научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА АУСТЕНИТА В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА АУСТЕНИТА В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ»

УДК 669.15-194:539.25

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА АУСТЕНИТА В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

© 2015 г. Л. А. Ефименко, А. А. Рамусь, А. О. Меркулова

РТУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 119991 Москва, Ленинский просп., 65, корп. 1

e-mail: svarka@gubkin.ru Поступила в редакцию 24.07.2014 г.; в окончательном варианте — 19.11.2014 г.

Исследованы особенности кинетики распада аустенита в зоне термического влияния сварных соединений малоуглеродистых микролегированных высокопрочных сталей. Предложен подход к выбору параметров термического цикла сварки, обеспечивающих эксплуатационные характеристики сварных соединений на уровне не ниже нормативных требований.

Ключевые слова: кинетика распада аустенита, зона термического влияния, сварные соединения, высокопрочные трубные стали.

DOI: 10.7868/S001532301505006X

ВВЕДЕНИЕ

Зона термического влияния (ЗТВ) является наиболее опасным участком сварных соединений, характеризуется значительной гетерогенностью структуры и свойств. Гетерогенность определяется особенностями кинетики распада аустенита металла участков ЗТВ с различными максимальными температурами нагрева. Влияние максимальной температуры нагрева на процессы структурообра-зования в низкоуглеродистых низколегированных сталях достаточно полно изучено в [1—4].

Цель данных исследований — изучение особенностей кинетики распада аустенита в различных участках ЗТВ сварных соединений из перспективных малоуглеродистых микролегированных сталей категории прочности К65 (Х70), К70 (Х90).

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Химический и исходный структурно-фазовый составы исследованных сталей приведен в таблице и на рис. 1.

Анализ микроструктуры (рис. 1а, 1в) рассматриваемых сталей показал, что общим для них является наличие высокодисперсной ферритно-карбидной смеси. Содержание ферритной фазы составляет 10—15%. Средний диаметр ферритно-го зерна 5.7 мкм (номер зерна 12) и 3.2 мкм (номер зерна 13—14) для стали категории прочности К65 и К70 соответственно. Морфология бейнитной составляющей представляет собой смесь нижнего и верхнего бейнита. Отличительной особенностью сталей К65 и К70, по [5—10] и по результатам электронно-микроскопических исследований,

Химический состав исследованных высокопрочных сталей

Категория

Содержание химических элементов, мас. %

стали С Si Mn P S Ni Mo Cr Cu Al V Ti Nb B

К65 0.084 0.22 1.90 0.012 <0.002 0.21 0.25 0.062 0.05 0.044 <0.005 0.018 0.048 -

К70 0.066 0.25 1.81 0.005 <0.0007 0.24 0.255 0.008 0.23 0.02 0.046 0.0178 0.053 0.0003

Рис. 1. Фотографии микроструктур (а, в — оптическая металлография; б, в — сканирующая электронная микроскопия) сталей категории прочности К65 (а, б) и К70 (в, г).

является наличие в структуре мартенситно-аусте-нитной составляющей (рис. 1б, 1г).

Структурную гетерогенность участков ЗТВ изучали при моделировании сварочных процессов на установке марки "Power Cube 90/180". При этом максимальная температура нагрева (Tmax) изменялась от 1350 до 850°С с интервалом 100°С, а скорость охлаждения (w8_5) в интервале температур диффузионного распада аустенита (800— 500°С) — от 3 до 60°С/с. Влияние термического цикла сварки на процессы распада аустенита изучали с использованием сварочного дилатометра марки "L78 RITA", в камере которого проводился нагрев и охлаждение образцов. Реализуемые параметры термического цикла сварки соответствовали: Tmax = 1350 и 850°С; w8-5 изменялась в диапазоне от 0.5 до 100°С/с. Для получения высокой скорости охлаждения 60—100°С/с использовались цилиндрические полые образцы наружным диаметром 3 мм, длиной 10 мм и толщиной стенки 0.5 мм.

Структурно-фазовый состав определяли методом оптической металлографии с использованием микроскопа марки "Meiji IM7200", оснащенного анализатором изображения "Thixomet Pro". Морфологию структуры изучали с использованием сканирующей электронной (микроскоп марки "Phenom ProX") и просвечивающей электронной (микроскоп марки "JEM-200CX") микроскопии. Твердость металла в зоне термического влияния определяли в соответствии с ГОСТ 2999-75 методом Виккерса на автоматическом твердомере марки "Durascan-50". Исследование сопротивления металла хрупкому разрушению проводили с использованием маятникового копра марки "INSTRON MPX-450".

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 представлены фотографии микроструктуры различных участков ЗТВ сварных соединений исследованных сталей.

Рис. 2. Фотографии микроструктуры металла участков зоны термического влияния с максимальной температурой нагрева 1359°С (а, б); 1250°С (в, г); 1150°С (д, е); 950°С (ж, з); 850°С (и, к) сталей категории прочности К65 (а, в, д, ж, и) и К70 (б, г, е, з, к), сформированная при скорости охлаждения 3°С/с.

Рис. 3. Морфология выделения бейнитной составляющей в структуре металла участков ЗТВ с максимальными температурами нагрева 1350°С (а) и 850°С (б) сталей категории прочности К65 и К70.

Как видно из рисунка, максимальные температуры нагрева оказывают существенное влияние на изменение структурно-фазового состава обеих сталей и значения их твердости. Так при сопоставимых скоростях охлаждения (^8_5 = 3°С/с) структура стали категории прочности К65 изменяется от преимущественно бейнитной, на участке с максимальной температурой нагрева 1350°С, до смеси феррита (50—55%) и бейнита на участке с Ттах = 850°С. При этом меняется не только количество составляющих структуры, но и их морфология. Таким образом на околошовном участке (ОШУ) наблюдаются пакеты реечного бейнитно-го феррита (размером 40.7—44.8 мкм) (рис. 2а, 3а), твердость металла составляет 225—235 ИУ10. На участке с максимальной температурой нагрева 850°С бейнитная составляющая представлена глобулярной формой выделения (рис. 2д, 3б). Твердость металла составляет 200—210 НУ10. Аналогичные изменения структуры при указанных максимальных температурах нагрева и скоростях охлаждения характерны и для стали категории прочности К70.

На рис. 4 и 5 сопоставлены анизотермические (термокинетические) и структурные диаграммы распада аустенита участков ЗТВ с максимальной и минимальной температурами нагрева.

Сопоставление анизотермических диаграмм распада аустенита в околошовном участке (Ттах = = 1350°С) и участке неполной перекристаллизации (Ттах = 850°С) ЗТВ сталей категории прочности К65 и К70 (см. рис. 4) показало следующее. Аустенит низкотемпературного участка характеризуется большей концентрационной неоднородностью (вследствие неполного растворения карбидов и незавершенности процессов гомогенизации) и имеет меньшую устойчивость к распаду (в отличие от околошовного участка). Это проявляется в смещении соответствующих кривых на диаграмме в область меньшей длительности и повышенных

температур. В частности, температура начала появления феррита на участке с Ттах = 850°С примерно на 50 и на 100°С выше, чем на околошовном участке сталей К65 и К70 соответственно. Расширяется и диапазон скоростей охлаждения (^8_5 до 45°С/с) возможного появления ферритной фазы в структуре. Бейнитное превращение на участке с Ттах = 850°С наблюдается в диапазоне скоростей охлаждения 0.5—100°С/с. Температуры начала бейнитного превращения повышаются примерно на 40 и 80°С и составляют 640 и 710°С для сталей К65 и К70 соответственно.

Сопоставление структурных диаграмм ОШУ и участка ЗТВ с максимальной температурой нагрева 850°С (см. рис. 5) показало, что снижение температуры аустенизации способствует увеличению объема диффузионного превращения аустенита. Это выражается в повышенном содержании феррита в структуре низкотемпературного участка ЗТВ по сравнению с высокотемпературным. Так содержание ферритной фазы в структуре участка с максимальной температурой нагрева 850°С в диапазоне скоростей охлаждения 0.5—10°С/с изменяется от 60 до 45% для стали К65 (рис. 5а) и от 45 до 35% — сталь К70 (рис. 5б). При этом средний диаметр ферритного зерна (<Зу) при скорости охлаждения 3°С/с составляет не более 7.4 ± 1.2 мкм для обеих сталей.

Выделение ферритной фазы в структуре низкотемпературного участка ЗТВ прекращается при ^8-5 ~ 45°С/с в отличие от ОШУ ЗТВ, где область ферритного превращения ограничивается скоростью охлаждения порядка 10°С/с (см. рис. 5).

На ОШУ ЗТВ повышение скорости охлаждения приводит к уменьшению размера пакета бейнита. Так при ^8_5 ~ 10 и 40°С/с его величина составляет (35.2-40.3) ± 1.2 мкм и (33.1-27.4) ± 1.2 мкм соответственно.

1100 1000 900 800

U

"ее 700 g

й 600 ft (U

ܧ 500

<D

H

400

300 200 100

0 0.1

1000 900 800 700

и

о

ce 600

s

îï

a 500

(U

G

§ 400 H

300 200 100

0 0.1

ЕФИМЕНКО и др. (а)

_J_I_I_I_I I I I I

©-©

J_Li_I_I I I I I_i_l_I_I_I_I_

10

100

1000

Время, с (б)

\HVm 277 268 249 240 236 228 214 188

----П- H 1 "VI ----Г..... ■.....г —

\HV10 340 293 252 235 229 215

°C/c I—(70)60

_i_I_I_I_■ ■ ■ ■ '

_i_I_I_I_■ ■ ■ ■ '

33 P0(2y(1H-(10

li_■ . . Ii

I-ф-^15)

_I_LL_I_I_I I I I I_Ll_

10000

—I_I_I_I I I I I

10

100

1000

10000

Время, с

Рис. 4. Анизотермические диаграммы распада аустенита в участках ЗТВ с максимальными температурами нагрева 1350°С (—) и 850°С (----) сталей категории прочности К65 (а) и К70 (б).

1

1

Формирование мартенситной фазы в околошовном участке фиксируется при скоростях охлаждения 40—50°С/с (см. рис. 5), при этом ее содержание в структуре не превышает 10%. С увеличением скорости охлаждения количество мар-

тенсита в структуре быстро возрастает и уже при ^8-5 = 100°С/с составляет 95-98%.

Отмеченные изменения структурно-фазового состава в исследуемых участках ЗТВ обуславливают различия в их свойствах.

KCV-40, Дж/см2

Структурное состояние, %

(а)

500 -100 " B %

90 -

400 " 80 -

70 -

300 60 -

50 -

200 - 40

30 -

100 - 20 -

50 0 - 10

Ï

M

WS-5 = 3°C/c

^8-5 = 15°С/с ^8-5 = 45°С/с

Микроструктура металла участка ЗТВ с Ттах = 1350°С

WS-5 = 3°C/c

w8-5 = 15°C/c

w8-5 = 60°C/c

Микроструктура металла участка ЗТВ с Ттах = 850°C

Рис. 5. Структурные диаграммы участков ЗТВ с максимальными температурами нагрева 1350°С (----) и 850°С (—) сталей категории прочности К65 (а) и К70 (б) с нанес енными кри

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»