Kodėl negalite suvirinti sukietėjusio plieno?

Užkietėjęs plienas -, žinomas dėl didelio stiprumo ir kietumo dėl terminio apdorojimo (pvz., Gesinant ir grūdinant) -, kelia didelių suvirinimo iššūkių. Nors suvirinti nėra neįmanoma, tai padaryti yra nepaprastai sunku nepažeisti medžiagos ar nesukuriant silpnų, nestabilių sąnarių. Pagrindinė problema slypi tuo, kaip suvirinimo šiluma sąveikauja su plieno mikrostruktūra, dėl kurios atsiranda problemų. Čia yra išsamus suskirstymas:
1. Kas daro sukietėjusį plieną „sukietėjęs“?
Pirma, labai svarbu suprasti, kodėl grūdintas plienas elgiasi skirtingai. Užkietėjęs plienas pasiekia savo savybes per terminio apdorojimo procesą:
• Gesinimas: plieno kaitinimas iki aukštos temperatūros (pvz., 800–900 laipsnių), kad susidarytų vienoda „austenito“ mikrostruktūra, tada greitai aušinant (vandenyje ar aliejuje), kad būtų galima sugauti anglies atomus, sukurdama kietą, trapią fazę, vadinamą martensitu.
• Ši martensitinė struktūra sukietėjusį plieną suteikia didelį kietumą (dažnai 50+ HRC), tačiau jis taip pat daro trapų ir jautrų šilumai.
2. Pagrindinės priežastys
Suvirinimas apima tirpimą ir pakartotinį - metalo kietėjimą, kuris tiria sukietėjusį plieną iki ekstremalių temperatūros pokyčių. Šie pakeitimai sutrikdo jo mikrostruktūrą ir sukuria neišvengiamas problemas:
a. Greitas aušinimas sukelia daugiau martensito - ir krekingo
Kai suvirinimo baseinas atvėsta, šiluma - paveikė zoną (HAZ) - plotą aplink suvirinimą, kuris netirpsta, bet yra kaitinamas -, drastiški temperatūros poslinkiai:
• HAZ kaitinamas virš plieno „kritinės temperatūros“ (apie 723 laipsnių), paverčiant esamą martensitą atgal į austenitą.
• Kai suvirinimas vėsta, šis austenitas grįžta į martensitą dar greičiau nei pradinio kietėjimo proceso metu (dėl suvirinto, intensyvios šilumos).
• Šis greitas naujojo martensito susidarymas sukelia didžiulį vidinį stresą, nes martensitas yra tankesnis nei austenitas, todėl HAZ arba suvirinimas yra šaltas (dar vadinamas „vandeniliu - sukeltu kreku“).
b. Vandenilio įkalnumas pablogina krekingus
Suvirinimas į plieną įveda vandenilį, dažnai iš drėgmės ore, sraute ar užteršti paviršiai. Grietėjusio plieno martensitinė struktūra sugriauna šį vandenilį, kuris:
• Sumažėja metalo gebėjimas atsispirti stresui.
• Derinkite su vidiniu stresu nuo martensito susidarymo iki įtrūkimų, kartais valandų ar dienų po suvirinimo.
c. Kietumo praradimas Haz
Nors kai kurios HAZ dalys tampa sunkesnės (ir trapesnės) iš naujojo martensito, kitos sritys kaitinamos iki temperatūros, kuri „pakenkė“ esamą martensitą:
• Grūdinimas sušvelnina martensitą, mažindamas kietumą tuose regionuose.
• Tai sukuria „minkštą vietą“ HAZ, pakenkdamas plieno numatytam stiprumui ir atsparumui dilimui.
d. Trapumas padidina lūžių riziką
Užkietėjęs plienas jau yra trapus dėl savo martensitinės struktūros. Suvirinimas sustiprina tai:
• HAZ tampa dar trapesnis iš naujojo martensito ar karbido formavimo (jei plienas yra aukštas - anglies).
• Skirtingai nuo elastingų metalų, kurie sulenkiami patiriant stresą, šis trapus regionas gali staiga lūžti, sukeldamas katastrofišką gedimą.
3. Ar yra koks nors būdas suvirinti sukietėjusį plieną?
Nors suvirinto grūdinto plieno nėra neįmanoma, reikia specializuoti metodai, kad būtų sumažinta žala - ir net tada rezultatai retai būna tobuli. Įprasti sprendimai apima:
• Įkaitinkite plieną: Visos dalies kaitinimas iki 200–300 laipsnių, prieš suvirinant suvirinimą, sulėtėja aušinimas, sumažinant martensito susidarymą ir stresą. Tai labai svarbu, tačiau nepašalina rizikos.
• Naudokite žemą - vandenilio suvirinimo metodus: Pasirinkite procesus, tokius kaip TIG (dujų volframo lanko suvirinimas) su inertinių dujų ekranu arba žemu - vandenilio elektrodais, kad sumažėtų vandenilio absorbcija.
• Post - suvirinimo terminas apdorojimas (PWHT): Po suvirinimo suvirinimo plienas, kaitindami iki 200–300 laipsnių, ir lėtai vėsinkite. Tai palengvina stresą ir sušvelnina martensito perteklių, nors jis taip pat sumažina bendrą plieno kietumą.
• Visiškai venkite suvirinimo: daugeliu atvejų geriau pritvirtinti dalį atkaitinto (minkšto) plieno, pirmiausia suvirinkite, tada po to sukietkite. Tai išvengia sukietėjusios struktūros sugadinimo.
4. Kodėl dažnai geriau vengti suvirinto grūdinto plieno
Net ir atliekant atsargumo priemones, suvirintame grūdintu plienu retai atkuria jo pradines savybes:
• Vis dar gali susidaryti įtrūkimai, ypač esant aukštai - streso programoms, tokioms kaip įrankiai ar konstrukcinės dalys.
• HAZ visada turės nenuoseklų kietumą, susilpnindamas komponentą.
• Įkaitinimo laikas ir išlaidos, specializuota įranga ir post - suvirinimo procedūra dažnai viršija naudą.
Išvada
Grūdintą plieną sėkmingai suvirina labai sunku, nes suvirinimas sutrikdo jo martensitinę mikrostruktūrą, sukuria vidinį stresą, įveda vandenilį ir sukelia kietumo krekingumą ar praradimą. Nors specializuoti metodai yra riboti, specializuoti metodai gali sumažinti riziką, tačiau jie retai gamina tokią pat patikimą sąnarį kaip originalus plienas. Dėl šios priežasties suvirinto grūdinto plieno paprastai nerekomenduojama, nebent būtina - ir net tada jam reikalingi ekspertų įgūdžiai ir kruopštus planavimas. Daugeliu atvejų suvirinimas prieš sukietėjimą (kai plienas vis dar minkštas) yra daug saugesnė alternatyva.