Теория свариваемости сталей и сплавов

Э.Л. Макаров, Б.Ф. Якушин

Теория свариваемости
сталей и сплавов

Под редакцией Э.Л. Макарова

2-е издание, исправленное и дополненное

УДК 621.79 
ББК 34.641 
        М15

Рецензент:
д-р техн. наук, проф. В.Ф. Терентьев

Макаров, Э. Л.

ISBN 978-5-7038-4940-8

Рассмотрены теоретические и практические аспекты свариваемости 
конструкционных сталей и сплавов. Приведены экспериментальные 
методы оценки показателей свариваемости с использованием сварочных 
технологических проб и специализированных машинных испытаний. 
Показана возможность применения расчетных методов, реализуемых 
с помощью компьютерных технологий на базе специализированного 
программного обеспечения. На основе анализа металлургических процессов в сварочной ванне, кристаллизации металла шва, фазовых 
и структурных превращений в твердом металле в процессе сварочного 
термического цикла трактуются результаты оценки свариваемости. 
Представлены принципиальные металлургические, технологические 
и конструктивные способы обеспечения достаточной свариваемости 
сталей и сплавов.
Для разработчиков свариваемых материалов и специалистов-проектировщиков технологических процессов сварки конструкций, студентов и аспирантов, изучающих теорию сварочных процессов.

УДК 621.79 
ББК 34.641

ISBN 978-5-7038-4940-8

© Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф., 2014
© Макаров Э.Л., Якушин Б.Ф., 2018,
 
с изменениями
© Оформление. Издательство 
 
МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2018

М15
Теория свариваемости сталей и сплавов / Э. Л. Макаров,  
Б. Ф. Якушин ; под ред. Э. Л. Макарова. — 2-е изд., испр. 
и доп. — Mосква : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2018. — 549, [3] с. : ил.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время для производства сварных конструкций 
широко применяют конструкционные стали и сплавы: углеродистые, легированные (низко- и среднелегированные), высоколегированные (аустенитные хромоникелевые и ферритные хромистые) стали, никелевые, алюминиевые и титановые сплавы 
и другие материалы. Одна из важных проблем сварки — обеспечение свариваемости указанных материалов: стойкости против образования сварочных дефектов (трещин, пор, несплавления 
шва с основным металлом), а также механических и специальных 
свойств металла сварных соединений, соответствующих эксплуатационным требованиям.
В монографии с современных позиций рассмотрены теоретические и практические аспекты свариваемости всех упомянутых 
выше материалов. Обращено внимание на прикладной характер 
оценки свариваемости, достаточность которой определяется условиями получения требуемых эксплуатационных свойств сварных соединений. Представлены экспериментальные методы 
оценки показателей свариваемости с использованием сварочных 
технологических проб и специализированных машинных испытаний. Показана возможность применения расчетных методов, 
реализуемых с помощью компьютерных технологий на базе специализированного программного обеспечения. На основе анализа металлургических процессов в сварочной ванне, кристаллизации металла шва, фазовых и структурных превращений в твердом 
металле в процессе сварочного термического цикла трактуются 
результаты оценки свариваемости. Приведены принципиальные 
металлургические, технологические и конструктивные способы 
обеспечения достаточной свариваемости материалов.
Главы 3, 4–9, 14 написаны Э.Л. Макаровым, главы 2, 10–13 — 
Б.Ф. Якушиным, над предисловием и главой 1 авторы работали 
совместно. Общее редактирование монографии выполнено 
Э.Л. Макаровым.

Посвящается памяти Николая 
Никифоровича Прохорова — 
основателя теории технологической прочности металлов при 
сварке

Г л а в а  1

СВАРИВАЕМОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Понятие свариваемости

В сварочной практике традиционно принято различать четыре качественные степени свариваемости: хорошая, удовлетворительная, ограниченная (или трудносвариваемый материал) 
и плохая (или несвариваемый материал) [1]. Однако четко не 
определены признаки, характеризующие ту или иную из них. 
Впрочем, по одной из классификаций выделены следующие 
признаки степени свариваемости:
хорошая, которая означает, что сварные соединения, полученные в заданных технологических и конструктивных условиях сварки, имеют требуемые механические свойства и качество 
(отсутствуют недопустимые дефекты);
удовлетворительная, соответствующая случаю, когда хорошую свариваемость можно обеспечить выбором рационального 
режима сварки;
ограниченная, которая определяется тогда, когда для сварки 
приходится проводить специальные технологические мероприятия (подогрев, отпуск и др.) или изменять ее способ;
плохая — когда никакими мерами невозможно достичь хорошей свариваемости.
Степень свариваемости материала устанавливается в каждом 
конкретном случае в зависимости от заданной технологии и принятого конструктивного оформления сварного соединения.
В настоящее время широко распространен прикладной 
аспект понятия «технологическая свариваемость материалов», 
учитывающий назначение изготовленных из них сварных конструкций [1, 2]. Соответствующее определение понятия «свариваемость» дано в ГОСТ 26001–84: «...свариваемость — свойство 
металлов или сочетания металлов образовывать при установлен

1.2. Методы оценки свариваемости                       5

ной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, 
обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия». Исходя из приведенного определения свариваемость зависит, 
с одной стороны, от материала, технологии сварки и конструктивного оформления соединения, с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции.
Эксплуатационные свойства сварных конструкций должны 
удовлетворять предъявляемым к ним техническим требованиям. 
В зависимости от назначения конструкции это может быть как 
одно свойство, так и комплекс нескольких. Если требования 
к эксплуатационным свойствам сварных соединений с принятыми допущениями будут удовлетворены, то свариваемость 
материалов следует считать достаточной. Если же не обеспечивается минимально приемлемый уровень хотя бы одного из 
эксплуатационных свойств сварного соединения, то свариваемость материала будет признана недостаточной. Стоит отметить, 
что при таком подходе свариваемость одного и того же материала может быть оценена по-разному в зависимости от назначения изделия. В связи с этим достаточная свариваемость для 
заданного варианта конструкции может быть обеспечена оптимальной по сложности и минимальной по трудоемкости и стоимости технологией сварки.

1.2. Методы оценки свариваемости

Количественные показатели свариваемости — это выраженные 
численно характеристики, показывающие степень удовлетворения 
требований к сварным соединениям по качеству (отсутствие дефектов или степени их допустимости) и значениям их механических и специальных свойств. Показатели свариваемости определяют экспериментальными или расчетными методами. В первом 
случае применяют технологические пробы — сварные образцы 
специальной конструкции, в которых моделируются термические 
и деформационные процессы, аналогичные процессам при сварке типовых конструкций из исследуемых материалов с учетом их 
габаритов и технологии сварки. Моделирование выполняется 
путем регулирования режима сварки, искусственного подогрева 
или охлаждения, жесткого закрепления элементов образца при 
сварке или приложения внешних сил. В результате испытаний 
таких образцов выясняют критические условия, в которых 

Глава 1. Свариваемость материалов

появляются дефекты и по которым оценивают склонность материала к образованию дефектов при сварке. На изломах образцов определяют тип дефектов, на шлифах и темплетах, вырезанных из сварных соединений, — структуру, механические и 
специальные свойства различных зон соединений.
В ряде случаев оценку свариваемости выполняют с учетом 
требований к фазовому составу структуры и свойствам локальных зон сварного соединения — зоны сплавления, околошовного участка зоны термического влияния и др. Вследствие 
больших градиентов максимальных температур и скоростей 
охлаждения по сечению сварного соединения локальные зоны 
с относительно постоянными свойствами имеют размеры около 
0,1 мм, что затрудняет их фиксацию и изучение на такой малой 
базе.
Для подобных исследований применяют модельные образцы 
из основного металла (или металла сварного шва), имеющие 
постоянное по длине прямоугольное или круглое сечение, в 
которых на значительной длине (20...50 мм) имитируются сварочные термические или термодеформационные циклы. 
В результате получают базу для исследований, увеличенную во 
много раз по сравнению с аналогом в сварном соединении. 
Сварочные циклы имитируются путем нагрева проходящим 
током, токами высокой частоты, инфракрасным излучением 
с последующим регулируемым охлаждением потоком защитного газа. Также выполняют металлографические исследования 
и механические испытания модельных образцов.
Значения параметров, полученные при испытаниях образцов 
или определенные расчетным путем, по которым оценивают 
склонность материалов к образованию дефектов при сварке 
и механические свойства сварных соединений, принимаются за 
количественные показатели свариваемости.
Расчетные методы определения показателей свариваемости 
материалов основаны на аналитических или статистических 
моделях, описывающих физико-металлургические процессы 
в металлах при сварке, в результате которых формируются структура и механические свойства металла сварных соединений. 
В ряде случаев расчетные методы реализованы в виде компьютерных программ, позволяющих определить количественные 
показатели свариваемости и оптимальные конструктивно-технологические параметры процесса производства сварных конструкций.

1.3. Типовые показатели свариваемости                7

В лабораторной практике показатели свариваемости часто 
используют для сравнительной оценки металлургической (базовой) свариваемости материалов безотносительно к сварке 
конкретных конструкций по одному из показателей (например, 
в отношении склонности к образованию трещин, склонности 
к росту зерна и др.). При испытаниях на свариваемость, проводимых при регламентированных режимах сварки, используют 
образы (технологические пробы) регламентированных типов 
и размеров.
При прикладном использовании сведений о свариваемости 
по отдельным показателям или по их сочетанию судят, достаточна ли свариваемость материала применительно к сварке 
конструкций конкретного типа и поведению сварных соединений при эксплуатации. При этом число показателей свариваемости должно быть равно числу характеристик и свойств, определяющих работоспособность сварных соединений.

1.3. Типовые показатели свариваемости

В практике часто пользуются набором основных показателей, 
типовых для разных видов материалов, технологий сварки, 
назначений и условий эксплуатации сварных конструкций. 
В каждом конкретном случае выбираются основные показатели 
с учетом того, какие свойства и характеристики обеспечивают 
работоспособность сварных конструкций (табл. 1.1).
Такой показатель свариваемости материала, как «склонность 
к образованию трещин», устанавливается по факту их образования в сварном соединении модельных образцов и оценивается качественно или количественно критическим значением 
одного из варьируемых при испытаниях факторов, обусловливающих трещинообразование. Кроме того, применяется показатель свариваемости материала «стойкость против образования 
трещин», который устанавливается по факту отсутствия трещин 
применительно к сварке конкретной конструкции. При использовании расчетных компьютерных методов можно оценить запас 
стойкости против образования трещин как относительное превышение критического значения фактора трещинообразования 
над его действительным значением, характерным для сварной 
конструкции.

Глава 1. Свариваемость материалов

Таблица 1.1

Примеры типовых показателей свариваемости

Материал 
сварной 
конструкции

Характер 
нагружения, условия 
эксплуатации

Типовые показатели 
свариваемости

Низкоуглеродистые стали
Статическое нагружение
Склонность к образованию в 
сварных швах: 
– горячих трещин; 
– газовой пористости

Углеродистые, 
низколегированные 
и среднелегированные 
стали

Статическое нагружение при нормальной температуре

Склонность к образованию:
– холодных трещин в околошовной зоне;
– горячих трещин в сварных 
швах;
нормативные значения механических свойств

Статическое нагружение при отрицательных темпера- 
турах

Склонность к образованию:
– холодных трещин в околошовной зоне; 
– горячих трещин в сварных 
швах;
нормативные значения:
– механических свойств;
– порога хладноломкости

Углеродистые, 
низколегированные 
и среднелегированные 
стали

Циклическое нагружение
Склонность к образованию:
– холодных трещин в околошовной зоне;
– горячих трещин в сварных 
швах;
нормативные значения:
– механических свойств;
– порога хладноломкости;
– предела усталости;
– критического коэффициента интенсивности напряжений

1.3. Типовые показатели свариваемости                9

Материал 
сварной 
конструкции

Характер 
нагружения, условия 
эксплуатации

Типовые показатели 
свариваемости

Высоколегированные 
стали (аустенитные, фер- 
ритные и др.)

Статическое и цик- 
лическое нагружение, корродирующие среды

Склонность к образованию:
– горячих трещин в сварных 
швах;
– межкристаллитной коррозии;
нормативные значения предела 
длительной прочности при повышенных температурах

Никелевые 
сплавы
Статическое и циклическое нагружение, высокие тем- 
пературы, оки- 
сляющие газовые 
среды

Склонность:
– к образованию горячих 
трещин в сварных швах и в 
зоне термического влияния;
— к межкристаллитной коррозии;
нормативные значения предела длительной прочности 
при высоких температурах

Алюминиевые 
сплавы
Статическое и циклическое нагружение

Склонность к образованию: 
– горячих трещин в сварных 
швах; 
– газовой пористости в сварных швах; 
– оксидных пленок

Титановые 
сплавы
Статическое и циклическое нагружение

Склонность к образованию:
– холодных трещин в швах 
и зоне термического влияния;
– газовой пористости в сварных швах и зоне сплавления;
– оксидных пленок (альфированного слоя) на поверхности сварного соединения

Окончание табл. 1.1

Глава 1. Свариваемость материалов

Показатель свариваемости «сопротивляемость образованию 
трещин» определяют при механических испытаниях модельных 
образцов, когда воспроизводится разрушение, соответствующее 
по характеру разрушению металла при образовании трещин. 
При воспроизведении горячих трещин сопротивляемость оценивается критическим темпом высокотемпературной деформации, при воспроизведении холодных трещин — минимальным 
разрушающим напряжением.
Сопротивляемость образованию трещин является парамет- 
ром «технологической прочности металлов и сплавов при сварке». (Данный термин был предложен Н.Н. Прохоровым, профессором МВТУ им. Н.Э. Баумана, в связи со случаями 
разрушения металла сварных соединений в процессе сварки.) 
Технологическая прочность металлов и сплавов — способность 
сохранять сплошность в процессе технологических тепловых 
и силовых воздействий при изготовлении изделий (при сварке, 
литье, обработке давлением и других процессах).
Технологическая прочность — «кинетический» параметр, 
непрерывно изменяющийся в зависимости от температуры, 
агрегатного состояния, фазового состава структуры, скоростных 
характеристик технологических нагрузок и других факторов. Для 
того чтобы выносить суждение о технологической прочности, 
необходимо в процессе всего технологического цикла сопоставлять прочностные и пластические свойства материала с параметрами напряженно-деформированного состояния, создаваемого технологическими нагрузками.
Условие обеспечения технологической прочности — превышение в каждый текущий момент технологического цикла деформационной способности или сопротивления материала 
разрушению над соответствующими параметрами напряженнодеформированного состояния. Невыполнение этого условия 
приводит, например, при сварке к разрушению материала вследствие образования трещин различных типов: горячих, холодных, 
ламелярных и др.
Разрабатывать металлургические, технологические и конструктивные методы обеспечения свариваемости новых материалов и конструкций можно только на основе анализа физикометаллургических процессов при сварке, в результате которых 
формируются структура и напряженно-деформируемое состояние, а регулирование которых позволяет обеспечить требуемые