення гарячих
тріщин.
97
5. Виконати зварювання жорсткого вузла середньовуглецевої ста-
лі та визначити вплив підігріву на утворення тріщин.
6. Виконати зварювання в аргоні жароміцного нікелевого сплаву
типу ЧС70Л дротами типу ЗП367 та ЗП683 або НР18 та визначити
наявність гарячих тріщин.
7. Виконати зварювання хромонікелевої аустенітної сталі аустеніт-
ним швом без марганцю та з 7 % марганцю, а також з 10...20 % дель-
та-фериту.
8.5 Устаткування та матеріали
1. Пости для дугового зварювання в середовищі вуглекислого га-
зу, аргону та якісними електродами.
2. Устаткування для випробувань зварних з’єднань на стійкість
проти утворення гарячих тріщин.
3. Пластинки з кількох марок сталей різних структурних класів і
жароміцних нікелевих сплавів типу ЧС70Л і ЗИ602 за розмірами, які
відповідають прийнятій методиці випробувань.
4. Зварювальні матеріали у відповідності з п. 8.4.
5. Інструменти для зварювання.
6. Обладнання та реактиви для виготовлення мікрошліфів з жаро-
міцних сплавів типу ЧС70Л та ЗИ602.
7. Мікроскоп.
8.6 Аналіз результатів роботи
1. Проаналізувати наведені в роботі розрахункові та експеримен-
тальні методи визначення стійкості металу проти гарячих тріщин,
враховуючи фактори, які впливають на утворення тріщин.
2. На підставі отриманих результатів визначити: вплив структури
металу шва при зварюванні хромонікелевих сталей; вплив марганцю
на стійкість проти гарячих тріщин хромонікелевих сталей при зварю-
98
ванні аустенітним швом; вплив підігріву на утворення гарячих тріщин
при зварюванні вуглецевих сталей; вплив хімічного складу та струк-
тури металу шва на утворення гарячих тріщин при зварюванні хромо-
нікелевих аустенітних сталей та жароміцних нікелевих сплавів; вплив
концентрації алюмінію та титану на стійкість жароміцних сплавів
проти утворення гарячих тріщин.
8.7 Контрольні питання
1. Схарактеризуйте механізм утворення кристалізаційних та під-
солідусних тріщин.
2. Які фактори впливають на утворення гарячих тріщин?
3. Назвіть і дайте характеристику способам запобігання утворен-
ню гарячих тріщин при зварюванні вуглецевих та низьколегованих
сталей.
4. Як впливають хімічний склад, хімічна та фізична мікронеодно-
рідність металу шва, температура та режим зварювання на стійкість
проти гарячих тріщин?
5. Схарактеризуйте існуючі розрахункові та експериментальні ме-
тоди визначення стійкості металу проти гарячих тріщин.
6. Які способи запобігання утворенню гарячих тріщин при зварю-
ванні хромонікелевих аустенітних сталей існують?
9. ДОСЛІДЖЕННЯ СТІЙКОСТІ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ
ПРОТИ ХОЛОДНИХ ТРІЩИН
Мета роботи: вивчити механізм утворення, способи попере-
дження та методи визначення стійкості зварних з’єднань проти холод-
них тріщин.
99
9.1 Механізм утворення холодних тріщин
Холодні тріщини - це дефекти, які утворюються в навколошовній
зоні та в металі шва при охолодженні нижче температури 200 °С або
протягом наступної доби. Холодні тріщини, як правило, виникають
при зварюванні сталей мартенситного, бейнітного, а в ряді випадків -
пер літного класів. Вони менш характерні для низьколегованих ферит-
но-перлітних сталей. Утворення холодних тріщин залежить від рівня
напружень, структури та вмісту дифузиційного водню [2,3,16-18,27,
33,38]. Важливе значення має також швидкість деформації.
Залежно від розміщення та напрямку розвитку холодні тріщини
бувають: поздовжні навколошовні (відколи), поздовжні тріщини в зоні
сплавлення (відриви), поздовжні в металі шва. Найчастіше зустріча-
ються тріщини у вигляді відколів.
Холодні тріщини мають характер сповільненого руйнування, яке
відбувається при довгостроковому навантаженні. При цьому опір руй-
нуванню значно нижчий, ніж при короткочасному навантаженні. При
довгочасній дії напружень відбуваються пружно-пластичні деформації
зсуву зерен відносно одне одного по їх межі. У зв’язку з високою кон-
центрацією дефектів кристалічних ґраток (вакансії, дислокації), які
виникають на міжзеренних границях при гартуванні, межі зерен ма-
ють опір зсуву нижчий, ніж тіло зерна. Внаслідок цього у вершинах
зерен можуть зароджуватися тріщини. Тріщини (руйнування) почи-
наються на межі зерен. Подальший розвиток тріщини може проходити
як між зернами, так і по тілу зерна. У зварних з’єднаннях холодні трі-
щини можуть з’являтися без зовнішнього навантаження - лише під
дією залишкових напружень. Таким чином, внаслідок структурних
перетворень при гартуванні метал може набути схильності до сповіль-
неного руйнування.
Сповільнене руйнування металу має такі закономірності:
1) руйнування носить міжкристалітний характер;
100
2) руйнування має деякий інкубаційний період після початку дії на-
вантаження за умови деформування з малими швидкостями (наприк-
лад, 2 мм/хв) або при постійному зусиллі схильність до сповільненого
руйнування зникає при швидкостях деформації більше 2-Ю4 мм/хв;
3) опір сповільненому руйнуванню значно менший короткочасної
міцності та залежить від часу дії зусилля;
4) опір сповільному руйнуванню має певне мінімальне значення
(бртіпА яке називають критичним і відповідає часу 10... 20 годин після
закінчення термічної дії та початку дії мінімального зусилля, а потім
протягом 1... 10 діб опір руйнуванню зростає в результаті так звано-
го "відпочинку" металу;
5) схильність до сповільненого руйнування повністю втрачається
при охолодженні нижче -70 °С, відновлюється при наступному нагрі-
ванні до нормальної температури (20 /'). значно послаблюється при
нагріванні до 100... 150 X/ та повністю зникає при нагріванні до
200... 300 <С;
6) опір сповільненому руйнуванню різко зменшується при збіль-
шенні швидкості охолодження (збільшення кількості мартенситу в
структурі), а при швидкостях, більших від критичних, опір сповільне-
ному руйнуванню мінімальний (при критичних швидкостях гартування
аустеніт перетворюється тільки на мартенсит при температурах,
нижчих від температури початку мартенситного перетворення 7\):
7) опір сповільненому руйнуванню різко зменшується при збіль-
шенні в сталі вмісту дифузійного водню до 3...4 см3/100гМе, але піс-
ля видалення водню, наприклад, шляхом відпалу, повертається до зна-
чення, властивого металу без водню.
Проблема сповільненого руйнування металу вперше була сфор-
мульована докт. техн. наук, проф. С.С. Шураковим (ЦНДІКМ "Проме-
тей"), а потім досліджувалася докторами технічних наук М.М. Прохо-
ровим (МДТУ ім. Баумана), Е.Л. Макаровим (МДТУ ім. Баумана
101
А.М. Макарою (ІЕЗ ім. Є.О. Патона), М.Х. Шоршоровим (Інститут
металургії ім. Байкова) та ін. Проблема водню у сталях та зварних
швах успішно вирішується завдяки сучасним роботам ІЕЗ
ім. Є.О. Патона, зокрема академіка НАН України І.К. Походні [27].
Механізм сповільненого руйнування зварних з’єднань пов’язаний
з тим, що мартенситне перетворення починається в центральних ча-
стинах зерен при температурах Тп (початок мартенситного перетво-
рення), а закінчується в приграничних зонах зерен при температурах
7',, (кінець мартенситного перетворення). При виході голок пластинча-
того мартенситу на границі зерен у приграничних зонах виникають
високі густина дислокацій та рівень мікронапружень. Чим різкіше гар-
тування, тим більше дефектів кристалічної будови. Тому саме на гра-
ницях зерен розвивається локальна мікропластична деформація
(МПД), яка призводить до міжкристалітного руйнування.
Наявність у структурі свіжозагартованого мартенситу високої гу-
стини незакріплених дислокацій обумовлює МПД навіть при невисо-
ких напруженнях. Величина МПД складає ІО 6... 10 а її швидкість
залежить від температури та напружень. У процесі "відпочинку" здат-
ність сталі до МПД зникає. Високі міцність і межа плинності загарто-
ваної сталі - наслідок старіння, яке закріплює дислокації.
Руйнуванню сприяє також те, що в навколошовній зоні на зварю-
вальні напруження накладаються напруження структурні, обумовлені
великим питомим об’ємом мартенситу, та низька деформаційна здат-
ність свіжозагартованого металу.
Питомий об’єм аустеніту складає 0,1275 см3/г, фериту - 0,1271,
перліту - 0,1286, цементиту - 0,1304, мартенситу - 0,1310 см3/г. Мар-
тенситна структура металу наведена на рис.9.1.
Великий вплив на стійкість металу проти сповільненого руйну-
вання і холодних тріщин має водень, який потрапляє в метал шва з
покриття електродів, флюсів, вологого навколишнього середовища,
102
неочишених захисних газів або бруду з поверхонь зварювальних ма-
теріалів чи зварюваних кромок.
Рис.9.1. Утворення голок мартенсит} в аусте-
нітному зерні сталі з 0.8 % С після охолоджен-
ня у воді з 1100 °С (а). пластинчатий мартен-
сит високолегованої сталі з нікелем та марган-
цем після охолодження повітрям з 1000 °С (6):
безструктурний мартенсит статі з 0.8 % С піс-
ля охолодження у воді з 780 °С (в), х32О
Вплив водню пов'язаний із набуттям металом здатності до окрих-
чсння [27,38]. На рис.9.2,а зображено вплив вмісту дифузійного вод-
ню [Н], на відношення де і іу відносне звуження зразків із
воднем та відповідно без нього. Випробу вання проводили зі швидкі-
стю 5 мм/хв на одновісний розтяг при кімнатній температурі
На втрату металом пластичності впливає наявність на поверхні
су бмікротріщін прошарку від'ємних іонів водню Н (рис.9 2,6) та зни-
ження під їх дією поверхневої енергії і міцності металу [27|
Зародки субмікротріщини утворюються в локальному полі дисло-
каційних ансамблів свіжозагартованого мартенситу в процесі пластич-
ної деформації. Рухомі дислокації спричиняють рух розчиненого в
металі водню. До макрору йну вання призводять лише ті мікротріщіпи.
стан яких у сумарному полі, утвореному дислокаціями і зовнішніми
103
напруженнями, перевищує критичний. Ці мікротріщини розповсю-
джуються в силовому полі авто каталітично.
Ч/'Уіу
Рис.9.2. Вплив дифузійно-рухомого водню на окрихчення низьколегованої
сталі (а) та зародок субмікротріщини (б) [27]
З описаних вище закономірностей сповільненого руйнування вид-
но, що воно проявляється лише в певному температурному діапазоні,
при малих швидкостях деформацій або при постійнодіючому зусиллі,
при збільшенні швидкості охолодження та вмісту дифузійного водню.
Схильність металу до сповільненого руйнування залежить від хіміч-
ного складу сталі, вмісту водню, термічного циклу зварювання, який
визначає швидкість нагріву та охолодження. Термічний цикл зварюван-
ня можна регулювати шляхом зміни технології та параметрів режиму
зварювання, застосування попереднього або супровідного підігріву.
Опір сповільненому руйнуванню при зварюванні низьколегованої
сталі ВС-4 показано на рис.9.3 [ЗО].
Як видно з рис.9.3, збільшення концентрації водню та швидкості
охолодження різко зменшує опір металу сповільненому руйнуванню.
Наприклад, при [Н]д = 0,4 мл/100 г критичні напруження Окр > 1200 МПа,
а при [Н]д = 4,2 мл/100 г Окр < 700 МПа. Аналогічно впливає на критичні
напруження збільшення швидкості охолодження при однаковому вмісті
водню.
104
Таким чином, з результатів досліджень видно, що схильність ме-
талу до сповільненого руйнування й утворення холодних тріщин при
заданому вмісті водню визначається структурою, швидкістю дефор-
мації і температурою металу, а також рівнем діючих напружень.
Вплив температури і швидкості деформації металу обумовлений хара-
ктером взаємодії атомів розчиненого в металі водню з дислокаціями
[27,38]. При низькій температурі та високій швидкості деформації
швидкість дифузії водню менша від швидкості руху дислокацій. Тому
дислокації вільно переміщуються в металі, не захоплюючи водневі
атмосфери (атмосфери Коттрелла). При цьому водень суттєво не
впливає на утворення тріщин. Коли рухливість атомів водню стає близь-
кою до рухливості дислокацій, енергії зв'язку дислокацій з атомами
водню достатньо для спільного переміщення і негативного впливу вод-
ню. Зверху температурний інтервал схильності металу до сповільне-
ного руйнування обмежується температурою руйнування атмосфери
Коттрелла, при цьому схильність до сповільненого руйнування зникає
повністю. Слід враховувати, що підвищення температури сприяє
релаксації напружень.
Рис.9.3. Вплив миттєвої швидкості охолодження при 550 °С (от, „ 5^,°С/с, - чис-
ла в кружках) та вмісту водню [Н]д на схильність до сповільненого руйнування
зварних з’єднань сталі ВС-4, виконаних електродами АНП-2 (проба "імплант")
105
При ручному дуговому зварюванні джерелом водню найчастіше є
покриття електрода. Щоб уникнути насичення металу шва воднем,
електроди або флюс перед зварюванням прожарюють при температурі
300...350 °С протягом кількох годин. Кількість водню в металі шва
визначають у см3 або мілілітрах на 100 г наплавленого металу. Залеж-
но від технології зварювання кількість водню перебуває в межах від 1
до 30 см3 на 100 г металу.
Водень у металі шва може знаходитися в двох основних формах -
дифузійні та залишкові. Сума дифузійного та залишкового водню
складає загальну кількість водню в шві. Дифузійний водень знахо-
диться в металі в атомарному або іонізованому стані та здатний виді-
лятися з металу при кімнатній температурі. Залишковий водень утри-
мується в металі сильніше, і для його видалення потрібен нагрів до
високих температур. Кількість залишкового водню визначають мето-
дами вакуумного плавлення або нагріванням металу.
Якщо залишковий водень пов’язаний з дефектами ґраток, то він
знаходиться в мікро- та макропорах як в молекулярному стані, так і в
атомарному і накопичується в субмікроскопічних "пастках". Всі фор-
ми водню знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, яка зале-
жить від температури. При нормальній температурі відносно швидко
десорбується з металу основна частина дифузійного водню Нд. Закріп-
лений атомарний та молекулярний водень може знаходитися в металі
досить довгий час. Таким чином, концентрація водню закріпленого та
того, який не встиг виділитися на даний момент, складає концентра-
цію залишкового водню Н3.
Для визначення кількості дифузійного водню Нд застосовують ва-
куумні та хроматографічні методи. Найбільш простим є використання
"олівцевої" спиртової проби. При цьому наплавлений на мідну, охо-
лоджувану водою пластину зразок 8x12x70 мм негайно гартують у
воді та поміщають на 5 діб у спеціальну пробірку (евдіометр) зі спир-
106
том при температурі 40...70 °С. Увесь водень, який виділиться, вва-
жають дифузиційним воднем у металі шва. В Японії використовують
замість спирту гліцерин, який менше розчиняє водень. Через те, що
водень розчиняється в спирті та гліцерині, метод дає занижені резуль-
тати. Більш точні результати дає розроблений в ІЕЗ ім. Є.О. Патона
метод виділення водню у вакуумній камері [22].
Розчинність і розподіл водню в металі шва залежить від концент-
рації і типу включень, мікропор і швидкості охолодження. У процесі
охолодження металу шва знижується розчинність водню і в зв’язку з
цим його висока концентрація в металі шва значно перевищує рівно-
важну розчинність. Водень має високу дифузійну здатність і може пе-
реходити в зону термічного впливу. Через те, що при перетворенні
у —> а розчинність водню в металі шва різко знижується, більша його
частина переходить у зону термічного впливу. Водень, зафіксований у
зоні зварного з’єднання, при підвищених температурах перебуває в
атомарному стані. При температурі, меншій 200 °С, водень може пе-
рейти з атомарного стану в молекулярний. При цьому з’являється ви-
сокий тиск газу в порах, мікропорожнинах та інших дефектах криста-
лічних ґраток.
Утворення холодних тріщин у навколошовній зоні може бути
пов’язане також з процесом розчинення карбідів та неметалічними
включеннями, наприклад сульфідами, які під впливом термодеформа-
ційного циклу зварювання сприяють розшаруванню і механічній не-
однорідності металу. Розвитку мікротріщин сповільненого руйнуван-
ня може сприяти також дифузія вакансій, концентрація яких у загар-
тованому металі досить висока.
Основними факторами, які обумовлюють утворення холодних
тріщин, є:
1) рівень зварювальних напружень І роду озв;
2) структурний стан металу зварного з 'єднання, який характе-
107
ризується наявністю мартенситу та його властивостями (підвищен-
ня температури гартування сприяє зростанню величини аустенітно-
го зерна, концентрації в ньому вуглецю та вакансій і зниженню тем-
ператури початку мартенситного перетворення, що, як і швидкість
охолодження, зменшує опір металу сповільненому руйнуванню);
3) концентрація дифузійного водню в металі.
Розглянутий механізм сповільненого руйнування справедливий
також для сплавів титану з високою межею пластичності при розпадах
Р-фази та утворенні а' -мартенситу.
9.2 Запобігання холодним тріщинам при зварюванні
Способи запобігання холодним тріщинам базуються на виклю-
ченні або зниженні негативного впливу основних факторів, які обумо-
влюють їх утворення.
Регулювання рівня зварювальних напружень
Регулювання рівня зварювальних напружень досягається раціональ-
ним проектуванням зварних конструкцій і зварювального оснащення
та вибором послідовності зварювання. При цьому рекомендується не
жорстке закріплення зварюваних елементів та зниження жорсткості
деталей і вузлів. Проте, як було встановлено д-ром техн. наук, проф.
А.М. Макарою та іншими авторами, при зварюванні сталей 35ХЗНЗМ
[2,17], ЗОХГСА [3], 40Х [16] збільшення реактивних напружень та на-
вантаження зварюваних елементів може підвищити стійкість металу
проти холодних тріщин [37]. Це пояснюється підвищенням темпера-
тури початку мартенситного перетворення Та та зміною кінетики
структурного перетворення, мікропластичного деформування та де-
формування зварюваних елементів. Саме більш високими реактивни-
ми напруженнями, а внаслідок цього підвищенням Та та уповільнен-
108
ням швидкості охолодження в області низьких температур, обумовле-
ний сильніший самовідпуск мартенситу навколошовної зони, що ра-
зом з високою пластичністю аустеніту забезпечує більшу стійкість
проти холодних тріщин при зварюванні гартованих сталей аустеніт-
ним швом порівняно з ферито-перлітним.
Ефективність навмисного навантаження та деформування при
зварюванні гартованих високоміцних сталей залежить від їх хімічного
складу, структури та властивостей і потребує вивчення в кожному
конкретному випадку. Для сталі 35ХЗНЗМ таку технологію було роз-
роблено, але, як правило, рекомендують зниження рівня напружень
при зварюванні.
Регулювання структури металу зварних з’єднань
Метал шва та навколошовної зони нагрівається до високих тем-
ператур. Тому при зварюванні сталей можна виділити перетворення
при нагріванні з переходом до аустенітного стану, а потім при охоло-
дженні - перетворення аустеніту залежно від ступеня переохолоджен-
ня. Ці перетворення зображують у вигляді діаграм температура пере-
творення - час (1§ і).
Перетворення аустеніту при охолодженні можуть проходити при
постійній температурі, і тоді будують діаграми ізотермічного розпаду
аустеніту (ІРА), які використовують при розробці режимів термічної
обробки. При зварюванні мають місце перетворення при безперерв-
ному охолодженні металу, тоді будують діаграми анізотермічного
(термокінетичного) розпаду аустеніту (АРА). В англомовній літерату-
рі ці діаграми часто називають ТТТ-діаграми - йте-іетрегаіиге-
ігапз&гтайоп (час-температура-перетворення), що реально відображає
їх сутність.
Методикою побудови діаграми ІРА можна ознайомитися в під-
109
ручниках з металознавства [7,36]. Діаграма ІРА для евтектоїдної сталі
(0,8 % С) показана на рис.9.4 [36].
Рис.9.4. Діаграма ІРА евтектоїдної сталі:
А - стабільний аустеніт; А„ - аустеніт, пере-
охолоджений нижче температури Аь
Ф - ферит; Ц - цементит; П - перліт; С - сор-
біт; Т - троостит; Б - бейніт; М - мартенсит;
Азал - залишковий аустеніт; А/н та А/к - темпе-
ратура початку та кінця мартенситного пере-
творення відповідно; І - перлітне, II - проміж-
не, III - мартенситне перетворення
На рис.9.4 показані структурні складові сталі:
А - аустеніт (твердий розчин вуглецю в у-Ре з максимальною роз-
чинністю 2,14 %, позначається ще у або Рс(С)):
Ф - ферит (твердий розчин вуглецю в а-Ре з максимальною роз-
чинністю 0,02 %, а або Реа(С); нагадаємо, що є ще високотемператур-
ний 8-фсрит (8-Рс). з максимальною розчинністю 0,1 % С);
Ц - цементит (хімічна сполука РезС з 6,67 % С);
П - перліт (механічна евтектоїдна суміш фериту та цементиту, мі-
стить 0,8 % С);
С - сорбіт (механічна суміш фериту та цементиту);
Т - троостит (механічна суміш фериту та цементиту);
М - мартенсит (пересичений твердий розчин вуглецю в а-Ре);
Б - бейніт (голчаста структура, яка являє собою суміш фериту та
цементиту надзвичайно малих розмірів (0,09... 0,08 мкм) та є результа-
том проміжного перетворення між дифузійним перлітним та бездифу-
зійним мартенситним).
РІерліт, сорбіт, троостит являють собою механічну суміш фериту
та цементиту. Вони відрізняються лише дисперсністю карбідної скла-
110
дової, тобто міжпластинчатою відстанню. При температурах перетво-
рення, вищих 650...670 °С (швидкість охолодження , рис.9.4), утво-
рюється найбільш груба суміш Ф+Ц з міжпластинчатою відстанню
0,5...0,7 мкм, яку називають перлітом. Сорбіт утворюється при тем-
пературах 640...590 °С та має міжпластинчату відстань 0,3...0,4 мкм.
Троостит утворюється при температурах 580...550 °С та має міжпла-
стинчату відстань 0,1...0,2 мкм. Такий поділ є умовним, оскільки дис-
персність фаз поступово зростає зі збільшенням ступеня переохоло-
дження сталі. Перетворення аустеніту в інтервалі температур Аг ...
... 550 °С називають перлітним (І на рис.9.4).
При утворенні перліту ведучою фазою є цементит, при збільшен-
ні кількості якого збіднюються сусідні ділянки аустенітного зерна.
Тому внаслідок дифузійного перерозподілу вуглецю поряд з пластин-
кою цементиту з’являється пластинка фериту.
Перліт має більший об’єм, ніж аустеніт, і по мірі розростання пер-
літної колонії в аустеніті виникають напруження, які призводять до
переміщення зерен.
Перлітне перетворення проходить у верхній частині діаграми
(вище 500 °С). У результаті розпаду аустеніту утворюється механічна
суміш фериту та цементиту, концентрація вуглецю в яких складає
0,02 % та 6,67 % відповідно. В аустеніті евтектоїдної сталі концентра-
ція вуглецю складає 0,8 % С, тобто вуглець виділяється з розчину і
перетворення є дифузійним. Чим менший розмір аустенітного зерна,
тим більша дисперсність перлітної структури та вищі механічні вла-
стивості металу.
Зі збільшенням ступеня переохолодження аустеніту зростає кіль-
кість зародків нових фаз, число ферито-цементитних пластинок збіль-
шується, а відстані між ними зменшуються. Утворенню більш дисперс-
них фаз сприяє також уповільнення дифузійних процесів з переохоло-
111
дженням. Це призводить до появи сорбіту та трооститу. В області пе-
рлітного перетворення найбільші пластичність та ударну в’язкість має
сорбіт.
Вище 500 °С швидкість дифузії ще достатня для утворення рівно-
важної концентрації вуглецю у фериті. При більш низьких температу-
рах (приблизно нижче 500 °С - температури мінімальної стабільності
аустеніту) швидкості дифузії малі і вуглець не встигає повністю виді-
литися з розчину, тому ферит містить 0,1...0,2 % С. Починаючи з цієї
температури і до температури Тп, перетворення називають бейнішним
або проміжним, тобто між дифузійним перлітним та бездифузійним
мартенситним (II на рис.9.4).
Найголовніша відмінність бейніту від перлітних структур - вміст
вуглецю у фериті. Розрізняють верхній бейніт, який утворюється по-
близу перлітного перетворення (при 400...500 °С), та нижній бейніт,
який утворюється поблизу мартенситного перетворення (при
7',, + (50... 100 °С)). Верхній бейніт має несприятливе поєднання меха-
нічних властивостей - малу міцність та низьку пластичність. Нижній
бейніт характеризується високою міцністю, пластичністю та в’яз-
кістю. Він за своєю будовою схожий на мартенсит, але поліморфному
перетворенню передує перерозподіл вуглецю в аустенітному зерні.
При високих ступенях переохолодження проходить бездифузійне
мартенситне перетворення аустеніту Реу(С) Реа(С) (III на рис.9.4).
Найменша швидкість охолодження, яка необхідна для утворення
структури мартенситу, називається критичною швидкістю гартуван-
ня (Цр на рис.9.4).
Перетворення починається та закінчується при певних фіксованих
температурах початку 7',, та кінця Тк. Перетворення не має інкубацій-
ного періоду та проходить тільки при безпосередньому охолодженні.
Швидкість перетворення дуже висока (дорівнює швидкості звуку в
сталі - 5000 м/с) і практично не залежить від температури. Від темпе-
ратури залежить ступінь перетворення.
112
При постійній температурі в інтервалі Тп...Т^ проходить швидке
перетворення певної долі початкової фази, після чого перетворення
припиняється. При подальшому зниженні температури утворені рані-
ше ділянки мартенситної фази не ростуть, але утворюються нові ді-
лянки.
Після закінчення мартенситного перетворення завжди залишаєть-
ся деяка кількість початкової фази, незважаючи на охолодження, ниж-
че температури Тк. Залишок початкової фази пов'язаний з високим
рівнем структурних напружень, які обумовлені найбільшим питомим
об'ємом мартенситу, порівняно з іншими структурами.
Мартенсит - метастабільна фаза з високою густиною дефектів
атомної будови, особливо дислокацій.
Діаграми перетворення аустеніту при охолодженні залежать від
хімічного складу і будуються для кожної сталі. Легуючі елементи, які
не утворюють карбідів, підвищують стабільність аустеніту. Тому лінії
перетворення аустеніту зміщуються вправо порівняно з вуглецевими
сталями при рівній концентрації вуглецю (рис.9.5,а).
Карбідоутворюючі елементи впливають складніше. Зони пер літ-
ного та бейнітного перетворень можуть розділятись, утворюючи дві
самостійні області мінімальної стабільності аустеніту (рис.9.5,б). При
цьому уповільнюється бейнітне перетворення.
Рис.9.5. Діаграма ІРА
вуглецевих та легова-
них сталей:
а - легуючі елементи не
утворюють карбідів; б -
легуючі елементи утво-
рюють карбіди
113
Вплив легуючих елементів на температуру початку мартенситно-
го перетворення показано на рис.9.6 [36].
При безперервному охолодженні, характерному для зварювання,
лінії перетворення аустеніту також зміщуються вправо порівняно з
діаграмами ІРА, як показано на рис.9.7.
Рис.9.6. Залежність температури по- Рис.9.7. Зміщення ліній перетворення
чатку мартенситного перетворення від аустеніту на діаграмах АРА (2) порів-
концентрації легуючих елементів няно з діаграмами ІРА (7)
З рис.9.7 видно, що на діаграмах АРА температура мінімальної
стабільності аустеніту зменшується на 55 °С, а мінімальний час охо-
лодження збільшується в 1,5 рази порівняно з діаграмами ІРА. Проте
ці значення дуже неточні і залежать від багатьох факторів. Тому для
регулювання структури металу зварних з'єднань необхідно мати діа-
граму АРА для зварюваної сталі. Результати досліджень, наведені в
п.9.2.1, свідчать про те, що на мартенситне перетворення впливає не
лише термічний цикл, а й деформації металу. Тому найбільш реаль-
ними є діаграми розпаду аустеніту, побудовані для умов термодефор-
маційного циклу зварювання.
На рис.9.8 показано діаграму АРА для сталі 10ХГ2СЧ, на якій роз-
глянуто діапазон швидкостей охолодження =100... 1,6 °С/с [10].
114
Рис.9.8. Термокінетична діаграма перетворення аустеніту металу шва типу
10ХГ2СЧ (температура нагріву 1350 °С. швидкість нагрівання 150 °С/с)
Перетворення аустеніту в металі шва типу 10ХГ2СЧ проходить у
мартенситній, бейнітній та феритній областях. Завдяки високій стій-
кості аустеніту сталі феритна область досить вузька. Ферит утворю-
ється тільки при швидкості охолодження Ж6/5 =1,6 °С/с (цифри 6/5 в
індексі відповідають сотням градусів Цельсія, тобто швидкість охо-
лодження в інтервалі температур 600... 500 Т'). При цій швидкості
утворюється 5 % фериту. Надалі утворюється 87 % бейніту та 8 %
мартенситу.
З рис.9.8 видно, що бейнітна та мартенситна області розділені
вузькою зоною відносної стабільності аустеніту, яка відсутня при
РГф , більших 36°С/с. При РГф = 100...2,7 °С/с перетворення про-
115
ходить тільки в бейнітній та мартенситній областях. Зі зменшенням
швидкості охолодження температура початку перетворення аустеніту
підвищується від 500 (при РГ6/5 =100°С/с) до 625 °С (при Ж6/5 трохи
менших від 2,7 °С), температура початку мартенситного перетворення
знижується з 400 до 390 °С, а кінця перетворення підвищується від
240 до 330 °С.
На лініях кінця феритного, бейнітного та мартенситного перетво-
рень цифрами позначено відсотки відповідних фаз у структурі, а на
лініях охолодження - твердість металу. Утворення тільки мартенситу
не зафіксовано навіть при швидкості охолодження 100 °С/с .
Для механізованого та ручного дугового зварювання характерні
швидкості охолодження РГф ^20°С/с та = 3°С/с відповідно. У
цих випадках у структурі присутні приблизно 29 та 20 % мартенситу,
а твердість складає НУ=315 та НУ=251 відповідно. Найвища твердість
металу досягає НУ=377 при И^5=100°С/с. Твердість мартенситу
визначається концентрацією вуглецю і мало залежить від концентрації
легуючих елементів.
На діаграмах термокінетичного розпаду аустеніту (АРА) темпера-
тури початку та кінця перетворень наносяться залежно від швидкості
охолодження в діапазоні температур 600...500 °С (^5) або часу охо-
лодження від 800 до 500 °С (ї8/5). Діаграми доповнюються даними про
склад структури 5Д та твердість залежно від або (рис.9.9) [33].
На діаграмі АРА фіксуються критичні значення м'8/,5 та і^5, які
відповідають появі 5 % мартенситу (РРМ1, ґм1), утворенню 90 % мар-
тенситу (1ДІ2, /М2), появі 5 % фериту та перліту (РГФШ, /ф Ш), утво-
ренню 100 % фериту та перліту (1РфП2, Іфпг)- Залежно від співвідно-
шення певної ШВИДКОСТІ охолодження і критичних швидкостей
116
можливі феритне, перлітне, бейнітне та мартенситне перетворення.
При > И\ц відбувається часткове мартенситне перетворення аус-
теніту, який залишився від попередніх перетворень. При > И\|2
відбувається тільки мартенситне перетворення. На рис.9.9 залишок
початкової фази позначено Ао.
Рис.9.9. Діаграми АРА сталі
типу 20ХГСА (а) та склад
структури (б):
^М2, ИАіЬ ЇРф.ПІ ~ ИАіЬ ЇРф.ГИ “
критичні швидкості охолодження
Залежно від внутрішньої будови розрізняють мартенсит двійнико-
вий та дислокаційний. Двійниковий мартенсит ще називають пластин-
чатим, голчастим та низькотемпературним. Дислокаційний мартен-
сит називають також пакетним, рейчастим, масивним, недвійниковим
та високотемпературним.
Двійниковий мартенсит утворюється в середньо- та високовугле-
цевих сталях, має форму пластин з двійниковими прошарками в серед-
ній частині. Пластична деформація аустеніту, яка обумовлює перебу-
117
дову ґраток, проходить шляхом утворення двійників. Периферійні ді-
лянки мартенситних пластин мають дислокаційну будову з густиною
дислокації 10 ... 10і" см 2. Пластинки мартенситу, які утворюються в
першу чергу при температурі початку мартенситного перетворення Тп,
проходять через все зерно аустеніту, поділяючи його на сегменти. На-
ступні пластинки утворюються під кутом 60 або 120° до раніше утво-
рених.
Залежно від величини зерна аустеніту мартенсит може бути круп-
ноголчастим, дрібноголчастим та безструктурним. В останньому ви-
падку голки не виявляються за допомогою оптичної металографії.
Дислокаційний мартенсит має форму приблизно однаково орієн-
тованих пластин шириною 0,1... 1,0 мкм, які утворюють пакет. Він
формується в низьковуглецевих легованих сталях. Пластична дефор-
мація аустенітного зерна при перебудові ґраток проходить шляхом
ковзання. Дислокаційний мартенсит характеризується складною будо-
вою та високою густиною дислокацій (до 1011... 1012 см 2).
Практично зразу після утворення мартенситу проходить процес в
напрямку досягнення більш рівноважного стану. Цей процес назива-
ють відпуском. Він супроводжується перерозподілом розчинних ком-
понентів, виділенням метастабільних і стабільних фаз та перегрупу-
ванням дефектів кристалічних ґраток. Швидкість відпуску залежить
від температури. Відпуск можливий також при завершенні охоло-
дження. Тоді його називають самовідпуском.
У результаті структурних перетворень у загартованій сталі зав-
жди виникають великі внутрішні напруження. Для отримання більш
рівноважного стану проводять відпуск шляхом нагріву сталі до темпе-
ратур, нижчих Ас .
При нагріванні загартованої сталі до Д. розрізняють чотири ос-
новних перетворення.
118
Перше перетворення при температурах до 200 °С. Починаючи з
80 °С до 200 °С, відбувається двофазний або гетерогенний розпад мар-
тенситу. В окремих ділянках мартенситу відбувається перерозподіл
вуглецю та утворюються зародки карбіду у вигляді невідокремлених
дуже тонких пластинок (у декілька атомних прошарків). Склад карбі-
ду позначають РехС. На різних ділянках мартенситу вміст вуглецю
неоднаковий.
Друге перетворення при 200...300 °С. Воно супроводжується по-
чатком відокремлення карбідів. Залишковий аустеніт переходить у
відпущений мартенсит.
Третє перетворення при 300...400 °С. При ньому весь надлишко-
вий вуглець виділяється з ґраток Реа(С), карбідні частки повністю ві-
докремлюються, набувають будови Ре3С та починають рости. Утво-
рюється високодисперсна суміш фериту і цементиту, яку називають
трооститом відпуску.
Четверте перетворення при температурах вище 400 °С. Воно су-
проводжується коагуляцією та ростом часток карбіду. При температу-
рах 550...600 °С розмір часток складає 0,1...0,2 мкм, структуру нази-
вають сорбітом відпуску. При температурах 650...700 °С розмір час-
тинок зростає до 0,3... 0,4 мкм, а структуру називають перлітом відпу-
ску або глобулярним перлітом.
Легуючі елементи не впливають на перше перетворення. Темпе-
ратура інших перетворень зростає, оскільки легуючі елементи підви-
щують стабільність аустеніту та карбідів.
Для більш чіткого уявлення про можливість використання діа-
грами АРА, показаної на рис.9.10, на рис.9.11 наведено структуру ме-
талу при різних швидкостях охолодження [39].
Сталь нагрівалась до температури 1000 °С, а потім охолоджува-
лась у воді (варіант 1), на повітрі (варіанти 2-4) та в печі (варіанти 5-
-12). Залежно від швидкості охолодження структура сталі змінюється
119
від мартенситної до ферито-перлітної. При цьому твердість металу
зменшується від 506 до 184 НВ.
Хвилини
Години
Рис.9.10. Діаграми АРА сталі з концентраціями, %:
0,25 С; 1,4 Сг; 0,5 та 0,25 V
Регулювання структури при зварюванні спрямовується на змен-
шення величини аустенітного зерна, кількості мартенситу, отри-
мання найбільш сприятливої внутрішньої тонкої структури продук-
тів розпаду аустеніту. Це досягається правильним вибором основно-
го металу, раціонального складу металу шва та термічного циклу
зварювання.
При виготовленні зварних конструкцій з високоміцних сталей (<т
до 2000 МПа) слід використовувати комплекснолеговані сталі з міні-
мально можливим вмістом вуглецю та з карбідоутворюючими моліб-
деном і вольфрамом. Зі сталей підвищеної міцності (ств до 800 МПа)
краще використовувати мікролеговані сталі з вмістом вуглецю до
0,1 % та дисперсійнозміцнюючими елементами (до 0,5 %: ніобій-
ванадій, молібден-ніобій-ванадій).
120
Зварювальний термічний цикл (ЗТЦ) визначає характер структури
після розпаду аустеніту. Найбільше впливають час перебування мета-
лу при температурі вище 1000 X (і>ю), що обумовлює перегрів мета-
лу і ріст зерна аустеніту, та швидкість охолодження при температу-
рах найменшої стійкості аустеніту (Ттт = 600...500 °С) або час пе-
ребування при температурах 800... 500 °С та Д5). Вплив цих
параметрів залежить від складу сталей, які за характером їх діаграм
АРА розподіляють на три групи.
Перша група включає сталі з низькою стабільністю аустеніту при
температурах ферито-перлітного перетворення (висока ІТФП1).
Друга група включає сталі з низькою стабільністю аустеніту при
температурах бейнітного перетворення (висока И/ФП2).
Третя група включає сталі з високою стабільністю аустеніту при
температурах перлітного та бейнітного перетворення (низькі И/ФП1 та
РРф । |Д(ія сталей першої групи (вуглецеві та низьковуглецеві без карбі -
доутворюючих елементів) найважливішим є параметр . У межах
практично всіх режимів зварювання можна отримати ферито-перлітну
або перлітно-бейнітну структуру, не схильну до холодних тріщин. Для
цього збільшують погонну енергію зварювання, проводять попередній
підігрів до 100...З00 °С.
Для сталей третьої групи (середньовуглецеві середньолеговані з
карбідоутворюючими елементами) при зварюванні характерне мар-
тенситне перетворення. Для них важливий параметр і>ю. Тому при
зварюванні ефективні зменшення погонної енергії, використання висо-
коконцентрованих джерел тепла та підігріву для сповільнення охо-
лодження та самовідпуску мартенситу.
Для сталей другої групи (низьковуглецеві середньолеговані) з
бейнітно-мартенситною структурою ефективний помірний попередній
підігрів до 80... 130 X, що сприяє самовідпуску мартенситу.
121
а
У воді, варіант 1.
Мартенсит.
НВ = 506
б
Стисненим повітрям, варіант 2.
Мартенсит.
НВ = 4І4
в
На повітрі, варіант 3.
Мартенсит та бейніт.
НВ = 367
У печі, варіант 5.
З % ферита. бейніт та мартенсит,
НВ=298
На повітрі, варіант 4
Бейніт та мартенсит.
НВ = 305
е
У печі, варіант 6.
5 % ферита. бейніт та мартенсит
НВ=29О
122
У печі, варіант 7.
15 % фериту. бейніт та мартенсит.
НВ = 286
ж
У печі, варіант 8.
45 % фериту. бейніт та мартенсит,
НВ = 259
і
и
У печі, варіант 9 (4 °С/хв).
55 % фериту. 15 % перліту. бейніт та
мартенсит. НВ = 218
У печі, варіант 10 (2 °С/хв).
55 % фериту, ЗО % перліту. бейніт та
мартенсит. ИВ = 195
і
У печі, варіант 11 (1,5 °С/хв).
55 % фериту. 45 % перліту,
НВ= 188
к
У печі, варіант 12(1 °С/хв).
55 % фериту. 45 % перліту.
НВ = 184
Рис.9.11. Мікроструктура сталі з концентраціями. %:
0.25 С; 1.4 Сг, 0,5 Мо та 0,25 V - при різних варіантах (швидкостях) охолодження
123
В усіх випадках ідеальним є зварювальний термічний цикл, при
якому метал швидко нагрівається та охолоджується при темпера-
турах, вищих А], та повільно охолов.жується в області бейнітно-
мартенситних перетворень (нижче Аф Такий цикл показано на
рис.9.12.
Рис.9.12. Зварювальні термічні
цикли:
а - ідеальний; б - при електроду-
говому зварюванні; в - при елект-
ронно-променевому зварюванні
Реальні цикли, близькі до ідеального, можна отримати з поперед-
нім підігрівом при електронно-променевому зварюванні та багатоша-
ровому дуговому зварюванні товстого металу. Опір сповільненому
руйнуванню сталі 42Х2ГСНМ при електронно-променевому зварю-
ванні в 3 рази більший, ніж при звичайному дуговому зварюванні під
флюсом [37].
Опір сповільненому руйнуванню сталей підвищується після елект-
рошлакового та електронно-променевого переплаву, що пов’язано з
хімічною та механічною однорідністю металу.
Одним з ефективних методів запобігання холодним тріщинам є
зварювання високопластичним аустенітнім швом (див. п.9.2.1). Тех-
нологія застосовується у випадках, коли немає необхідності в забезпе-
ченні рівної міцності зварних з'єднань і основного металу.
Запобіганню холодних тріщин сприяє зварювання попередньо на-
плавлених кромок аустенітним, феритним або тим же основним ме-
талом, що призводить до рівномірного розподілу неметалічних вклю-
124
чень у переплавленому металі. При зварюванні навколошовна зона від
наплавлення проходить відпуск, що теж зменшує небезпеку появи
тріщин.
Усі фактори, які сприяють упорядкуванню атомної будови ме-
талу на границях та залученню до пластичної деформації тіла зерна,
підвищують стійкість проти холодних тріщин. Чим менший перегрів
металу, вища температура мартенситного перетворення, менша
швидкість охолодження та вища пластичність мартенситу, тим
менша імовірність холодних тріщин.
Радикальним способом регулювання структури металу с терміч-
на обробка після закінчення зварювання до моменту появи холодних
тріщин. Це може бути час від декількох хвилин до декількох годин.
При виготовленні відповідальних важко навантажених конструкцій
проводять повну термічну обробку (гартування з наступним відпу-
ском) за режимами, встановленими для основного металу.
Якщо неможливо виконати повну термічну обробку конструкції,
то проводять високий або низький відпуск. Більш ефективний високий
відпуск (нагрівання до 600...650 °С), який запобігає мартенситному
перетворенню та повністю знімає зварювальні напруження.
Для малих товщин може бути достатнім місцевий короткочас-
ний відпуск 2... 5 хв.
Зменшення концентрації водню в основному металі
та в металі шва
Це ефективний шлях запобігання холодним тріщинам. Негатив-
ний вплив водню найбільш сильно проявляється при зварюванні ста-
лей з низьким вмістом вуглецю та легуючих елементів.
Зменшити концентрацію водню в зварних з'єднаннях можна шля-
хом обмеження доступу водню та водяної пари в зону зварювання,
зв’язування водню в нерозчинні гази, технологічними засобами тощо
(див. розд.4).
125
При підготовці до зварювання видаляють воду зі зварюваних та
зварювальних матеріалів. Вільна вода, яка може бути у вигляді тонко-
го шару на поверхні металу, видаляється в процесі нагріву до 100 °С.
Адсорбована або гігроскопічна вода також легко видаляється нагрі-
ванням до 105 °С. Кристалізаційна вода, яка входить до структури
кристалітів ряду хімічних сполук та мінералів, але принципово не змі-
нює форми зв’язків між іонами основної сполуки, потребує для вида-
лення більших енергетичних витрат. Для її видалення з кристалогідра-
тів досить нагріву до 200...400 °С. Для видалення конституційної во-
ди, яка змінює міжатомні зв’язки в сполуках і входить до гідратів ок-
сидів металів, потрібні значно вищі температури. Наприклад, гідрат
оксиду алюмінію А1(ОН)3 може втримувати певну кількість води до
1000 °С. Високу стійкість має гідрат оксиду кремнію. Погано видаля-
ється цеолітна вода, яка знаходиться в мікропорожнинах іонної кар-
касної структури мінералів-цеолітів у вигляді ізольованих молекул
води. Особливістю цеолітної води є те, що вона видаляється в широ-
кому інтервалі температур 200... 1100 °С. Тому залежно від складу
зварювальні матеріали прожарюють при різних температурах: елект-
роди з фтористо-кальцієвим покриттям - при 450...500 °С, з рутино-
вим - 200...400 °С, фтористо-кальцієві флюси - 900 °С, низькокрем-
нисті флюси - 600 °С протягом 3...5 год. Отже, температура прожа-
рювання флюсів залежно від їх основності складає 200...900 °С. Зва-
рювальні дроти очищають від мастил, забруднень тощо. При газоелект-
ричному зварюванні на концентрацію водню в металі впливає воло-
гість газу. Абсолютна вологість газу пропорційна його точці роси -
температурі, яку матиме газ, якщо його охолодити до стану насиченої
водяної пари. Зменшення точки роси нижче -40 °С вже не впливає на
вміст водню в металі шва. Слід відзначити, що при зменшенні в балоні
тиску вуглекислого газу його точка роси підвищується.
126
9.3 Визначення стійкості металу проти утворення
холодних тріщин
Існує багато способів оцінки схильності металу до холодних трі-
щин. Непрямі способи дають змогу одержати оцінку шляхом розрахун-
ків, в яких використовують відомості про хімічний склад, конструк-
тивні характеристики з’єднань, параметри режимів зварювання.
Прямі способи передбачають випробування при зварюванні або в
умовах, які імітують зварювальні. Критерії якісної оцінки не мають
кількісного вираження й оцінюють матеріали тільки як схильні або не
схильні до утворення тріщин, у той час як кількісні критерії мають
числові значення.
Розрахункові методи [15,18,19]
Оцінити схильність сталі до утворення холодних тріщин можна
шляхом розрахунку еквівалентної концентрації вуглецю Секв- Є багато
формул для розрахунку Секв, які відрізняються коефіцієнтами при зна-
ченнях концентрації легуючих елементів. У 1967 р. Міжнародним ін-
ститутом зварювання (МІЗ) для розрахунку еквівалентної концентра-
ції вуглецю в низьколегованих сталях рекомендовано формулу
„ „ Мп Сг + Мо + У Мі + Сп п/
Секв = С +---+-----------+-------- %.
екв 6 5 15
Якщо Секв < 0,40%, то сталь вважається не схильною до утворен-
ня холодних тріщин при зварюванні.
Широко відомий для низьколегованих сталей метод Д. Сефері-
ана метод розрахунку не лише Секв, а й температури попереднього пі-
дігріву Гид:
С:кв = Секв (1 + 0,005 5),
_ Мп + Сг № Мо „
де Секв = С Ч--------1---1---, о - товщина металу, мм, а член
9 18 13
0,005 5Секв враховує поправку на товщину металу:
127
7^ = 350^-0,25, °С.
Японськими дослідниками Іто та Бессіо для низьколегованих
конструкційних сталей запропоновано параметр Рт:
р -1"1
см 60
к
40000
Де [Н]д - вміст дифузійного водню, який визначається гліцериновим
методом, см3/100 г Ме (співвідношення з ртутним методом МІЗ:
[Н]д = 0,64-НМІЗ - 0,93); Рсм - еквівалент вуглецю:
,, Зі Мп + Си + Сг № Мо+У
Р =С + — +--------------+ — +--------+ 5В;
30 20 60 15
К — коефіцієнт інтенсивності жорсткості зварного вузла, [кгс/(мм-мм)],
який визначають залежно від товщини металу: К= к0Б, де 8 - товщина
листа, мм; к0 - коефіцієнт, який визначається силою переміщення
кромки з’єднання на 1 мм, віднесеною на одиницю товщини листа і
довжини шва.
Коефіцієнт к0 може бути розрахований або визначений експеримен-
тально [29]. Він має розмірність [кгс/(мм2-мм)] або [Н/(мм2-мм)]; для
різних за жорсткістю зварних з’єднань складає 20...400 кгс/(мм2-мм)
або 200...4000 Н/(мм2-мм) [15,19,29]. Для проби Теккен (буде розгля-
нуто далі) к0 = 69 кгс/(мм2-мм) = 690 Н/(мм2-мм). Залежності від роз-
мірності к0 коефіцієнт інтенсивності жорсткості К = к.:<5 має розмір-
К
ність [кгс/(мм-мм)], і тоді в рівнянні для Рю записується член ------
або [Н/(мм-мм)], і тоді в рівнянні для Рт записується член .
У суднокорпусних конструкціях найбільше значення К відносить-
ся до поперечних перебірок і складає близько 16000 Н/(мм-мм) [18].
Параметр Рт враховує еквівалент вуглецю, вміст дифузійного
водню та жорсткість конструкції. Сталь вважається схильною до хо-
лодних тріщин, якщо параметр Рт > 0,286, тобто критичне значення
128
Р*р = 0,286. Іноді використовують розрахунок лише еквівалента вуг-
лецю Рсм, значення якого для відсутності холодних тріщин повинно
бутиРсм <0,16 [15].
Величина Рт може використовуватись для призначення теплового
режиму зварювання. Наприклад, на рис.9.13 наведено критичне зна-
чення часу охолодження /|ф від 300 до 100 °С, яке виключає появу хо-
лодних тріщин при зварюванні низьколегованих мартенівських сталей
з міцністю 600... 800 МПа залежно від Ра [29].
Параметр Рю використовують також для визначення температури
7^=14407^-392 °С.
підігріву:
Рис.9.13. Рекомендований тепловий режим охолоджен-
ня від 300 до 100 °С в залежності від параметра Рт при
зварюванні низьколегованих сталей складу (%):
С 0,07...0,22; 8І0...0.6; Ми0.4... 1.4: Сг0...1.2;
№ 0...1.2; Мо 0...0.7; Сн 0...0.5; V 0...0.12; В 0...0.005;
N6 та Ті по 0...0.5; [Н]д = 1...5 см3/100гМе
Твердість зони термічного впливу також є одним з критеріїв, які
визначають можливість утворення холодних тріщин. Наприклад, якщо
твердість зони термічного впливу вища НУ = 350...400, то в структурі
металу наявна суміш твердих продуктів розпаду аустеніту (мартенсит,
бейніт, сорбіт), які мають схильність до утворення холодних тріщин.
Для сталей низьковуглецевих та низьколегованих максимальну
величину твердості можна розрахувати на основі хімічного складу
сталі:
НУтах = 90 + 1050С + 478І + 75Мп + З ОМ і + 3 ІСг,
де в рівняння підставляють концентрації хімічних елементів у відсотках.
129
Наведені формули не враховують всіх факторів, які визначають
стійкість проти холодних тріщин: вміст водню, внутрішні напружен-
ня, швидкість охолодження. Тому розрахункові формули удосконалю-
вались. Одну з таких формул запропонував Я.Бріссон. Параметр /'Л
стійкості проти холодних тріщин визначається з врахуванням дифу-
зійного водню та жорсткості конструкції, дійсної та критичної швид-
кості охолодження:
Ж
[Н]д ! К
10 5000’
Де [Н] - кількість дифузійного водню, см3/100 г; К = 668 - коефіці-
єнт інтенсивності жорсткості конструкції; РГ3 - дійсна швидкість охо-
лодження зони термічного впливу при 300 °С, яка розраховується за
формулами теорії теплових процесів зварювання; Ж - критична
швидкість охолодження, при котрій у зоні термічного впливу утворю-
ється чисто мартенситна структура. Ж визначається за діаграмою
АРА або розраховується за формулою
1§Жкр =3,0-(4,62С + 1,05Мп + 0,54№ + 0,50Сг + 0,66Мо) °С/с.
Кількість дифузійного водню можна розрахувати, прийнявши
[Н]д « 0,8[Н]. Кількість розчиненого водню в розплавленому залізі
можна знайти за рівнянням Сівертса або за емпіричним рівнянням
( Р„ 1745 ,
1§[Н] = 0,51§ - — + 0,888 [см3/100 г Ме],
яке справедливе до 2300 °С. У рівняння входить Т - температура, К, та
Тщ - парціальний тиск водню над металом, Па.
Орієнтовні значення парціального тиску водню в атмосфері дуги
залежать від способу зварювання і складають [15]:
130
зварювання покритими електродами
зварювання під флюсом
зварювання в СО2
зварювання в аргоні дротом
зварювання в аргоні вольфрамовим
електродом
- 0,0075 ат = 686 Па;
- 0,0050 ат = 490 Па;
- 0,0025 ат = 245 Па;
-0,0015 ат= 147 Па;
- 0,0005 ат = 49 Па.
Насправді реальний парціальний тиск, як і вміст в металі водню,
залежить від типу електродів, вологості зварювальних матеріалів, ре-
жимів зварювання та інших факторів, що детально досліджено в робо-
тах ІЕЗ імені Є.О. Патона.
Наведені вище дані про парціальний тиск водню дають уяву про
вплив способу зварювання на насичення металу воднем. Але значно
впливають і зварювальні матеріали. Наприклад, електроди з рудно-
кислим покриттям дають вміст водню 15...20 см3/100 г металу, рути-
новим карбонатним покриттям - 15...30 см3/100 г, фтористо-кальціє-
вим - до 5 см3/100 г.
При зварюванні у вуглекислому газі великий вплив має вологість
газу. Як правило, вміст водню в металі складає 2...5 см3/100 г. При чис-
тому дроті та достатньо сухому вуглекислому газі вміст водню може
складати 1,0... 1,5 см3/100 г, при зварюванні в аргоні - 1...2 см3/100 г,
під флюсом ОСЦ-45 - 4...8,5 см3/100 г. Мінімальний вміст водню дося-
гається при сухій грануляції крупнозернистого флюсу та зварюванні
постійним струмом оберненої полярності.
Сталь вважається не схильною до холодних тріщин, якщо пара-
метр < -0,5, при Р, = 0,3 імовірність холодних тріщин складає
50 %, а при Р > 1 уникнути тріщин неможливо без спеціальних захо-
дів.
Параметр Р8 у такому в явному вигляді не враховує фазовий склад
та напружений стан з’єднань, хоча з рис.9.3 видно, що чим більше на-
пруження, тим швидше руйнується метал. Разом з тим існує рівень
131
критичних напружень окр для даного матеріалу, при яких матеріал не
руйнується. У роботі [19] наведено запропоноване японськими дослід-
никами рівняння, яке визначає зв’язок між критичними напруженнями
о"’"1. хімічним складом сталі, параметрами термічного циклу зварю-
вання та вмістом водню:
о™11 = 86,3 - 211РСМ - 28,21§[Я +1] + 27.3 А/8/5 + 9,77 • 10“3 • А1100 ,
де РСм - еквівалент вуглецю за формулою Іто та Бессіо; Н - вміст ди-
фузійного водню, мл/100 г Ме; А18/5 - час охолодження від 800 до
500 °С; Аґ100 - час охолодження від температури плавлення до 100 °С.
Рівняння використовують для визначення критичних напружень,
пов’язаних з ризиком утворення поздовжніх холодних тріщин у коре-
невих швах та при 0,16 <РСМ < 0,28; 1,2 < Н< 28 мл/100 г;
2 < А18/5 < 5 с; А11оо = 58,5 - 1409 с. Для поперечних тріщин критичні
напруження будуть занадто низькими.
Розрахункова методика Е.Л. Макарова враховує структурний
стан металу, концентрацію дифузійного водню та рівень розтягуючих
зварювальних напружень 1-го роду. Всі три фактори визначаються
регресійними рівняннями.
Слід мати на увазі, що при розрахунках можна отримати лише
орієнтовну оцінку, оскільки на кінетичні параметри процесу перетво-
рення аустеніту та схильність до холодних тріщин впливає дуже бага-
то факторів.
Експериментальні методи
Схильність металу до холодних тріщин при застосуванні прямих
способів оцінюють на технологічних пробах лабораторного і галузево-
го призначення, а також за допомогою спеціальних механічних випро-
бувань зварних зразків досліджуваного металу, які пройшли нагрів за
термічними або термодеформаційними циклами зварювання (ЛГ11-2,
ЛТП-2 з модифікаціями, "Імплант", ТКС, ІМЕТ-4 та ін.).
132
Кожна проба передбачає використання одного або кількох факто-
рів, від яких залежить утворення холодних тріщин. Такими факторами
можуть бути: прискорення охолодження з метою підвищення ступеня
гартування, підвищений рівень напружень першого роду, підвищена
концентрація водню.
Різні проби мають неоднакову ефективність оцінки схильності
матеріалів до тріщин. Ефективність (або чутливість проб) характери-
зується можливістю відтворення тріщин у матеріалах з низькою
схильністю до них.
Експериментально вивчається кінетика перетворення металу ви-
сокотемпературних ділянок навколошовної зони зварюваної сталі на
окремих зразках при моделюванні термодеформаційних зварювальних
циклів. Будуються діаграми термокінетичного перетворення аустені-
ту, встановлюються залежності між структурою, твердістю, механіч-
ними властивостями і середньою швидкістю охолодження при 550 °С.
Розроблено також багато технологічних проб. Деякі з них розглянуто
в даному посібнику.
Метод "Імплант" або вставок. Цей метод запропонований Гран-
жоном у 1969 р. і широко застосовується до цього часу. Перевага цьо-
го методу полягає в тому, що для випробувального зразка потрібна
порівняно невелика кількість металу. Зразок-вставку показано на
рис.9.14.
Відповідно до рекомендацій МІЗ досліди проводять на цилінд-
ричному зразку-вставці, виготовленому з сталі, яка випробовується,
діаметром до 10 мм з надрізом. Зразки вставляють в отвір пластини
товщиною 20 мм із зазором 0,05...0,15 мм. На пластину наплавляють
шов і одночасно переплавляють верхню частину зразка. Наплавлення
виконують покритими електродами, у середовищі захисних газів або
під флюсом. Зварювальний термічний цикл регулюють, змінюючи по-
гонну енергію зварювання. За стандартний цикл прийнято цикл, при
133
якому ґ8/5 (час охолодження від 800 до 500 °С) складає 10 с. У процесі
охолодження в діапазоні 150... 100 °С зразки навантажують постійним
розтягуючим зусиллям з різною величиною напружень.
Рис.9.14. Зразок (а) для оцінки схильності до сповільненого руйнування ме-
талу методом вставок, пластина для зварювання (б) та схема навантаження
зразка (в) при випробуваннях
Під навантаженням зразки витримують 16 годин. У період випро-
бувань фіксують час повного руйнування зразків, а з незруйнованих
зразків після випробування вирізають поздовжні шліфи, які підляга-
ють металографічним дослідженням на наявність тріщин.
Руйнівні напруження розраховують відносно поперечного перері-
зу зразка в надрізі без урахування концентрації напружень. Цим мето-
дом знаходять критичні напруження і швидкість охолодження, при
яких не відбувається сповільненого руйнування металу.
Отримані таким чином результати наведено на рис.9.3.
Конструктивне оформлення обладнання для випробувань може
бути різним. Схеми установок, розроблених на кафедрі зварювального
виробництва УДМТУ доктором технічних наук Ю.М. Лебедєвим та
134
кандидатом технічних наук Л.П. Кравченком, показано на рис.9.15 та
9.16.
Установка (див. рис.9.15) має нижню плиту 1, на котрій встанов-
люються чотири стопки 2. На стопках жорстко закріплена верхня пли-
та 5. На верхній плиті 4 розміщується технологічна пластина 7, в отвір
якої вставляється зразок 8. Зразок частково переплавляється наплав-
ленням на пластину зварного шва 6. Наплавлення може виконуватися
зварювальною головкою під флюсом, у захисних газах або електрода-
ми. За допомогою гідравлічного домкрата 12 через шток 10 та захват-
ний пристрій 9 проводиться навантаження зразка, яке контролюється
манометром 3.
гп '°_________-5
Рис.9.15. Установка з гідравлічним
домкратом для випробувань на спо-
вільнене руйнування за методом
"Імплант":
1 - нижня плита; 2 - стойки; З - мано-
метр; 4 - верхня плита; 5 - зварюваль-
на головка; б - метал шва; 7 - пластина
для зварювання; 8 - зразок; 9 - захват-
ний пристрій; І0 - шток домкрата; 11 -
пружина; 12 - гідравлічний домкрат
Установка з механічним домкратом відрізняється лише принци-
пом навантаження зварного шва (див. рис.9.16).
Хрестова проба (Канада) - одна з широко використовуваних тех-
нологічних проб, що має різні варіанти. Зразок хрестової проби скла-
дається з трьох елементів, розміри яких показано на рис.9.17.
135
У хрестовій пробі Канади зварюють без зазорів хрестоподібне
з'єднання трьох пластин довжиною 150 мм. Всі поверхні доторкання
шліфують для забезпечення хорошого контакту, Чотири кутові шви
зварюють у послідовності 1...4 (рис.9.17) Температура зразка перед
зварюванням наступного шва не повинна перевищувати 28+3 °С.
Через 48 годин для зняття напружень
проводять відпал при температурі
595... 650 °С протягом двох годин. Потім
зразок розрізають на темплети шириною
15 мм, готують мікрошліфи для виявлення
тріщин у навколошовній зоні.
Рис.9.16. Установка з механічним домкратом
для випробувань на сповільнене руйнування за
методом "Імплант":
1 нижня плита: 2 - стопка; 3 - направляючі; -І -
реверс. 5 - зразок; 6 - гвинтовий домкрат; 7 - верхня
плита; 8 - динамометр
Результати вважають задовільними, якщо в швах / та 2 тріщини
відсутні.
У хрестовій пробі США дов-
жина зразків 300 мм, товщина
6...25 мм з різною шириною. Зі
зменшенням ширини пластин
кількість тріщин зменшується.
Рис.9.17. Зразок хрестової проби
(Канада)
В інших варіантах хрестової проби стійкість проти холодних трі-
136
щин оцінюють за температурою супровідного підігріву та часом ви-
тримки при цій температурі після зварювання.
У хрестовій пробі, розробленій в країнах СЕВ, розміри зразка змі-
нюються залежно від товщини металу. При товщинах до 15 мм дов-
жина пластин 150 мм, ширина горизонтальної пластини 150 мм, висо-
та вертикальних - 75 мм, катет шва 6...8 мм. При товщинах більше
15 мм розміри пластин збільшують в два рази, катет шва - 8... 10 мм.
Зразок збирають з використанням допоміжних швів, зварюють "у чов-
ник". Перед зварюванням кожного шва температура зразка повинна
бути однаковою. Кратери швів заварюють.
Найбільш інтенсивно тріщини утворюються в навколошовній зоні
шва 3. Це пояснюється найбільш жорстким для нього зварювальним
термічним циклом, оскільки тепловідтік відбувається у всі елементи
зразка, у тому числі через шви 1 та 2. Основний метал в зоні шва 3 до-
датково насичується воднем від шва 2. Часто тріщини виникають піс-
ля зварювання шва 4, накладання якого підвищує рівень напружень у
шві 3. Потім тріщини виникають у навколошовній зоні інших швів у
послідовності 4, 2 та 1.
Зварювання хрестової проби проводиться при різних початкових
температурах. Рекомендуються температури -40, -20, 0, 20, 75, 125,
150, 200, 250 °С.
Після зварювання зразки витримують на повітрі 24 години. Потім
вирізають темплети для мікроскопічного аналізу. Мікрошліфи протра-
влюють у 2...4 %-му розчині азотної кислоти в етиловому спирті. Мі-
крошліфи досліджують при не менше, як стократному збільшенні.
Основний якісний критерій схильності до тріщин - наявність чи
відсутність тріщин у пробі. За додатковий критерій приймають номер
шва, у навколошовній зоні котрого виникли тріщини, враховуючи
зменшення жорсткості умов у послідовності швів 3-4-2-1. Критерієм
є також мінімальна початкова температура проби, при якій не утво-
рюються тріщини.
137
Як показав досвід, для більшості сталей тріщини утворюються,
якщо в навколошовній зоні кількість мартенситу перевищує 30...60 %.
Проба Кіровського заводу до-
зволяє одночасно оцінювати стій-
кість металу проти гарячих та хо-
лодних тріщин. Схему зразка по-
казано нарис.9.18.
Рис.9.18. Зразок для оцінки стійкості
металу проти тріщин за методикою
Кіровського заводу
Наплавлення шва на пластину проводять при різних умовах: при
охолодженні знизу водою, на повітрі, з підігрівом до 100 °С, з підігрі-
вом до більш високих температур.
Після зварювання пластину витримують на повітрі 24 години та
досліджують, як і в хрестовій пробі, на наявність тріщин.
Проба Теккен використовується при зварюванні покритими елек-
тродами та в захисних газах. Це плоский прямокутний зразок
200x150 мм товщиною 12...40 мм з У-подібною розробкою кромок
(рис.9.19). Центральну канавку довжиною 80 мм (розтин А-А) зава-
рюють у режимах, які забезпечують товщину шва не більше 6 мм. Зра-
зок витримується після зварювання 20 годин.
Обов'язковою умовою виконання проби є наявність непровару в
корні шва для створення концентратора напружень. Тріщини утворю-
ються переважно в навколошовній зоні. Контрольний шов виконують
при різних температурах попереднього підігріву. Тріщини виявляють
різними методами контролю, у тому числі протравлюванням розчином
кислоти з наступним руйнуванням зразка, як у хрестовій пробі.
138
Основним критерієм схильності металу до тріщин є критична
швидкість охолодження при 300 °С або час охолодження від 800 до
500 °С, при яких з'являються тріщини в корні зварного шва.
Якщо тріщини не утворюються при наплавленні з охолодженням
200
пластин водою, то здатність металу
до зварювання вважається задовіль-
ною (доброю), якщо з підігрівом до
100... 150 °С - обмеженою, якщо з
підігрівом до більш високих темпе-
ратур - незадовільною (поганою).
Рис.9.19. Технологічна проба Теккен
Умови наплавлення пластин визначають як стійкість навколошов-
ної зони проти холодних тріщин, так і металу шва проти гарячих трі-
щин.
9.4 Методика роботи
1. Вивчити механізм утворення та засоби запобігання холодним
тріщинам.
2. Ознайомитися з методами та устаткуванням для випробувань
зварних з'єднань на схильність до холодних тріщин.
3. За вказівкою викладача визначити стійкість металу проти хо-
лодних тріщин розрахунковими методами.
4. Провести кілька пробних досліджень за методом "Імплант", ви-
користовуючи зварювання в захисних газах, прожареними та непро-
жареними електродами. Побудувати графіки опору металу сповільне-
ному руйнуванню.
139
5. За вказівкою викладача розрахувати режими зварювання і тем-
ператури попереднього підігріву сталей, які забезпечують стійкість
зварних з’єднань проти холодних тріщин.
6. Виконати зварювання однієї з технологічних проб з двох марок
сталей, які мають Секв > 0,4 % та різниця між ними в значенні Секв пе-
ревищує 0,2 %. Визначити стійкість металу проти холодних тріщин.
7. Визначити мікроструктуру та твердість металу за Віккерсом.
9.5 Устаткування та матеріали
1. Устаткування для випробувань на сповільнене руйнування.
2. Відповідні зразки досліджуваних сталей.
3. Пост ручного дугового зварювання.
4. Пост для зварювання в середовищі захисних газів.
5. Пост автоматичного зварювання під шаром флюсу.
6. Флюс ОСЦ-45 або АН-348А, прожарений протягом трьох годин
при температурі 350 °С.
7. Зварювальний дріт для автоматичного зварювання під флюсом
діаметром 3 мм.
8. Електроди УОНИ 13/45 та АНО-4 діаметром 4 мм, прожарені
протягом трьох годин при температурі 450 та 250 °С відповідно.
9. Зварювальний дріт діаметром 1,0... 1,6 мм для механізованого
зварювання в захисних газах.
10. Інструменти для зварювання.
11. Обладнання та реактиви для виготовлення мікрошліфів із гар-
тованих сталей.
12. Мікроскоп та прилад для визначення твердості за Віккерсом.
9.6 Аналіз результатів роботи
1. Проаналізувати наведені в роботі розрахункові та експеримен-
тальні методи визначення стійкості металу проти холодних тріщин за
можливостями врахування факторів, які впливають на утворення тріщин.
140
2. На підставі отриманих результатів визначити: вплив швидкості
охолодження і структури металу на опір сповільненому руйнуванню;
вплив водню на опір металу сповільненому руйнуванню; вплив попе-
реднього підігріву на утворення холодних тріщин; вплив хімічного
складу та структури металу на утворення холодних тріщин.
3. З’ясуйте, як узгоджуються результати Ваших досліджень з ре-
зультатами розрахунків.
4. Визначте, як впливає спосіб зварювання на опір металу спові-
льненому руйнуванню.
9.7 Контрольні питання
1. Схарактеризуйте механізм утворення холодних тріщин.
2. Які фактори впливають на утворення холодних тріщин?
3. Які способи запобігання утворенню холодних тріщин існують?
4. Дайте характеристику розрахунковим та експериментальним
методам визначення стійкості металу проти холодних тріщин.
5. Які структурні перетворення аустеніту гартованих сталей та
способи регулювання структури металу навколошовної зони існують?
6. Як розраховують режим зварювання та необхідну температуру
попереднього підігріву для гартованих сталей?
7. Яка роль діаграм АРА та як їх використовують при зварюванні?
10. ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСІВ ФОРМУВАННЯ З'ЄДНАНЬ
ПРИ ЗВАРЮВАННІ ТИСКОМ, ВЗАЄМОДІЇ ПРИПОЇВ
З ОСНОВНИМ МАТЕРІАЛОМ ТА ІНШИХ
ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ПРОЦЕСІВ ЗА ДОПОМОГОЮ
УСТАНОВКИ ІМАШ 20-78
Мета роботи', вивчити процеси формування з’єднань при дифу-
зійному зварюванні, взаємодію припоїв з основним металом, випробу-
141
вання на високотемпературну міцність металів, дослідити вплив де-
яких факторів на технологічну міцність та процеси високо темпера-
турного деформування та руйнування металів [8,9,34].
Завдання роботи', вивчити можливості застосування установки
ІМАШ 20-78 для дослідження високотемпературних процесів у мате-
ріалах; дослідити процеси формування фізичного контакту та рекри-
сталізації при дифузійному зварюванні; дослідити процеси змочуван-
ня та розтікання припоїв при паянні; дослідити процеси високотемпе-
ратурного руйнування металів.
10.1 Загальна характеристика установки ІМАШ 20-78
Установка призначена для прямого спостереження, фотографу-
вання, кінозйомки та відеозапису мікроструктури різних матеріалів
при нагріванні (охолодженні), розтягу (стисканні) у вакуумі або в за-
хисній атмосфері.
Установка дає змогу виконати мікроструктурний аналіз паралель-
но з дослідженням механічних властивостей матеріалів. Вакуумна
схема установки показана на рис. 10.1.
Установка має робочу вакуумну камеру 1, механічний форваку-
умний насос 8, паромасляний дифузійний насос 11, вакуумну систему
з високовакуумним затвором 4, балоном 10, азотним уловлювачем 5,
електромагнітними клапанами 7, 9, вентилями б, 12. Високовакуумний
затвор 4 не допускає потрапляння повітря в дифузійний насос при від-
критій робочій камері. Електромагнітний клапан 9 роз'єднує механіч-
ний та дифузійний насоси при створенні в робочій камері попередньо-
го вакууму та запобігає потраплянню в дифузійний насос повітря і
масла від механічного насосу. Азотний уловлювач не допускає попа-
дання в вакуумну камеру парів масла з дифузійного насоса та сприяє
підвищенню вакууму. Роз'ємні з'єднання в камері та вакуумній системі
мають ущільнення з вакуумної гуми та фторопласту.
142
Термопарний манометр використовується для вимірювання ваку-
уму до 10-1 Па, а іонізаційний - для більш високого вакууму. Ручний
вентиль 12 служить для впускання повітря в робочу камеру при під-
йомі кришки вручну та для напуску газу при роботі в захисних сере-
довищах.
Рис.10.1. Вакуумна схема установки ІМАШ 20-78:
1 - робоча вакуумна камера; 2 - іонізаційний манометр; З - термопарний манометр; 4 -
високовакуумний затвор; 5 - азотний уловлювач; б - вентиль відкачки повітря з камери
форвакуумним насосом; 7 - електромеханічний клапан напуску повітря в форвакуум-
ний насос; 8 - механічний форвакуумний насос; 9 - електромагнітний клапан відкачки
повітря з дифузійного насосу; 10 - форвакуумний балон; 11 - дифузійний вакуумний
насос; 12 - ручний вентиль напуску повітря або захисного газу в робочу камеру
Дистанційне керування та нормальна робота установки забезпе-
чуються системами управління, блокування і сигналізації.
Навантаження зразків при дослідженнях забезпечується наванта-
жувальною системою, кінематична схема якої зображена на рис. 10.2.
Навантаження зразків може бути з постійним моментом, з постійною
швидкістю або за програмою.
Від електродвигуна постійного струму З обертання передається
на коробку швидкостей 2, а потім через шестірні 1, 12 і ланцюги 4, 11
143
- на навантажувальні гайки 5, 10, де обертальний рух перетворюється
на поступальний. Навантаження на зразках 14 передається за допомо-
гою тримачів 13,15 і тяг 7, 8 через датчики 6, 9. Датчик 6 є вимірюваль-
ним і підключений до силовимірювальної системи установки, а датчик
9 встановлено для компенсації осідання датчика 6.
Рис. 10.2. Кінематична схема навантажувальної системи:
1,12— ведучі шестірні; 2 - коробка швидкостей; З - електродвигун; 4,11- ланцюги;
5,10- навантажувальні гайки; 6, 9 - силовимірювальні датчики; 7,8 - тяги; 13,15 -
тримачі зразка; 14 - зразок; 16- робоча вакуумна камера
Система навантаження дозволяє змінювати швидкість деформації
зразка у дуже великому інтервалі - від 0,0152 до 3260 мм/год.
Установка дозволяє проводити дослідження як при розтягуванні,
так і при стисканні зразка, що значно розширює межі її використання.
Електрична схема та вимірювальні системи установки дозволя-
ють записувати температури, відносну зміну електричного опору, на-
вантаження та деформації зразка. Установка має систему відеозапису
та відтворення зображення на телеекрані.
Основні технічні дані установки:
вакуум при роботі без охолодження уловлювача рідким
азотом. Па, не більше 6,6 • 10 ;
вакуум при роботі з охолодженням уловлювача рідким азо-
том, Па, не більше 1.33 • 10 ;
144
збільшення мікроскопа, крат 50...410;
випробувальне навантаження, Н (кг) 98.. .4900
(10...500);
натікання повітря в робочу камеру, Па-л/с, не більше 6,6 • 10 3;
похибка вимірювання навантаження, %, не більше
при дискретному управлінні ±5,
при програмному управлінні ±10;
похибка запису навантаження та загальної деформації зраз-
ка, %, не більше ±2;
похибка вимірювання деформації зразка в робочій зоні, мм,
не більше 0,01;
похибка вимірювання температури зразка при нагріванні,
%, не більше ±1Л ;
максимальна температура нагрівання випробуваного зразка
(регулювання безступеневе), °С, не більше:
пропусканням електричного струму 1500,
радіаційним методом 1200;
температура охолодження зразка, °С, не більше -50;
геометричні розміри зразків, не більше:
робочий переріз, мм2 9,
загальна довжина, мм 75;
похибка підтримання та регулювання температури зразка
при нагріванні, %, на більше:
при дискретному управлінні ±1,
при програмному управлінні ±5 ;
похибка вимірювання температури зразка при охолодженні,
%, не більше ±4.
10.2 Дослідження процесів формування з’єднань при
дифузійному зварюванні
При дифузійному зварюванні умовно можна виділити три стадії
утворення з’єднань: утворення фізичного контакту, активація поверх-
ні з’єднання та об’ємна взаємодія зварних зразків [9,34]. У процесі
утворення фізичного контакту відбувається пластична деформація ме-
талу в зоні зварювання. У першу чергу проходить зім'яття мікрови-
145
ступів, що можна спостерігати на установці ІМАШ 20-78. Для цього
слід підготувати два циліндричні зразки, як показано на рис. 10.3.
58Ї1
робоча довжина 25 5
»5.5±О.
Рис. 10.3. Зразки для дослідження
процесів утворення з’єднань при
дифузійному зварюванні
29±0,5
Поверхні, що підлягають зварюванню, шліфують таким чином,
щоб напрям шліфування був перпендикулярним до поверхні шліфа, на
якому спостерігають за утворенням контакту і зміною структури ме-
талу під впливом термодеформаційного циклу. Зразки фіксують один
відносно одного з допомогою точкового приварювання фольги до
обох зразків на конденсаторній машині. Фольгу розміщують таким
чином, щоб вона не заважала спостереженням за шліфом. При цьому
поверхні шліфів обох зразків мають бути в одній площині. На кожно-
му зразку на шліфі мають бути позначки, зроблені з допомогою мікро-
твердоміра. Вони призначені для спостереження за зміною відстані
між ними при зварюванні. Ці позначки також фіксують одне і те ж
поле спостереження за мікроструктурою. Після цього встановлюють
термопари та закріплюють зразки в затискачах установки. Після гер-
метизації камери в ній створюють вакуум КГ1... 10 2 Па. Потім зразки
нагрівають до температури (0,7...0,8)7^ і стискують. Напруження має
бути меншим, ніж границя плинності зварюваного металу.
Основними параметрами режиму дифузійного зварювання є тем-
146
пература, тиск та час зварювання [8,9]. Ці параметри визначають
утворення фізичного контакту та об'ємну взаємодію з'єднуваних де-
талей. Утворення фізичного контакту відбувається за рахунок дефор-
мації повзучості. На усталеній стадії повзучості її швидкість визнача-
ється рівнянням
г = Врт^\-^\,
де є - швидкість повзучості, Еи - енергія активації повзучості; Т -
температура, К; К - універсальна газова постійна; р - тиск на деталі
(напруження); В, тп - постійні повзучості даного матеріалу. Залежно
від способу підготовки поверхонь з'єднуваних деталей для утворення
фізичного контакту необхідна певна величина пластичної деформації
є. Тоді час утворення фізичного контакту
<ф = •
Якщо в це рівняння підставити є , то всі три параметри режиму і,
Т, р будуть зв'язані, але для кожного матеріалу необхідно знати Еп, В
т. Вони визначаються за допомогою установки ІМАШ 20-78.
Одним з експериментальних методів визначення енергії активації
повзучості є метод малих скачків температури, при якій проводять
випробування на повзучість. Схему зміни параметрів повзучості пока-
зано на рис. 10.4.
Рис. 10.4. Схема зміни параметрів
процесу повзучості при визначен-
ні енергії активації на установці
ІМАШ 20-78 за методом малих
скачків температури
Зразок деформують при постійному напруженні і температурі ,
147
до певної величини деформації. Потім температура різко змінюється
до Т2. За співвідношенням швидкостей деформації перед зміною та
після зміни температури визначають енергію активації повзучості:
А =----—— • о —
ЬП гті гті ’
Т2~Т\ Єї
де є,, є2 - швидкість повзучості при температурах Т\ і Т2 відповідно.
Після визначення енергії активації повзучості та швидкості пов-
зучості при різних температурах легко можна знайти параметри пов-
зучості В, тп, розв’язавши систему рівнянь для двох температур.
Мікроструктура металу при зварюванні безперервно записується
на відеоплівку. За структурою можна спостерігати на екрані телевізо-
ра та записати пластичну деформацію металу на папері. Ці спостере-
ження дають змогу оцінити повзучість та рекристалізацію металу.
Змінюючи умови деформації та рекристалізації, можна дослідити
вплив різних факторів на процес утворення з’єднань при дифузійному
зварюванні.
Найкраще використовувати для досліджень зразки з аустенітної
хромонікелевої сталі.
10.3. Дослідження процесів розтікання припоїв при паянні
та високотемпературного руйнування металів
Для дослідження високотемпературного руйнування використо-
вують зразки, показані на рис. 10.5. Для спостереження за структурою
на поверхні зразка роблять мікрошліф. Зразки краще виготовляти з
аустенітної або аустенітно-феритної сталі. Руйнування зразків прово-
дять при температурах 1000... 1250 °С.
При цьому цікаво порівняти руйнування металу у вакуумі та в
умовах змочування поверхні металу припоями або сульфідом заліза.
Відомо, що при наявності розплаву сульфіду заліза проявляється
ефект адсорбційного зниження міцності та пластичності металу.
148
Ефект проявляється більш різко, якщо змочування металу та швид-
кість змочування більші.
Рис. 10.5. Зразки для дослідження високотемпературного руйнування металів
Для спостереження за змочуванням та розтіканням розплавів по-
верхні твердого металу краще використовувати зразки тієї ж форми,
які показані на рис. 10.5, але які ширші при тій же площі перерізу.
На поверхні зразка розміщують кілька десятків мг припою і на-
грівають зразок. За розтіканням краплі спостерігають на екрані телеві-
зора або фотографують. Далі можна побудувати графік г2 = /(ї), де
г - радіус краплі, і - час. У роботі слід користуватися зразками з міді
та олов'яно-свинцевими припоями. При цьому можна дослідити вплив
способів підготовки поверхні на розтікання припоїв [8].
Робота № 10 призначена здебільшого для виконання досліджень
за індивідуальним завданням (наприклад, дослідження повзучості та
релаксації напружень у металі).
149
10.4 Методика роботи
1. Вивчити принципову будову та можливості застосування
установки ІМАШ 20-78.
2. Вивчити методику дослідження за допомогою установки про-
цесів формування з'єднань при зварюванні тиском.
3. Розглянути та проаналізувати відеоматеріали, отримані на
установці при дослідженні процесів деформування та рекристалізації
металу при дифузійному зварюванні.
Лабораторні роботи на установці ІМАШ 20-78 вимагають досить
високої кваліфікації, тому проводяться лише за участю спеціаліста.
10.5 Контрольні питання
1. Яке призначення установки ІМАШ 20-78?
2. Яка принципова будова установки ІМАШ 20-78?
3. Розкажіть про методику дослідження процесів дифузійного
зварювання.
4. Як змінюється структура металу в зоні етика при дифузійному
зварюванні?
5. Як впливає деформація металу на процеси рекристалізації?
150
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.В. Теория свароч-
ньіх процессов. - К.: Вища школа, 1976. - 424 с.
2. Влияние временньїх сварочньїх напряжений на сопротивляе-
мость соединений образованию холодних трещин / А.М. Макара,
В.Г. Гордонньїй, Д.П. Новикова и др. // Автоматическая сварка. - 1968.
-№7. -С.1-4.
З. Влияние приложенньїх сил и моментов на напряжения и проч-
ность свариваемьіх закаливающихся сталей / Н.Н. Прохоров,
Н.Никол. Прохоров, С.С. Самотохин и др. //Автоматическая сварка. -
1975,-№4,-С.1-4.
4. ГанзС.Н., Пархоменко В.Д. Получение связанного азота в
плазме. - К.: Вища школа, 1976. - 190 с.
5. Голобородько Ж.Г., Квасницкий В. В. Исследования плазмен-
ной резки в плазмообразующих средах с добавлением води // 36. наук,
праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - № 5,- С.
6. Горячие трещиньї при сварке жаропрочньїх сплавов
/ МХ. Шоршоров, А.А. Ерохин, Т.А. Черньїшова и др. - М.: Машино-
строение, 1973. - 224 с.
7. Гуляев А.П. Металловеденне. - М.: Металлургия, 1986. - 542 с.
8. Квасницкий В. Ф. Сварка и пайка жаропрочньїх сплавов в судо-
строении. - Л.: Судостроение, 1986. - 224 с.
9. Квасницкий В.Ф. Специальньїе способи сварки и пайка в судо-
строении. - Л.: Судостроение, 1984. - 224 с.
10. Кинетика превращения аустенита зкономнолегированного
металла швов с пределом текучести 600...800 МПа / Л.П. Миходуй,
В.Г. Васильєв, Т.А. Корниенко и др. // Автоматическая сварка. - 1996. -
№ 11. - С.3-10.
11. КохБ.А. Основи термодинамики металлургических процес-
сов сварки. - Л.: Судостроение, 1975. - 240 с.
151
12. Кохликян Л.О. Исследование характера пористости швов по-
сле воздушно-плазменной резки сталей // Тр. ВНИИ Автогенмаш
"Термическая резка и газопламенная обработка металлов". 1976. -
С.24-37.
13. Кустанович И.М. Спектральний анализ. - М.: Вьісшая шко-
ла, 1962.-214 с.
14. Лакомский В.И., Григоренко Г.М. О поглощении водорода и
азота металлом при злектродуговой сварке // Автоматическая сварка.
- 1964-№ 11.-С.1-8.
15. Лебедев Б. Д., Перемитько В.В. Расчетньїе методи в сварке
плавлением. - Днепродзержинск: Днепродзерж. гос. техн. ун-т, 1998. -
285 с.
16. Лебедев Ю.М., Кравченко Л.П., ДанилюкН.М. Влияние со-
става металла шва на образование реактивних напряжений при сварке
стали 40Х // Автоматическая сварка. - 1978. - № 3. - С.34-36.
17. Макара А.М., Мосендз Н.А. Природа влияния металла шва на
образование трещин в околошовной зоне // Автоматическая сварка. -
1964. -№9. -С.1-5.
18. Макаров З.Л. Холоднне трещинн при сварке легированннх
сталей. - М.: Машиностроение, 1981. - 248 с.
19. Махненко В.И. Компьютерное моделирование сварочннх
процессов. // Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя - К.: Наукова
думка, 1998.-С. 108-124.
20. Морозов А.Н. Водород и азот в стали. - М.: Металлургия,
1960.-282 с.
21. Новожилов Н.М. Основи металлургии дуговой сварки в ак-
тивних защитннх газах. - М.: Машиностроение, 1972. - 167 с.
22. Новий метод определения содержання диффузионного водо-
рода в металле / И.К. Походня, А.П. Пальцевич, В.И. Швачко и др.
// Автоматическая сварка. - 1974. - № 3. - С.10-12.
152
23. ПетровГ.Л., ТумаревА.С. Теория сварочньїх процессов. -
М.: Вьісшая школа, 1967. - 344 с.
24. Підгаєцькиїї В.В. Пори, включення і тріщини в зварних швах.
-К.:Техніка, 1970. - 224 с.
25. Походня И.К., Демченко Л.И., Шлепаков В.Н. О механизме
образования пор в сварньїх соединениях // Автоматическая сварка. -
1978. -№6. -С.1-5.
26. Походня П.К., Махненко В.П. О кинетике образования пор в
сварньїх швах // Автоматическая сварка. - 1971. - № 7. - С.7-9.
27. Походня И.К. Проблема сварки вьісокопрочньїх низколегиро-
ванньїх сталей // Сучасне матеріалознавство XXI сторіччя. - К.: Нау-
кова думка, 1998. - С.31-69.
28. Растровая злектронная микроскопия и рентгеновский микро-
анализ І Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Зчмен и др.: В 2 кн: Пер. с
англ. - М.: Мир, 1984. Кн.1. - 303 с; Кн.2,- 348 с.
29. Сварка в машиностроении: Справочник: В 4 т. - М.: Маши-
ностроение, 1978- Т.1. - 504 с; 1979. - Т.З. - 567с.
ЗО. Структура, механические свойства и сопротивляемость за-
медленному разрушению сварньїх соединений вьісокопрочной стали
ВС-4 / В.Ф. Мусияченко, Л.П. Миходуй, С.Л. Жданое и др. // Автома-
тическая сварка. - 1987. - № 12. - С.3-7.
31. Тауре Л. Ф. Атлас спектральних линий для анализа с помо-
щью стилоскопа. - Рига: Изд-во АН Латв.ССР, 1957. - 105 с.
32. Теоретическая и прикладная плазмохимия / Л. С. Полак,
В.А. Оесянникое, Д.П. Слоеецкий и др. - М.: Наука, 1975. - 304 с.
33. Теория сварочньїх процессов: Учеб. для вузов по спец. "Обо-
руд. и технология сварочного пр-ва" / В.Н. Волченко, В.М. Ямполь-
ский, В.А. Винокурое и др.; Под ред. В.В. Фролоеа. - М.: Вьісшая шко-
ла, 1988. - 599 с.
153
34. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки
/ В.А. Бачим, В.Ф. Квасницкий, Д.И. Котельников и др.; Под общ. ред.
В.А. Бачина. - М.: Машиностроение, 1991. - 352 с.
35. Технологические особенности и опьіт внедрения сварки в
смеси газов на основе аргона / Н.П. Ращупкин, КВ. Лялин, С.А. Муля-
рова и др. // Сварочное производство. - 1981. - № 5. - С.13-15.
36. Технология металлов и материаловедение / Б.В. Кнорозов,
Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. - М.: Металлургия, 1987. - 800 с.
37. Технология злектрической сварки плавлением / Под ред.
акад. Б.Е. Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.
38. РокИосІпуа І.К.. Віерапуик8.М., Бкуаскко VI. Коїе о£ Істрсга-
Іигс іп Ііус1го§сп ІПСІИСССІ сгаскіп§ о£ зітсіигаї зіссіз ап<1 \\сіс1сс1 іоіпіз
// ТІїс Раіоп \¥е1сііп§ ІоигпаІ. - 2000. - № 2. - Р.2-7.
39. Бсіштапп. Мейа1о§гар1ііе. - Беіргід: Осиїзсіїсг Уег1а§ £йг
СгипсІзІоІТіпсІизІгіс. 1990. - 764 р.
154
Додаток 1
Дуговий спектр заліза
Примітка Верхній знімок з пропусканням 100 "и. нижній 25.12 "о
Я
Рис, 1. Спектр заліза в області 3889 ..3948 А
Рис , 2. Спектр заліза в області 3940 . ,4009 А
155
Я 5ї
й «
Рис.3. Спектр заліза в області 4005 . 4078 А
Рис.4. Спектр заліза в області 4062.4150 А
156
Рис.5. Спектр залі за в області 4143. 4235 А

Рис 6. Спектр заліза в області 4217.. .4315 А
157
Рис.7. Спектр заліза в області 4302...4422 А
Рис 8, Спектр заліза в області 4401, 4531 А
158
• • < »
Рис . 9. Спектр заліза в області 4514 . .4668 А
Рис. 10 Спекір заліза в області 4637.. 4802 А
159
І • • • • (
і в з г> &
Рис. 11. Спектр заліза в області 4772.. .4965 А
Рис. 12 Спектр заліза в області 4946,, 5208 А
160

Рис. 13. Спектр заліза в області 5162... 5466 А
। і і і •
* >н е а
Рис. 14 Спектр заліза в області 5406,, 5775 А
161
КМК
Рис. 15. Спектр заліза в області 5709...6191 А
Рис. 16 Спектр заліза в області 6102.. 6678 А
162
Додаток 2
Визначення в сталях легуючих елементів з мідним електродом
Визначення марганцю
Сталь РФ-1
Х12М
Вуглецева сталь
Ре
а) Група ліній Мпі в області спектра 4754...4871 А
(зеленувато-голуба область)
ІІІІІІІІІІІІІІІІІ ІІІІІІІІІ II
Н—
Високомарганцева
сталь
ЗХН12Г
Ре
ии іс
б) Група ліній Мп2 в області спектра 5498...5516 А
(жовта область)
Оцінки для визначення вмісту марганцю: Мщ та Мп2
Назва групи Вміст марганцю. % Оцінка інтенсивностей
Мгі| до 0,15 1<2; 5<6
Ми, 0,2...0,5 1<2; 5>6
Мпі 0,5...0,7 1=2
Ми, 1.0 і більше 1>2; 1<3
Мп2 Близько 3,0 1<2
Мп2 7,0 1=3
Мп2 14.0 1>3
Примітка. Номер лінії елемента підкреслено двічі, номер лінії порівняння - один раз.
163
І 1111
ІІІІІІІІІІ
в) Група ліній Мп3 в області спектра 6000...6027А
(червона область)
Автоматна
сталь
Ре
ШИВ
±і Е
г) Група ліній Мп4 в області спектра 4451.. .4454 А
Сталь ХГ
Ре
(фіолетово-голуба область)
Назва групи Вміст марганцю Оцінка інтенсивностей
Мп3 0,2 2 <6
Мп3 0,25 2>6
Мпз 0,3 3<6; 2>6
Мпз 0,35 3=6
Мпз 0,4 3>6; 2<4
Мпз 0,5 3>6; 2<4
Мпз 0,6 3<4; 2>4
Мпз 0,7 3=4
Мпз 1,0 1=5
Мгі| 0,6 1<2
Мгі| 0,7 1<2
Мгі| 0,9 1>2
Мщ 1,0 1>2
164
Визначення кремнію
а) Група ліній 8і2 в області спектра 3904...З906А
(фіолетова область)
б 5
7 з
Сталь
9ХС
Ре
б) Група ліній 8і2 в області спектра 6347...6421А
(червона область)
Оцінки для визначення вмісту кремнію: 8і, та 8і2
Назва групи Вміст кремнію. % Оцінка інтенсивностей
8іі 1.1...1.2 1=2; 1<3
8іі 1.2...1.4 1>2; 1=3
8іі 1.5...1.6 1>2; 1>3
8іі 1.7...1.8 1»2; 1>3
8іі 1.8...2.0 1»3
8і2 0.1...0.15 1<3
8і2 0.3 1=4
8і2 0.6 1=6;2=3
8І2 1.2...1.4 1>6; 2<7
165
Визначення молібдену
ІІІІІІІІІІІІІІІІІІИІІІІІИІІІІІІ,
ЩНІ
Складнолегована
сталь
Сталь Х12М
Ре
а) Група ліній Мої в області спектра 5498... 587 А
(жовта область)
НЦІІІ
Сталь
9ХС
Ре
б) Гру па ліній Мо2 в області спектра 6027... 066 А
(червона область)
Оцінки для визначення вмісту молібдену: Мо, та Мо2
Назва групи Вміст молібдену, % Оцінка інтенсивностей
Мої До 0,15 1<2
Мої 0,15...,30 1=4; 3<7
Мої 030...,60 1<6; 3<6
Мої 0,6...,2 1<5; 3=6
Мої Більше 1,2 1>5; 3>6
Мо2 0,25 1=4; 1<2
Мо2 0,30 1>2; 1<3
Мо2 0,50 1<3
Мо2 0,70 1<3
Мо2 >1,2 1>3
166
Визначення нікелю
Сталь Х18Н9Г
18ХНВА
Ре

а) Група ліній №і в області спектра 4707...4721 А
(зеленувато-голуба область)
ИІ
Сталь
4Х12Н14В2М
Ре
б) Група ліній №2 в області спектра 5079... 5080 А
(зелена область)
Оцінки для визначення вмісту нікелю: та №2
Назва групи Вміст нікелю. % Оцінка інтенсивностей
0.03....05 1 <6
0,06...,1 1 <6
0,1....2 1 = 6
0,25 1 >6; 1 <4
0,5 1 <4
1,5 1 = 5
3,0 1 >5; 1 <3
№2 1,5 1. рідко спалахує
№2 3,0 1 < 2, рідко спалахує
№2 10 1 = 2, дуже часто спалахує
№2 15...20 1 > 2, без спалахів
167
Визначення хрому
а) Група ліній С.’Г| в області спектра 5199...5208 А
(зелена область)
3~
б) Група ліній Сг3 в області спектра 4636.. .4655 А
(голуба область)
Оцінки для визначення вмісту хрому: Сг, та Сг3
Назва групи Вміст хрому, % Оцінка інтенсивностей
Сп 0,05 1 = 4
Сп ОД 1 <3
Сп 0,2 1>3
Сгз 0,05 1, немає
Сгз 0,1 1 «3; 1<5
Сгз 0,2 1<3; 1>5
Сгз 0,3 1 = 3
Сгз 0,4 1>3
168
|Ц|ЦН
в) Група ліній Сг4 в області спектра 5406...5415 А
(зеленувато-жовта область)
Сталь ХВГ
Ре
ЩіІІІІІІ
Сталь ЗИ262
Ре
5
г) Група ліній Сг7 в області спектра 5324...5371 А
(зеленувато-жовта область)
Оцінки для визначення вмісту хрому: Сг4 та Сг7
Назва групи Вміст хрому, % Оцінка інтенсивностей
Сг4 1,0 1=2
Сг4 2,5 1 = 3
Сг4 5,0 1>4
Сг7 0,3 1 = 7
Сг7 0,4 1>7
Сг7 0,7 2 = 7
Сг7 1,0 1...6;2>7
Сг7 1,5 1 <5; 1 >6;2>7
Сг7 2,5 2 = 6
Сг7 5,0 1 > 8; 2 = 5
Сг7 10,0 1 = 4:2 = 8
Сг7 20,0 1>4;2<4
Сг7 30,0 1 > 4; 2 > 4
169
Визначення титану
ІІІІІІІІІ
7"
з ч
2
Група ліній Тії в області спектра 4991.. .5006 А
(зелена область)
Оцінки для визначення вмісту титану: Тіг та Ті2
Назва групи Вміст титану, % Оцінка інтенсивностей
Тії 0,03 2, ледве помітна
Тії 0,05 1 = 3; 2, чітко видно
Тії 0,01...0,15 1 >3
Тії 0,3 2<4
Тії 0,35 2 = 4
Тії 0,8 2 = 5
Тії 1,0...1,5 2>5
Визначення ванадію
IIIІІІІІІІІІ НІНІ
о) Група ліній Уі в області спектра 4376...4395 А
(фіолетово-голуба область)
Х12М
Низьколегована
сталь
Ре
170
б) Група ліній У2 в області спектра 6213.. .6253 А
(червона область)
ЗИ378
Ре
в) Група ліній У3 в області спектра 4871.. .4878 А
(зеленувато-голуба область)
РФ-1
Оцінки для визначення вмісту ванадію: Уі, У2 та У3
Назва групи Вміст ванадію. % Оцінка інтенсивностей
Уі 0,15 1=4
У1 0,30 2 = 4
У1 0,50 3=4
У2 1,0...1,5 1 = 5:2 = 3
У2 2,0...2,5 1 > 5; 2 = 4
Уз 0,8 1=2
Уз 1,0...1,5 1 = 3
Уз 2.0...2.5 1=4
171
Визначення вольфраму
а) Група ліній в області спектра 5050... 5055 А
(зелена область)
II ІІІІІІІІІІІІІІНІ
Ре
Низьколегована
сталь
б) Група ліній XV 2 в області спектра 5498...5514 А
(жовта область)
Оцінки для виз Назва групи начення вмісту вольф Вміст хрому, % заму: та \У2 Оцінка інтенсивностей
1 1 <3
2 1 <3
2,5 1 = 3
5 1 <4
8 1>4
9 1 > 4; 2 < 3
13 1 > 4; 2 = 3
18 1 » 4; 2 > 3
5 1 = 2
\¥2 9 1>3
\¥2 18 1 »3
172
в) Група ліній XV з в області спектра 4655 ...4673 А
(голуба область)
г) Група ліній XV , в області спектра 4787. 4844 А
(зеленувато-голуба область)
ХВГ
Оцінки для визначення вмісту' вольфраму: \¥3 та XV 4
Назва групи Вміст вольфраму. % Оцінка інтенсивностей
'Уі_ 1.0 1 = 3
XV, 2.0 І>3
ХУ3 2.5 1 <4
УУз— 5.0 1 >4
XV., 1.0 1=8
XX'., 2.5 1=7
173
Додаток З
Стандартні термодинамічні величини деяких речовин
Речовина Стан АЯ2°98, Дж моль оО °298 С;>298 Молекулярна маса, г
Дж моль • град
о2 Г 0 205 29,36 32
0 Г 247,4 161 21,9 16
Н2 Г 0 130,6 28,83 2
н Г 217,9 114,6 20,8 1
Н2О Г -241,84 188,74 35,56 18
Н2О Р -285,84 69,96 75,31 18
он Г -443 199 29,9 17
Мп Тв 0 31,76 26,32 54,93
МпО Тв -384,93 60,25 44,83 70,93
Ре Тв 0 27,15 25,23 55,85
РеО Тв -263,68 58,79 48,12 71,85
8і Тв 0 18,72 19,8 28
§ІО2 Тв -859,3 42,1 44,5 60,0
§ІО2 Р -856,9 45,8 44,45 60
с Тв 0 5,74 8,53 12,0
со Г -110,5 197,4 29,2 28
со2 Г -393,5 213,6 37,1 44,0
Ті Тв 0 30,66 25,025,0 47,9
ТіО2 Тв -943,5 50,2 56,44 79,9
А1 Тв 0 28,31 24,34 26,97
А120з Тв -1675,0 50,9 79,0 101,94
№ Тв 0 29,86 26,05 58,69
N10 Тв -239,7 38,07 44,27 74,69
Сг Тв 0 23,76 23,35 52,0
Сг2О3 Тв -1141 81,1 104,6 152
Сп Тв 0 33,3 24,51 68,54
Сп2О Тв -167,4 93,3 63,6 143,08
Са Тв 0 41,62 26,28 40,08
СаО Тв -635,1 39,7 42,8 56,08
И2 Г 0 191,5 29,1 14
С2Н2 Г 226,75 200,8 43,93 26
Г - газ, Тв - твердий стан, Р - рідина.
174
Додаток 4
Способи, режими, матеріали та результати зварювання при визначенні стійкості металу шва
проти пор
Спосіб зва- рювання Рід стру- му, поляр- ність Електрод; діаметр, мм Флюс (газ) Струм, А Напруга, В Швидкість зварювання1, м/год Наявність пор при на- важенні іржі, г/100 мм
0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 15 20
Ручне зварю- вання якіс- ними елект- родами Постійний, обернена УОНИ 13/45; 04 150 20...25 6...8
СМ-5, АНО-4 або РБУ-4; 04 150 20...25 6...8
Змінний СМ-5, АНО-4 або РБУ-4; 04 150 20...25 6...8
Механізоване зварювання в середовищі захисних газу Постійний, обернена Св-08А; 01,0 150 20...22 8...10 Наплавлення без іржі, з іржею та при наявності грунту
Св-08Г2С; 01,0 150 20...22 8...10
Св-ЮГСМТ; 01,0 150 20...22 8...10 8...10
РХ 61138; 01,2 150 27...29 8...10 8...10
Автоматичне зварювання під флюсом Змінний Св-08А; 03 ОСЦ-45 АН-348А 500...550 35...40 25 45...60
Автоматичне зварювання під флюсом Постійний, пряма Св-08А; 03 ОСЦ-45 АН-348А 5002 38...40 25
Постійний, обернена Св-08А; 03 ОСЦ-45 АН-348А 5003 38...40 25
1 Автоматичне зварювання провести також по прихватках, виконаних електродом, у захисних середовищах та на повітрі.
~ 2 = 192 м/год.
("Л 3 г„ =122 м/год.
Додаток 5
Хімічний склад зварювальних матеріалів
Таблиця 1. Склад покриття електродів для ручного зварювання
Компоненти покриття Вид покриття
Кисле(А) Рутилове(Р) Основне(Б)
Назва Хімічний склад, % (мас.) Марка електрода
СММ-5 ЦМ-7 РБУ-4 АНО-4 УОНИ 13/45
Марганцева руда МпО = 85; 8іО2 =10 21 - - -
Гематит, залізна руда Ре2О3 = 94; 8іО2 = 6 - 33 - -
Титановий концентрат ТЮ2 = 38; РеО = 52; 8іО2 = 5 37 - - -
Польовий шпат 8іО2 = 70; А12О3 = 20 К2О = 10; №і2О = 10
Граніт 8ІО2= 67; АІ2О3 — 20 * Ма2О — 8; РЄ2О3 — 5 - 32 - -
Мармур (крейда) СаСОз = 92 - - 16,7 - 53
Плавиковий шпат СаР2 = 92 - - - 18
Кварц 8іО2 = 97 - - - 9
Рутиловий концентрат ТіО2 = 90; 8іО2 = 3; А12О3 = 3; РеО = 3 - - 50 44 -
Магнезит М§СО3 = 98 - - 15 -
Мусковіт (слюда) 8іО2 = 45; А12О3 = 38; К2О = 12; Н2О = 5 - 20,9 24 -
Крохмаль СбНюОз 9 5 2 -
Феромарганець Мп=80 20 зо 15 2
Феротитан Ті = 18 - - 2 - 15
Феросиліцій 8і = 45 - - 10,4 - 3
Таблиця 2. Приблизний хімічний склад шлаків, отриманих при зварюванні товстопокритими електродами
Вид покриття Склад. % (мас.)
8іО2 ТіО2 А120з РеО МпО М§0 СаР2 №ьО + К2О СаО ІНШІ
А 36 - 4 21 26 2 - 4 4 3
Р 20 45 5 5 8 5 - 4 5 3
Б 15 9 - 4 5 - 34 4 27 2
Таблиця 3. Хімічний склад деяких зварювальних дротів (ГОСТ 2246-70)
Марка дроту Склад елементів, % (мас.)
С Ми 8і Сг № Мо 8 Р Ті
Св-08 0,10 0.35...0.60 0,03 0,15 0,3 - 0.040 0.040 -
Св-08А 0,10 0.35...0.60 0,03 0,12 0.25 - 0,030 0,030 -
Св-08Г2С 0.06...0.11 1,80...2.10 0.70...0.95 0.20 Ь 0.25 - 0,025 0,030 -
Св-ЮГСМТ 0.08...0.14 1.00...1.30 0.40...0.70 0.30 0.30 0.20... 0.40 0,030 0,030 0.06... 0.12
Св-10Г2 0,12 1,50 0,03 0,20 0,30 - 0,030 0,030 -
Таблиця 4. Хімічний склад та механічні властивості металу, наплавленого товстопокритими електродами
Тип електрода Марка електрода Хімічний склад, % (мас.) Механічні властивості
С 8і Ми 8 Р ов, МПа 5,% а№ Дж/см°
Е-42 ОММ-5. ЦМ-7 0,15 0,15 0,5... 1,0 0.05 0.05 420,0 18 80
Е-46 АНО-4 0.06...0.10 0.08...0.14 0.6...0.8 0.04 0.04 460,0 18...24 80...140
Е-42А УОНИ 13/45 0,12 0.18...0.35 0,35...0,75 0,03 0,03 420,0 20 140
Таблиця 5. Хімічний склад флюсів для автоматичного дугового та електрошлакового зварювання
Мірка флюсу Склад. % (мас.)
8ІО2 МпО АЦО3 СаО М§0 Ре203 СаГ2 8 р
ФЦ-7 46...48 24...26 до 3 до 3 16...18 до 1,5 5...6 до 0,15 ДО 0,15
ФЦ-9 39,5 40,0 11,0 3,5 до 1,0 до 0,5 26 - -
АН-348А 41...44 34...38 до 4,5 до 6,5 5,0...7,5 до 2,0 4,0...4,5 ДО 0,15 ДО 0,12
ОСЦ-45 38...44 38...47 до 4,5 до 6,5 ДО 2, 5 до 2,0 6...9 ДО 0,15 ДО 0,15
48-ОФ-6 ДО 4,0 ДО 0,3 23,5 19,5 ДО 3,0 до 1,5 52,0 0,05 0,04
АН-20 22,0 ДО 0,5 30,0 5,05 11,0 до 1,0 29,0 0,08 0,05
АН-26 32,0 3,0 20,0 3,0 17,0 до 1,0 24,0 - -
ЗМІСТ
Передмова......................................................... З
1. Спектральний аналіз металу..................................... 5
1.1 Суть спектрального аналізу................................. 5
1.2 Спектральний аналіз за допомогою стилоскопів.............. 10
1.3 Спектральний аналіз за допомогою спектрографа ИСП-3 0..... 19
1.4 Обладнання та матеріали................................... 26
1.5 Методика роботи........................................... 26
1.6 Зміст звіту............................................... 26
1.7 Контрольні питання........................................ 27
2. Растрова електронна мікроскопія та рентгенівський мікроаналіз 27
2.1 Суть електронної мікроскопії та мікроаналізу.............. 27
2.2 Принцип будови та роботи растрового електронного мікроскопа
та рентгенівського мікроаналізатора РЗММА-102.................... 31
2.3 Обладнання та матеріали................................... 38
2.4 Методика роботи........................................... 38
2.5 Зміст звіту............................................... 38
2.6 Контрольні питання........................................ 39
3. Дослідження фізико-хімічних та металургійних процесів при аце-
тилено-кисневому зварюванні...................................... 39
3.1 Будова полум'я............................................ 39
3.2 Температура полум'я....................................... 41
3.3 Металургійні властивості ацетилено-кисневого полум'я...... 43
3.4 Методика роботи........................................... 45
3.5 Обладнання та матеріали................................... 47
3.6 Виконання розрахунків та експериментів.................... 47
3.7 Аналіз результатів роботи................................. 50
3.8 Зміст звіту............................................... 51
3.9 Контрольні питання........................................ 51
4. Дослідження процесу утворення пор у металі шва при електроду-
говому зварюванні................................................ 52
4.1 Механізм утворення пор.................................... 52
179
4.2 Теоретичний аналіз методів боротьби з порами та основа експери-
ментальних досліджень........................................... 55
4.3 Експериментальне вивчення процесу утворення пор.......... 60
4.4 Методика роботи.......................................... 62
4.5 Обладнання та матеріали.................................. 62
4.6 Аналіз результатів роботи................................ 63
4.7 Зміст звіту.............................................. 63
4.8 Контрольні питання....................................... 63
5. Дослідження металургійних процесів при зварюванні якісними
електродами..................................................... 64
5.1 Зміст роботи............................................. 64
5.2 Методика роботи.......................................... 69
5.3 Обладнання та матеріали.................................. 70
5.4 Аналіз результатів роботи................................ 70
5.5 Контрольні питання....................................... 71
6. Вивчення процесів легування металу шва при автоматичному зва-
рюванні під флюсом.............................................. 71
6.1 Зміст роботи............................................. 71
6.2 Методика роботи.......................................... 75
6.3 Обладнання та матеріали.................................. 75
6.4 Аналіз результатів роботи................................ 76
6.5 Контрольні питання....................................... 76
7. Дослідження металургійних процесів при зварюванні в атмосфері
захисних газів.................................................. 76
7.1 Зміст роботи............................................. 76
7.2 Методика роботи.......................................... 81
7.3 Обладнання та матеріали.................................. 82
7.4 Аналіз результатів роботи................................ 82
7.5 Контрольні питання....................................... 83
8. Дослідження стійкості зварних з’єднань проти утворення гарячих
тріщин.......................................................... 83
8.1 Механізм утворення гарячих тріщин........................ 83
8.2 Запобігання гарячим тріщинам при зварюванні.............. 87
180
8.3 Визначення стійкості металу проти утворення гарячих тріщин при
зварюванні....................................................... 93
8.4 Методика роботи........................................... 97
8.5 Устаткування та матеріали................................. 98
8.6 Аналіз результатів роботи................................. 98
8.7 Контрольні питання........................................ 99
9. Дослідження стійкості зварних з'єднань проти холодних тріщин.. 99
9.1 Механізм утворення холодних тріщин....................... 100
9.2 Запобігання холодним тріщинам при зварюванні............. 108
9.3 Визначення стійкості металу проти утворення холодних тріщин.. 127
9.4 Методика роботи.......................................... 139
9.5 Устаткування та матеріали................................ 140
9.6 Аналіз результатів роботи................................ 140
9.7 Контрольні питання....................................... 141
10. Дослідження процесів формування з'єднань при зварюванні тис-
ком, взаємодії припоїв з основним матеріалом та інших високо тем-
пературних процесів за допомогою установки ІМАШ 20-78........... 141
10.1 Загальна характеристика установки ІМАШ 20-78............ 142
10.2 Дослідження процесів формування з’єднань при дифузійному
зварюванні...................................................... 145
10.3 . Дослідження процесів розтікання припоїв при паянні та
високотемпературного руйнування металів......................... 148
10.4 Методика роботи......................................... 150
10.5 Контрольні питання...................................... 150
Список використаної літератури.................................. 151
Додаток 1. Дуговий спектр заліза................................ 155
Додаток 2. Визначення в сталях легуючих елементів з мідним електродом 163
Додаток 3. Стандартні термодинамічні величини деяких речовин... 174
Додаток 4. Способи, режими, матеріали та результати зварювання при
визначенні стійкості металу шва проти пор....................... 175
Додаток 5. Хімічний склад зварювальних матеріалів............... 176
181
В.В. КВАСНИЦЬКИЙ
ТЕОРІЯ ЗВАРЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ
ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-ХІМІЧНИХІ МЕТАЛУРГІЙНИХ
ПРОЦЕСІВ ТА ЗДАТНОСТІ МЕТАЛІВ ДО ЗВАРЮВАННЯ
Редактор Т.І. Никуліна
Технічний редактор В.М. Крохіна
Оформлення обложки В.О. Мартиненко
Комп’ютерний набір та верстка А.Ю. Волкодаєв, О.В. Коломієць
Підписано до друку 21.08.02. Формат 60x80/16. Папір офсетний.
Гарнітура Тайме. Ум.друк.арк. 10,5. Обл.-вид.арк. 11,3. Тираж 300 прим.
Вид. №31. Зам.342. Ціна договірна
Видавництво УДМТУ, 54002, м. Миколаїв, вул. Скороходова, 5
ДЛЯ НОТАТОК
Шановні панове!
Запрошуємо вас ознайомитись з можливостями книжкового ви-
давництва, висококваліфіковані спеціалісти якого дозволяють опе-
ративно і якісно виконати замовлення будь-якого рівня складності.
Наш головний принцип - задовольнити потреби замовника у
повному комплексі поліграфічних послуг, починаючи з розробки
та підготовки оригіналу-макета, що виконується на базі ІВМ РС, і
закінчуючи друком на офсетних машинах.
Крім цього, ми маємо повний комплекс післядрукарського об-
ладнання, що дає можливість виконувати:
листопідбір;
брошурування на скобу, клей;
порізку на гільйотинах;
ламінування.
Видавництво також оснащено сучасним цифровим публікато-
ром фірми "Оиріо" формату АЗ, що дає можливість тиражувати зі
швидкістю до 130 копій за хвилину.
Для постійних клієнтів - гнучка система знижок.
Отже, якщо вам потрібно надрукувати підручники, книги, бро-
шури, журнали, каталоги, рекламні листівки, прайс-листи,
бланки, візитні картки, -ми до ваших послуг.
© Український державний морський технічний університет
£3 Україна, 54002, м.Миколаїв, вул.Скороходова, 5, видавництво
УДМТУ
« 8(0512) 37-33-42; 39-81-46, 39-73-39, £ах 8(0512) 39-73-26;
Е-таіІ: риЬ1і$1ііп§@и5тіи.ес1и.иа