ПРЕДИСЛОВИЕ
Применение и развитие прогрессивных способов сварки, литья, а также выплавки и обработки давлением слитков при внедрении в производство жаропрочных сплавов в значительной мере затруднены из-за разрушения материала в процессе кристаллизации и в твердом состоянии при высоких температурах.
Многочисленные исследования в нашей стране и за рубежом показали, что аппарат классической теории прочности изотропных тел не применим для анализа технологической прочности, т. е. процессов разрушения металлов и сплавов при кристаллизации. Это привело к возникновению и развитию нового направления в науке о прочности металлов — теории технологической прочности, разрабатываемой у нас в стране на протяжении последних 25 лет. В основу теории положены представления о связи технологической прочности с диаграммами состояния, а также закон распространения тепла при сварке и обработке металлов. Теория рассматривает большой комплекс явлений, протекающих в процессе кристаллизации и высокотемпературного нагрева металлов.
Основной особенностью теории является кинетический подход к решению задачи, состоящий в сопоставлении темпа деформации (производной от деформации по температуре) с деформационной способностью металлов, которая изменяется в процессе фазовых превращений. Такая постановка задачи потребовала изучения кинетики многих необратимых процессов, сопутствующих кристаллизации, т. е. процессов распространения тепла и развития внутренних деформаций, процессов кристаллизации, формирования химической и физической неоднородности металлов. Были разработаны новые методы анализа свойств металлов в неравновесных условиях, которые имеют место при сварке, литье и других процессах.
Для анализа изменений деформационной способности металлов и сплавов в процессе кристаллизации, расчета формы осей столбчатых кристаллов создан математический аппарат. Изучены основные закономерности возникновения химической неоднородности, формирования и миграции границ зерен в литых металлах, механизм образования кристаллизационных горячих трещин при деформации металлов и сплавов, находящихся в твердо-жидком состоянии. Установлено, что горячие трещины могут образовываться как в процессе кристаллизации, так и при температурах ниже солидуса.
На основе современных представлений о строении границ зерен и природе межкристаллических разрушений при высокотемпературной ползучести сформулирован и обоснован механизм образования подсолидусных горячих трещин. Предложены технологические и металлургические методы предупреждения возникновения таких трещин.
Анализ изменения темпа деформации в процессе кристаллизации показал, что вопреки существующим как у нас в стране, так и за рубежом представлениям, в температурной области образования горячих трещин темп деформации возрастает с уменьшением жесткости свариваемых элементов. Этот вывод явился основой для разработки новых технологических проб, которые в принципе отличны от существующих и уже нашли применение у нас в стране.
Разработаны методы и создана аппаратура для измерений деформационной способности и линейной усадки металлов и сплавов в процессе кристаллизации.
На основе теории технологической прочности разработан метод определения показателей технологической прочности металлов и сплавов, заключающийся в определении критического значения темпа деформации, при котором начинают возникать трещины в процессе кристаллизации и при последующем охлаждении в области подсолидусных температур. Разработаны и внедрены испытательные машины, работающие на этом принципе. Этот метод рекомендован металлургической комиссией СЭВ как единый метод для стран — участниц СЭВ, а также получил распространение в капиталистических странах и признание Международного института сварки.
С использованием разработанных методов и приборов в различных организациях проведены широкие экспериментальные исследования сталей, сплавов алюминия, никеля, меди и тугоплавких металлов. Установлены закономерности влияния химического состава, структуры сплавов и кинетики фазовых превращений на зависимость механических свойств от температуры термическое сокращение и сопротивляемость образованию горячих трещин. Предложены и внедрены в производство новые сплавы и материалы для их сварки, решен широкий круг конкретных задач при разработке ряда объектов новой техники с применением сплавов с высокими физико-механическими свойствами.
Предлагаемая читателю книга обобщает большой теоретический и экспериментальный материал, накопленный в течение последних 15 лет в СССР и за рубежом в области технологической прочности жаропрочных сплавов при сварке и смежных процессах. Книга в значительной части построена на результатах исследований, выполненных авторами в Институте металлургии им Байкова АН СССР В ней отражены также основные работы МВТУ им Баумана, Института электросварки им Патона, ЦНИИТМАШ, ЦКТИ им Ползунова, ЦНИИЧМ им Бардина, ЛПИ им Калинина, МИСиС, а также ряда других советских и зарубежных институтов и заводских лабораторий.
Рассмотрены основные закономерности кристаллизации и формирования макро- и микроскопической неоднородности сварных швов. Особое внимание уделено подсолидусной миграции границ кристаллитов как фактора, определяющего несовпадение первичных форм кристаллизации с окончательным характером расположения границ. зерен в однофазных литых сплавах. Показано изменение деформационной способности однофазных и гетерофазных сплавов в интервале кристаллизации и при последующем охлаждении в зависимости от их состава, а также химической и физической неоднородности.
Дан анализ основных процессов, приводящих в условиях высокотемпературного нагрева при сварке плавлением к развитию макро- и микроскопичес- кой неоднородности в околошовной зоне и на границе сплавления основного металла со швом. Рассмотрена взаимосвязь между ростом зерна, огрублением тонкой структуры, микроскопической высокотемпературной неоднородностью фазового и химического состава металла в околошовной зоне, показано влияние процессов гетеродиффузии между металлом шва и околошовной зоны на развитие макроскопической химической неоднородности на границе сплавления. На основе этих данных рассмотрены основные закономерности изменения деформационной способности металла околошовной зоны при высоких температурах сварочного термического цикла в зависимости от химического и фазового состава основного металла.
Рассмотрены современные механизмы образования кристаллизационных и подсолидусных горячих трещин, критерии и способы оценки технологической прочности металлов и сплавов при сварке плавлением. К анализу механизмов этих видов межкристаллических разрушений соответственно привлечены представления о деформации двухфазных твердожидких сред, а также о явлениях проскальзывания кристаллитов по границам зерен и формирования зародышей трещин, миграции и коагуляции вакансий. Показано влияние легирующих элементов и степени гетерогенизации литых сплавов на формирование и условия предупреждения горячих трещин. Сформулированы основные металлургические пути борьбы с горячими трещинами того и другого вида. Дан критический анализ количественных и качественных методов, а также технологических проб, используемых для оценки склонности сплавов к образованию горячих трещин при сварке и смежных процессах. Выявлен ряд спорных вопросов и намечены пути дальнейшего развития теории технологической прочности.
Приведены основные характеристики технологической прочности наиболее распространенных жаропрочных сплавов на основе железа, никеля, алюминия и тугоплавких металлов в зависимости от систем легирования и содержания легирующих элементов и примесей. Рекомендованы присадочные материалы, электроды, флюсы, а также режимы и технологические приемы сварки и термообработки этих сплавов.
Книгу отличает удачное сочетание глубокого научного подхода. К анализу основных вопросов теории технологической прочности с четкой практической направленностью выводов и рекомендаций.
Академик Н. Н. Рыкалин
Д-р техн. наук проф. Н. Н. Прохоров

 

Назад, на страницу описания