Качество сварных соединений среднеуглеродистых легированных сталей во многом определяется свойствами зоны термического влияния и прежде всего ее стойкостью к образованию холодных трещин. Склонность к образованию холодных трещин связывают с формированием высокотемпературной химической микро-неоднородностью (ВХМН) у линии сплавления и последующим превращением аустенита в мартенсит в околошовной зоне (ОШЗ), характером и величиной сварочных напряжений, насыщением и распределением водорода в процессе сварки. Вероятность появления холодных трещин в шве и ОШЗ увеличивается при сварке среднеуглеродистых легированных сталей проволокой, близкой по химическому составу к основному металлу. Холодные трещины образуются в интервале температур мартенситного превращения (250 °С и ниже), а также после полного остывания сварного изделия, иногда спустя значительное время после сварки (через 24– 48 ч).

В настоящее время принято считать, что основными причинами образования холодных трещин являются следующие:

1) закалочные структуры в зоне сварного соединения, характеризующиеся пониженной пластичностью и придающие сталям склонность к замедленному разрушению;

2) присутствие диффузионно-подвижного водорода в зоне зарождения и развития трещины;

3) сварочные напряжения 1 рода и напряжения от внешних нагрузок.

Известно, что структурно-фазовое состояние металла во многом определяет его механические свойства. Формирование структуры и фазового состава металла зависит от его химического состава и условий теплового воздействия, главным образом – от скорости охлаждения в температурном интервале распада аустенита. Характер теплового воздействия на металл при сварке определяется термическим циклом сварки (ТЦС), зависящим при прочих равных условиях от режима и условий сварки.

В зависимости от скорости охлаждения в сталях возможно образование различных структур: от феррито-перлитных до мартенситных. Термические циклы при сварке многих сталей характеризуется скоростью охлаждения, часто превышающей критическую для данной стали. В таких случаях в металле шва и ЗТВ возникают закалочные структуры мартенситного типа. Сварные соединения с такой структурой оказываются малопластичными и, как правило, склонными к образованию холодных трещин и замедленному разрушению. Ориентировочно минимальная доля мартенсита в структуре перлитных сталей, при которой возможно образование холодных трещин, составляет 25–30 %.

Мартенситные превращения основной части аустенита обычно протекают при пониженных температурах (250 °С и ниже), когда металл уже приобрел прочность, сопровождаются значительным увеличением объема, что приводит к возникновению структурных напряжений. По сравнению с другими структурными составляющими мартенсит характеризуется высокой твердостью, прочностью и низкой пластичностью.
Углерод и большинство легирующих элементов повышают устойчивость аустенита, способствуют распаду его при более низких температурах с образованием мартенсита, повышая тем самым вероятность возникновения холодных трещин в сварных соединениях.
В образовании холодных трещин при сварке значительную роль играет водород. В начальный момент после сварки максимальная концентрация водорода наблюдается в металле шва, откуда он диффундирует в области с меньшей концентрацией: околошовную зону и далее в основной металл. При наличии в ОШЗ закалочных структур водород задерживается в ней, так как коэффициент диффузии его в мартенсите в несколько раз меньше, чем в ферритоперлитной структуре. Попадая в микронесплошности (поры, микротрещины), водород переходит в молекулярную форму, развивая постепенно в таких несплошностях высокие давления, которые приводят к развитию холодных трещин.
Влияние водорода на развитие и рост трещин связывают также и с тем, что водород снижает поверхностную энергию, т.е. уменьшает работу развития трещины. Существуют и другие взгляды, объясняющие влияние водорода на склонность сталей к образованию холодных трещин при сварке.

Временные напряжения в сварном соединении возникают и непрерывно изменяются в процессе его охлаждения в результате усадки и фазовых превращений в металле шва и околошовной зоны. В зависимости от величины временных сварочных напряжений, при температурах близких к температуре начала мартенситного превращения, в ОШЗ наблюдаются различные упругопластические деформации. Это оказывает заметное влияние на кинетику превращения переохлажденного аустенита в этой зоне и, следовательно, на конечную структуру и свойства металла.

Характер и уровень временных напряжений зависят от конструкции сварного узла, способа, режима, условий, техники сварки и других факторов, важная роль среди которых отводится химическому составу металла шва.

Кроме отмеченных факторов, на склонность сталей к образованию холодных трещин оказывают влияние количество, состав, характер распределения и форма неметаллических включений в основном металле. Наиболее неблагоприятной формой неметаллических включений является пленкообразная. При неблагоприятной форме и цепочкообразном расположении включений в месте их скопления возможно зарождение надрывов (особый вид горячих трещин), которые могут служить очагами для последующего зарождения холодных трещин. С уменьшением количества неметаллических включений и при более равномерном их распределении вероятность образования надрывов уменьшается. Равномерное и мелкодисперсное распределение неметаллических включений затрудняет зарождение и распространение холодных трещин.

Верхняя граница начала мартенситного превращения и склонность стали к образованию холодных трещин зависят от вида легирующих элементов и от их содержания в стали. С увеличением содержания углерода возрастает склонность стали к образованию холодных трещин. При повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена, и некоторых других элементов снижается температура мартенситного превращения в легированных сталях. Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем больше вероятность появления холодных трещин. О склонности стали к образованию холодных трещин и ее свариваемости ориентировочно судят по коэффициенту эквивалентного содержания углерода, рассчитываемого по относительному содержанию легирующих элементов.

Стали, у которых Сэ ? 0,45 %, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин, так как в этом случае становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжениях может вызвать образование трещин.

Вероятность появления закалочных трещин возрастает с увеличением толщины свариваемого металла. Толщина металла оказывает влияние, как на термический цикл, так и на уровень сварочных напряжений и содержание водорода в сварном шве.

Согласно рекомендациям по использованию этой формулы, для ответственных сварных конструкций может быть применена сталь с содержанием углерода не более 0,22% и Cэ ? 0,50%. Однако, при сварке сталей склонных к образованию закалочных структур, у которых Сэ ? 0,45 %, значение Сэ не может служить показателем действительной склонности сварного соединения к образованию холодных трещин, т.к. не учитывает концентрацию высоких сварочных напряжений и степень насыщения водородом металла сварного соединения.