ĆWICZENIE LABORATORYJNE BADANIE STRUKTURY ZŁĄCZA SPAWANEGO

Transkrypt

1 ĆWICZENIE LABORATORYJNE BADANIE STRUKTURY ZŁĄCZA SPAWANEGO 1. Wstęp Rodzaje struktur występujących w połączeniach spawanych zależą przede wszystkim od przebiegu cykli cieplnych towarzyszących procesowi spawania; zależą zatem od temperatur osiąganych w połączeniach spawanych oraz czasów wyżarzania w poszczególnych temperaturach i szybkości chłodzenia po spawaniu. Cechuje je więc odmienność w stosunku do struktur zgodnych z układem żelazo-węglel. Problem ten był rozpatrywany szczególnie w odniesieniu do stali podeutektoidalnych, a więc typowych stali konstrukcyjnych przeznaczonych do spawania. Stwierdzono, że w tym przypadku decydujące znaczenie wywiera szybkość chłodzenia po spawaniu. Mieści się ona z reguły w zakresie szybkości mniejszych od szybkości krytycznej omawianej grupy stali. Badania takie podjął po raz pierwszy H. Hanemann. w swoich badaniach obok procentowej zawartości węgla uwzględnił jeszcze dodatkowo wielkość ziarna austenitu, a więc wpływ zjawiska przegrzania. Współzależność powstających struktur od wymienionych czynników, dla stali podeutektoidalnych, Hanemann wyraził za pomocą zależności, zgodnie z którą, w stalach węglowych, w funkcji wzrastającej zawartości węgla, zwiększającej się szybkości chłodzenia i rozrostu ziarna austenitu uzyskuje się odpowiednio następujące struktury: ziarnistą, Widmannstättena, siatkową oraz perlitu z przerywaną siatką ferrytu. Szczególnie charakterystyczna i istotna z punktu widzenia stali przeznaczonych do spawania jest struktura Widmannstättena. Została ona po raz pierwszy odkryta w meteorytach. Powstaje w konsekwencji przegrzania, a więc wyżarzania stali w temperaturze istnienia austenitu przez dłuższy okres czasu i charakteryzuje się przy chłodzeniu wydzielaniem ferrytu wewnątrz ziaren austenitu, począwszy od temperatury A 3 (tzw. wydzielanie wewnątrzziarnowe). Należy przy tym podkreślić, że obecność struktury Widmannstättena w stalach wiąże się z reguły z obniżeniem ich właściwości wytrzymałościowych oraz wzrostem kruchości. 1

2 2. Procesy krystalizacji pierwotnej spoin Proces przejścia metalu ze stanu ciekłego w stały nazywamy jest krystalizacją pierwotną, a struktury uzyskane w procesie krzepnięcia strukturalni pierwotnymi. Proces krystalizacji pierwotnej płynnego metalu w najogólniejszym sformułowaniu polega na narastaniu kryształów fazy stałej w rezultacie przyłączania na ich powierzchni atomów z otaczającego kryształ ciekłego metalu. Zjawisko krystalizacji składa się z dwóch zasadniczych procesów elementarnych. Pierwszy z nich polega na powstaniu najmniejszych cząstek kryształów, zwanych zarodkami krystalizacji. Drugim procesem jest rozrost kryształów z tych zarodków. Krystalizacja metalu spoiny przebiega w specyficznych warunkach, znacznie odbiegających od warunków krystalizacji wlewków. Są to: - mała objętość płynnego metalu i intensywny ruch metalu w jeziorku, - równoczesne oddziaływanie na metal płynnego jeziorka strumieni ciepła doprowadzanego ze spawalniczego źródła ciepła (łuku) i odprowadzanego przez spawany materiał. Front krystalizacji jest przy tym związany z przemieszczaniem się źródła ciepła, - nierównomierny rozkład temperatury w jeziorku. Występowanie dużego gradientu temperatury w jeziorku wyklucza pojawianie się zarodków krystalizacji w środkowej części jeziorka, zarodkami krystalizacji stają się powierzchnie częściowo nadtopionych ziaren materiału rodzimego. Szybkość i kierunek narastania kryształów jest związana z ukształtowaniem i ruchem frontu krystalizacji. Proces krystalizacji spoiny można traktować jako narastanie kryształów na podkładce, którą w początkowym okresie stanowią częściowo nadtopione ziarna materiału rodzimego. Jeśli podkładka ma sieć krystaliczną, izomorficzną z metalem spoiny, istnieją wówczas najkorzystniejsze warunki narastania fazy stałej. Zarodki krystalizacji stanowią nadtopione ziarna materiału rodzimego. Na takim ziarnie w miarę obniżania temperatury przylegającej cieczy zaczynają narastać kryształy spoiny. Mają one charakter słupkowy. Schemat rozrostu kryształów słupkowych spoiny od linii wtopu przedstawiono na rys. 1. 2

3 Rys. 1. Schemat narastania kryształów słupkowych w spoinie Kryształy słupkowe krzepnącego metalu spoiny narastają zgodnie z kierunkiem odprowadzenia ciepła, prostopadle do chwilowego położenia frontu krystalizacji, wzdłuż linii krzywych przestrzennych, określanych przez kształt powierzchni jeziorka. Budowa wewnętrzna kryształów słupkowych jest bardziej złożona niż przedstawiono na rys. 1 i ma charakter dendrytyczny, właściwy materiałowi lanemu. Każdy z kryształów słupkowych składa się z grupy jednakowo zorientowanych dendrytów. Przy równoległym wzroście kryształów, swobodny rozwój dendrytów jest utrudniony. Schemat budowy kryształów słupkowych przedstawiono na rys. 2. W środkowej części spoiny kryształy słupkowe zwiększają swoją szerokość. Rys. 2.. Schemat budowy kryształów słupkowych w spoinie Wzrost szybkości krystalizacji w tej strefie może doprowadzić do pojawienia się w osi spoiny struktury o różnie zorientowanych ziarnach, równoosiowych. Przy spawaniu wielowarstwowym, gdy kolejny ścieg przetapia warstwę poprzednio ułożonego metalu, w roli podkładki i zarodków krystalizacji występują kryształy słupkowe poprzedniej warstwy. Narastające kryształy słupkowe nowej warstwy stanowią przedłużenie kryształów warstwy poprzed- 3

4 niej, a struktura tego typu nazywa się transkrystaliczną. Szczególnie dobrze jest ona widoczna na makrozgładach spoin wielowarstwowych stopów jednofazowych, w których nie zachodzą procesy krystalizacji wtórnej (rys. 3). Rys. 3. Schemat struktury wielowarstwowego złącza do- czołowego ze stali austenitycznej Procesy krystalizacji wtórnej złączy spawanych Procesy krystalizacji wtórnej są to procesy przemian strukturalnych, procesy wydzielania faz międzymetalicznych, poligonizacji, rekrystalizacji itp., zachodzące w metalu w stanie stałym, a więc w spoinie po zakrzepnięciu jeziorka oraz w strefie wpływu ciepła złącza w wyniku oddziaływania procesów cieplnych podczas spawania. Charakter i intensywność przebiegu procesów krystalizacji wtórnej w złączu zależy przede wszystkim od składu chemicznego spawanego materiału i stanu po obróbce cieplnej lub plastycznej. Złącze spawane składa się ze spoiny, strefy wpływu ciepła i materiału rodzimego. Na skutek oddziaływania cykli cieplnych spawania, zróżnicowania w zależności od odległości badanego obszaru od spawalniczego źródła ciepła, te trzy zasadnicze obszary złącza wykazują po spawaniu różnorodne struktury i właściwości. Szczególnie zróżnicowane są struktury w strefie wpływu ciepła, Strefa wpływu ciepła obejmuje obszar materiału w złączu przylegającym bezpośrednio do spoiny, w którym wskutek cieplnego oddziaływania procesu spawania zachodzą zmiany struktury i właściwości materiału. Szerokość strefy wpływu ciepła w złączu zależy od czynników konstrukcyjno-technologicznych, przede wszystkim zaś od zastosowanej metody i parametrów spawania i może zmieniać się w bardzo szerokich granicach. Rozkład stref strukturalnych w połączeniu spawanym - począwszy od spoiny, poprzez strefę wtopienia i wpływu ciepła (SWC) aż do materiału rodzimego można w sposób przejrzy- 4

5 sty, choć uproszczony, zilustrować przez porównanie przebiegu cyklu cieplnego spawania z układem żelazo-cementyt (rys. 4). Uproszczenie wynika z odmiennych szybkości chłodzenia występujących w połączeniach spawanych w odniesieniu do rozpatrywanych przy omawianiu układu żelazo- cementyt. Na wykresie żelazo-cementyt zaznaczono liną pionową rozpatrywaną stal niskowęglową, a na niej odcinki, w których zachodzą określone zmiany strukturalne. 0 Rys. 4. Zmiany strukturalne zachodzące przy spawaniu stali niskowęglowej: 1- odcinek częściowego przetopienia; 2-odcinek przegrzania; 3-odcinek normalizacji; 4-odcinek częściowego przekrystalizowania (częściowej przemiany fazowej); 5-odcinek rekrystalizacji Z rys. 4 wynika, że w połączeniu spawanym ze stali niskowęglowej mogą wystąpić następujące strefy strukturalne: 0. Spoina ma budowę grubokrystaliczną dendrytyczną, charakterystyczną dla metalu lanego, której układ zostaje zachowany, mimo iż w wyniku krystalizacji wtórnej w obszarach kryształów słupkowych powstają znów ziarna ferrytu i perlitu. 1. Odcinek ten stanowi granicę między materiałem rodzimym a spoiną i nosi nazwę odcinka niezupełnego przetopienia. Metal w tej strefie jest nagrzewany w zakresie temperatur pomiędzy solidusem i likwidusem i składa się z szeregu ziaren częściowo nadtopionych. Na tym odcinka rozpoczyna się proces krystalizacji spoiny i następuje powiązanie sieci krysta- 5

6 licznej nie roztopionego materiału rodzimego z siecią krystaliczną krzepnącej spoiny. W okresie współistnienia na tym odcinku w fazie ciekłej i stałej zachodzą procesy dyfuzyjne na granicy faz, powodujące segregację składników stopowych i niejednorodność chemiczną stopiwa. Z uwagi na możliwość wystąpienia na odcinku niezupełnego przetopienia wad spawalniczych (przyklejenia, porowatość) może on w istotny sposób wpływać na wytrzymałość złącza. 2. Z odcinkiem niezupełnego przetopienia sąsiaduje odcinek przegrzania. Materiał w tym obszarze jest nagrzewany powyżej 1100 C. Ma on charakterystyczną strukturę przegrzaną o grubym ziarnie. Zależnie od składu chemicznego stali może w nim powstać tzw. struktura Widmannstättena (stale niskowęglewe) lub jedna ze struktur przejściowych bądź też struktura gruboiglastego martenzytu (stałe niskostopowe). Wskutek przegrzania struktury właściwości mechaniczne, a zwłaszcza udarność i wydłużenie materiału w tej strefie, znacznie się pogarszają, co ułatwia powstawanie i rozwój pęknięć. 3. Odcinek ten zawiera materiał nagrzany w zakresie temperatur Ac C. W stalach niskowęglowych charakteryzuje go równomierna budowa drobnoziarnista typowa dla wyżarzania normalizującego. Dlatego też nazywany jest strefą normalizacji. Z reguły ma on najlepsze właściwości mechaniczne spośród wszystkich omówionych odcinków złącza. W stalach hartujących się odcinek normalizacji może posiadać strukturę bainityczną lub drobnoiglastego martenzytu. 4. Odcinek ten nazywany odcinkiem częściowego przekrystalizowania - jest nagrzewany w procesie spawania w zakresie temperatur pomiędzy Ac 1 i Ac 3. Część składników struktury ulega wówczas przy nagrzewaniu przemianie w austenit, a podczas chłodzenia następuje przemiana austenitu połączona z rozdrobnieniem ziarna. W stalach niskowęglowych struktura odcinka częściowego przekrystalizowania składa się z nie zmienionych ziaren ferrytu i rozdrobnionej struktury ferrytyczno-perlitycznej. W stalach niskostopowych, skłonnych do hartowania się, pod wpływem cyklu cieplnego spawania na odcinku niepełnej normalizacji może wystąpić struktura mieszana składająca się z pól nieprzemienionego ferrytu oraz bainitu lub drobnoiglastego martenzytu. Ogólnie można powiedzieć, że cechą charakterystyczną tego odcinka jest niejednorodność wielkości ziarna i w związku z tym obniżone w pewnym stopniu w stosunku do odcinka poprzedniego właściwości mechaniczne materiału. 5. Z odcinkiem częściowego przekrystalizowania sąsiaduje odcinek rekrystalizacji, w którym metal jest nagrzewany w zakresie temperatur 500 C - Ac 1. W przypadku złączy ze stali odkształconych na zimno na odcinku tym zachodzą procesy rekrystalizacji i rozrostu ziarna i w konsekwencji obniżenie się właściwości wytrzymałościowych. Wreszcie na tym odcinku pod wpływem ciepła spawania mogą zachodzić procesy starzenia się oraz utwardzania dyspersyjnego wywołujące obniżenie właściwości plastycznych. Podział strefy wpływu ciepła na poszczególne odcinki ma charakter umowny. Strefa wpływu ciepła wykazuje bowiem ciągłość zróżnicowania struktury, a płynne zmiany typu 6

7 struktury w złączu uniemożliwiają niejednokrotnie w trakcie analizy metalograficznej ścisłe określenia szerokości odcinków. W efekcie złącze spawane jest agregatem przenikających się obszarów metalu o zróżnicowanej strukturze i w konsekwencji o różnych właściwościach wytrzymałościowych i eksploatacyjnych Ta nieunikniona makroniejednorodność złącza często nie odbija się w praktyce na jego przydatności eksploatacyjnej (dotyczy to przede wszystkim złączy ze stali niskowęglowych.), może jednak w określonych przypadkach ograniczać przydatność złącza lab być przyczyną awarii konstrukcji spawanych w trakcie eksploatacji (pęknięcia, lokalne ubytki korozyjne itp.). Przedstawiony wyżej schemat złącza spawanego odpowiada warunkom spawania jednowarstwowego stali niskowęglowych i niskotopowych. Przy układaniu spoin wielowarstwowych w wyniku powtórnego oddziaływania cyklu cieplnego, mającego charakter wyżarzania, następuje ujednorodnienie i rozdrobnienie struktury spoiny i materiału, rodzimego w poszczególnych odcinkach strefy wpływu ciepła. Spoina posiada wówczas drobnoziarnistą znormalizowaną strukturę ferrytyczno-perlityczną z wyjątkiem ostatniej warstwy o typowej strukturze materiału lanego (dendrytycznej) lub podhartowanego. Zjawisko to jest wykorzystywane w praktyce przy spawaniu stali skłonnych do hartowania dla tzw. samoczynnej obróbki cieplnej spoin wielowarstwowych. Polega ona na układania spoiny wielowarstwowej cienkimi ściegami, po czym na warstwie licowej zostaje ułożony symetrycznie tzw. ścieg wyżarzający o szerokości lica. Ścieg ten jest następnie usuwany za pomocą obróbki mechanicznej (szlifowanie). Ważnym parametrem cyklu cieplnego spawania, wpływającym na rozkład struktur w połączeniach spawanych, jest czas wyżarzania, zwłaszcza w wyższych zakresach temperatur austenityzowania. Czas ten decyduje o wielkości ziarna struktury połączeń. Procesy spawalnicze wiążące się ze stosowaniem dużych mocy liniowych (spawanie łukiem krytym, elektrożużlowe, spawanie gazowe), w których spoina pozostaje w stanie ciekłym przez stosunkowo długi okres czasu, wpływają na tworzenie się w połączeniach spawanych gruboziarnistych struktur - charakterystycznych dla materiału przegrzanego (struktury Widmannstättena). Z kolei procesy spawalnicze charakteryzujące się małymi mocami liniowymi (np. spawanie ręczne elektrodami otulonymi), w których sukcesywnemu stapianiu i prawie natychmiastowej krystalizacji ulegają tylko niewielkie objętości materiału, zapewniają tworzenie się w połączeniach spawanych struktur drobnoziarnistych. 7

8 4. Przebieg ćwiczenia 4.1. Urządzenia i materiały W skład wyposażenia stanowiska do niniejszego ćwiczenia wchodzą: - mikroskop optyczny typ NEOPHOT 2 - zestaw próbek do badań mikrograficznych. Rys. 5. Wpływ cyklu cieplnego na wielkość ziaren w strefie wpływu ciepła połą- łu- czenia spawanego; krzywa G spawanie gazowe, krzywa E spawanie kowe ręczne Wpływ cyklu cieplnego spawania na wielkość ziaren w obszarze połączenia spawanego przedstawiono schematycznie na rys. 5. Na osi rzędnych ujęto stosunek: S o - powierzchni ziaren w stanie wyżarzonym (powierzchnia odniesienia) do S - średniej powierzchni ziarna w danym punkcie. Powyższe zestawy próbek umożliwiają obserwację takich zjawisk krystalizacji pierwotnej, jak zarodkowanie, warstwową budowę spoiny, kierunek narastania kryształów oraz tran- skrystaliczną budowę spoiny oraz w ramach krystalizacji wtórnej - budowę spoiny i strefy wpływu ciepła, rozrost ziarna i samoczynną obróbkę cieplną. Zestawy próbek dobrano w ten sposób, aby umożliwić łatwą obserwację zjawisk będących przedmiotem ćwiczenia. 4.2 Metodyka badań 8

9 Studenci przystępujący do odrabiania ćwiczenia powinni mieć świadomość, że dotykanie trawionej powierzchni zgładów oraz przesuwanie ich po powierzchni stolika lub talerzyka mikroskopu prowadzi nieuchronnie do zniszczenia próbki. Przed przystąpieniem do obserwacji mikroskopowych należy wybraną próbkę ustawić na talerzyku mikroskopu, ustawić najmniejsze powiększenie, włączyć światło mikroskopu, usta- odpowiednie do obserwacji powiększenie wić ostrość obraza, odszukać obszar próbki będący przedmiotem zainteresowania oraz dobrać 4.3. Wykonanie ćwiczenia 1. Dokonać obserwacji metalograficznych połączeń spawanych na zgładach wskazanych przez prowadzącego ćwiczenia, ze szczególnym zwróceniem uwagi na rozkład poszczególnych stref strukturalnych w strefie wpływu ciepła. 2. Przeprowadzić obserwację warstwowej budowy spoiny, kierunek narastania kryształów i wykonać szkic zaobserwowanych zjawisk. 3. Porównań wielkość stref wpływu ciepła w zależności od zastosowanej metody spawania i badanego materiału. 4. Wykonać szkice zaobserwowanych struktur, oznaczając na nich poszczególne strefy strukturalne Uwagi do sprawozdania: w sprawozdaniu należy: 1. Krótko omówić przebieg ćwiczenia, ze szczególnym zwróceniem uwagi na rozkład poszczególnych stref strukturalnych w złączu spawanym. 2. Przedstawić analizę porównawczą zaobserwowanych mikrostruktur. 3. Wyprowadzić odpowiednie wnioski. 4. Do sprawozdania dołączyć: narysowane mikrostruktury z poszczególnych stref strukturalnych złącza spawanego - wskazane przez prowadzącego ćwiczenia. LITERATURA 1. Praca zbiorowa: Poradnik spawalniczy, WNT, Warszawa Klimpel A.: Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali, WNT, Warszawa Ferenc K.: Spawalnictwo- laboratorium, WPW, Warszawa Kostrzewa S.: Podstawy regeneracji części pojazdów mechanicznych, skrypt WAT, Warszawa