УДК 621.791.011; 669.14.018.29; 539.512
ИЗУЧЕНИЕ СВАРИВАЕМОСТИ СТАЛИ КЛАССА ПРОЧНОСТИ Х100
© Рингинен Дмитрий Александрович; Частухин Андрей Владимирович; Хадеев Григорий Евгеньевич, канд. техн. наук; Эфрон Леонид Иосифович, д-р техн. наук; Степанов Павел Петрович, канд. техн. наук.
ОАО «Выксунский металлургический завод». Россия, Нижегородская обл., г. Выкса. E-mail: ringinen_da@vsw.ru
Статья поступила 02.12.2013 г.
Путем имитации термических циклов сварки на испытательном комплексе Gleeble-3180 исследовано влияние скорости охлаждения околошовной зоны (ОШЗ) сварного соединения на структуру, механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению трубных сталей класса прочности Х100. Проведено сравнение этих показателей с результатами, полученными при сварке труб, и показана хорошая корреляция данных, полученных в лаборатории и в реальной трубе. Также показано, что метод имитации термических циклов позволяет оценивать свойства зон термического влияния без сопутствующих технологических факторов при реальной сварке труб. Результаты исследования позволили установить диапазон скоростей охлаждения ОШЗ, обеспечивающих получение необходимых значений свойств продольных швов труб большого диаметра из стали класса прочности Х100.
Ключевые слова: свариваемость; трубная сталь класса прочности X100; зона термического влияния; фазовые превращения; бейнит; ударная вязкость; комплекс Gleeble.
Современные магистральные трубопроводы - это высоконагруженные электросварные конструкции, работающие в экстремальных условиях под действием внутреннего давления и внешних неблагоприятных условий.
В настоящее время происходит переход к трубопроводам нового поколения, характеризующимся повышенной экономической и эксплуатационной эффективностью благодаря использованию высокопрочных сталей и труб с минимальной металлоемкостью. Сварка таких высокопрочных труб является актуальной проблемой как при производстве электросварных труб, так и при монтаже трубопроводов [1].
Одна из важнейших технологических характеристик сталей, применяемых в сварных конструкциях, - свариваемость.
Поскольку число показателей, характеризующих свойства основного металла, велико, технологическая свариваемость является комплексной характеристикой, включающей в себя следующие показатели [2]:
- реакцию металла на термический цикл свар-
5 ки;
- сопротивляемость образованию горячих ^ трещин;
- сопротивляемость замедленному разруше-£ нию при сварке (холодные трещины);
< - соответствие свойств сварного соединения
г заданным эксплуатационным свойствам.
Практически все процессы, протекающие в стали при сварке, а также механические, технологические и служебные свойства сварных соединений зависят от термических циклов сварки и в значительной степени могут определяться их параметрами. Поэтому при изучении сварочных процессов важное место отводится расчетному и экспериментальному определению термических циклов сварки.
Для сварного соединения высокопрочных низколегированных трубных сталей наиболее низкий уровень ударной вязкости отмечается в околошовной зоне (ОШЗ) основного металла, соприкасающейся с расплавленным металлом шва, где происходят существенное огрубление микроструктуры и рост зерна в результате перегрева [3, 4]. Микроструктура металла ОШЗ также в значительной мере определяется временем охлаждения в интервале температур фазовых превращений. В зависимости от химического состава стали и условий охлаждения микроструктура ОШЗ может изменяться от мартенсита через бей-нит различной морфологии до ферритно-перлит-ной смеси. Оценка свариваемости стали методом имитации термических циклов в ОШЗ при сварке позволяет получить ряд важных результатов для корректировки химического состава стали и технологических параметров сварки. Метод основан на зависимости структуры и свойств металла ОШЗ от скорости охлаждения, которая, в свою
очередь, связана с тепловложением при сварке (чем больше тепловложение, тем меньше скорость охлаждения) [5].
Цель работы - оценить технологическую свариваемость и изучить влияние скорости охлаждения околошовной зоны на механические свойства и микроструктуру стали класса прочности Х100.
Для исследования был выбран основной металл трубы - сталь категории прочности Х100 следующего химического состава, мас. %: С 0,05;
0,12; Мп 1,87; Р 0,004; Б 0,001; (Сг+Мо+М+Си) 0,83; N 0,005; (ЫЬ+Т1+У) 0,089; Сщ = 0,47; Рст = 0,19.
В ходе исследования были изучены фазовые превращения аустенита в металле ОШЗ, а также проведены эксперименты, позволяющие исследовать влияние режима охлаждения сварного соединения на ударную вязкость ОШЗ при различных температурах. Эксперименты были осуществлены на испытательном комплексе С1ее-Ь1е 3180 с использованием образцов сечением 10x10 мм и длиной 90 мм, вырезанных из трубы в поперечном направлении. Нагрев образца осуществляли прямым пропусканием тока, охлаждение - теплоотводом через медные захваты. Оба эти процесса контролировали с помощью Р1:-КЬ термопары, припаянной к центру рабочей зоны образца (рис. 1).
Эта методика отличается от широко используемой в России методики изучения свариваемости, согласно которой образцы сначала нагревают в индукторе, затем охлаждают в различных средах для создания различной скорости охлаждения [6, 7]. Использование комплекса С1ееЬ1е для изучения свариваемости позволяет исключить человеческий фактор и гарантированно обеспечить постоянство ТЦ для образцов, обработанных по
одному режиму. Кроме этого, комплекс С1ееЬ1е позволяет воспроизвести именно сварочный цикл охлаждения, так как условия охлаждения в различных средах не повторяют точно термические циклы ЗТВ как при сварке.
Для расчета термических циклов сварки применяли следующее уравнение [8]:
т=
d^JÄrikcpt
ехр
4д£
-bt
+ То>
где Q - тепловложение, X - теплопроводность, ^ - толщина свариваемого листа, с - удельная теплоемкость, р - плотность, а = Х/ср - температуропроводность, Ь = 2а/срй - коэффициент темпе-ратуроотдачи (а - коэффициент поверхностной теплоотдачи); расстояние от очага сварки до моделируемой точки г определяется по формуле
г =
1
4TP-T0)d 0,121 Q
0,121 Q
2 Ь
Рис. 1. Вид рабочей камеры Gleeble-3180 с установленным образцом
где Т0 - температура металла перед сваркой, Тр -максимальная температура металла в исследуемой точке ЗТВ.
В большинстве исследований свариваемости сталей методом имитации термических циклов за максимальную температуру теплового воздействия принимают Tmax = 1350 °С [9], которая соответствует температуре наиболее интенсивного роста аустенитных зерен. Для широкого диапазона условий сварки точка, нагреваемая до такой пиковой температуры, отстоит от линии сплавления примерно на 0,1-0,2 мм.
Образцы нагревали со скоростью 300 °С/с, что соответствовало средней скорости нагрева при сварке листа толщиной 20 мм. Для изучения влияния режима охлаждения на ударную вязкость образцов скорость охлаждения в интервале температур 800-500 °С (w8/5) изменяли в интервале 0,6-195 °С/с.
Склонность металла к хрупкому разрушению оценивали по результатам испытания на ударный изгиб образцов после имитации термических циклов ОШЗ. Для исследования ударной вязкости из испытанных образцов изготавливали образцы размерами 10x10x55 мм с острым надрезом (KCV) и проводили испытания в интервале температур от +20 до -60 °С. Испытания на ударный изгиб проводили на маятниковом копре Zwick PSW 750.
Построение термокинетических диаграмм распада аустенита производили на автоматиче-
ском дилатометре DIL 805 A/D с использованием цилиндрических цельных образцов диам. 4 мм и длиной 10 мм, отобранных от основного металла трубы. Режимы нагрева и охлаждения образцов были аналогичны режимам на Gleeble 3180.
Металлографическое исследование проводили при помощи металлографического микроскопа Axio Observer Dim. Металлографические шлифы изготавливали из средней части дилатометрических образцов в сечении, перпендикулярном их оси. После стандартной методики приготовления металлографических шлифов исследуемую поверхность травили в 4%-ном спиртовом растворе азотной кислоты для выявления конечной структуры. Для выявления МА-составляющей использовали реактив Ле Пера.
Твердость по методу Виккерса при нагрузке 200 г замеряли с использованием автоматического микротвердомера KB 30.
Для определения соответствия экспериментов по имитации термического цикла сварки в ОШЗ трубы на комплексе Gleeble 3180 реальным тепловым процессам, происходящим в ходе сварки, было проведено сравнение микроструктур, значений ударной вязкости и твердости ОШЗ, полученных в результате реальной сварки и ее имитации. С этой целью подготовили шлиф сварного соединения трубы, на котором измеряли твердость участков ОШЗ и изучали их микроструктуру, а также испытали на ударную вязкость образцы, изготовленные из металла ОШЗ по требованиям стандарта DNV-0S-F101. Надрез по линии сплавления включал 50% ОШЗ и 50% металла шва.
Термокинетический анализ полиморфных превращений аустенита. Данные, полученные при изучении распада аустенита, показывают, что после сварочного нагрева исследуемая сталь обладает высокой устойчивостью аустенита к фер-ритному и перлитному превращениям (рис. 2). Перлитного и ферритного превращений в исследованном диапазоне скоростей охлаждения не обнаружено. Высокая устойчивость исследуемой стали в области ферритного превращения объясняется формированием при нагреве до 1350 °С перед началом охлаждения крупного зерна аусте-нита (рис. 3) и с повышенным содержанием в составе стали марганца, никеля и молибдена.
На термокинетической диаграмме хорошо заметно снижение температур начала и окончания бейнитного превращения при увеличении скорости охлаждения. Начало образования бейнита реечной морфологии (РБ) показано пунктирной
700 -650 600 U 550 -Ц, 500 ■ я 450 ■
Ср
0J
е 400 -
си
Н 350 -300 250 -200
------ 100
МУ02 '351 >30$284 \269 ^59 ' t 1 1 \ V8/5, °C/c'.195 192'. 63 \31,5 18,8
Т , С 1,54 Д,28\4,76 \,5 16
221 V
t£7,5
Sis 0,6 500
10
100 Время, с
1000
Рис. 2. Термокинетическая диаграмма фазовых превращений стали категории прочности Х100 в ОШЗ
линией (см.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.