научная статья по теме СТРУКТУРА И ВЯЗКОСТЬ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА И ВЯЗКОСТЬ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ»

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 621.791.019:620.186

СТРУКТУРА И ВЯЗКОСТЬ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛИ

© 2014 г. Т. И. Табатчикова*, А. Д. Носов**, С. Н. Гончаров**, Н. З. Гуднев**, С. Ю. Дельгадо Рейна*, И. Л. Яковлева*

*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ОАО "Уралтрансмаш", 620027Екатеринбург, ул. Свердлова, 6 e-mail: phym@imp.uran.ru; post@uraltransmash.ru Поступила в редакцию 09.06.2014 г.; в окончательном варианте — 27.06.2014 г.

Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследована структура сварных соединений высокопрочной конструкционной стали с различным типом металла шва. Определена ударная вязкость зоны термического влияния (ЗТВ) при температурах +20°С, —40°С. На основе фрактографических исследований характера излома сварных соединений после испытаний на ударный изгиб определены участки ЗТВ, наиболее опасные для возникновения трещин. Указаны структурные факторы, влияющие на хрупкость околошовной зоны сварных соединений с аустенитным металлом шва — наличие аустенитно-бейнитной структуры, крупных выделений карбидов, распределение водорода.

Ключевые слова: зона термического влияния, сварное соединение, холодные трещины, ударная вязкость.

DOI: 10.7868/S0015323014120079

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных затруднений при сварке высокопрочных сталей является снижение пластичности и вязкости металла околошовной зоны, а также образование в ней холодных трещин, являющихся типичным дефектом сварных соединений среднелегированных сталей бейнитного и мартенситного классов [1, 2].

При сварке высокопрочных сталей под действием термического цикла сварки металл шва и зоны термического влияния (ЗТВ) претерпевает фазовые и структурные превращения, свидетельствующие о достижении соответствующими участками этой зоны максимальных температур нагрева в процессе сварки и указывающие на длительность их пребывания при данных температурах [3, 4]. Характер этих превращений обусловливает уровень стойкости сварных соединений к образованию холодных трещин.

Наиболее опасным участком околошовной зоны при сварке высокопрочных среднелегирован-ных сталей являются зона сплавления и прилегающий к ней участок перегрева ЗТВ, в котором, даже в условиях кратковременного пребывания металла при высоких температурах (выше 1200°С), наблюдается значительный рост аустенитных зерен и образование при последующем охлаждении закалочных структур. Чем выше содержание углерода в

стали, тем шире участок перегрева и тем ниже ее критическая скорость охлаждения. При значительных толщинах свариваемой стали, неправильно выбранных режимах сварки, а также вследствие высокой теплопроводности металла скорость отвода тепла от зоны термического влияния может оказаться выше критической скорости охлаждения данной стали, в этом случае на участке перегрева образуется прослойка мартенсита. Объемные изменения, связанные с появлением мартенсита, и сравнительно низкая температура, при которой происходит его образование, создают условия для возникновения сложного напряженного состояния в сварных изделиях, которое, с учетом низкой деформационной способности мартенсита, способствует появлению холодных трещин. Они зарождаются как субмикроскопические трещины, преимущественно в околошовной зоне по границам аустенитного зерна.

Известно, что при использовании для сварки феррито-перлитной проволоки в металле шва образуется феррито-бейнитная структура [5], а металл ЗТВ подвергается значительному перегреву, так как температура плавления низкоуглеродистой стали, из которой изготовлен электрод, превышает 1500°С, вследствие чего происходит интенсивная гомогенизация и рост зерна аустенита [4]. Использование для сварки аустенитной про-

Таблица 1. Химический состав стали, мас. %

C Si Mn Cr Ni Cu Mo S P

0.35 1.00 0.75 0.60 1.65 0.14 0.41 0.003 0.007

волоки, которая плавится при температуре, близкой к 1400°С, позволяет сократить время пребывания металла при высокой температуре. Поскольку в данном случае температура кристаллизации металла шва значительно ниже, перегрев металла ЗТВ уменьшается. Это способствует увеличению показателя неоднородности аустенита при одновременном повышении температуры начала у ^ ^ а-превращения, а также развитию процесса самоотпуска [6].

Высокая стойкость к образованию холодных трещин у сварных соединений с аустенитными швами объясняется повышенной деформационной способностью аустенитного металла и возможным понижением уровня напряжений в ЗТВ вследствие локализации деформации в шве [7], а также развитием при сварке процесса миграции углерода из основного металла в шов и понижением его содержания в ЗТВ [8].

Кроме того, существует мнение, что аустенит-ная проволока может заполнить дефекты и устранить или ослабить образование холодных трещин, поскольку имеет температуру плавления ниже температуры плавления основного металла [4, 9]. В то же время аустенит, располагаясь по границам оплавленных крупных зерен участка перегрева, вероятно, несколько повышает общую пластичность этого участка, что весьма существенно увеличивает стойкость сварного соединения к образованию холодных трещин.

Эффективным методом, который позволит выяснить механизм сложного и неоднозначного влияния типа металла шва на склонность к возникновению холодных трещин, является определение ударной вязкости металла околошовной зоны. В связи с этим целью настоящей работы явилось исследование влияния структуры шва и ЗТВ на характер разрушения сварных соединений и, исходя

Таблица 2. Режимы сварки и составы сварочных проволок

Сварочная проволока Сила тока I, A Напряжение дуги U, B

120-130 18.5

Св-08Х20Н9Г7Т 150-160 20.5

180-195 21.5

120-130 18.5

Св-10ГСМТ 150-160 19.5

180-195 21.5

из этого, определение зон наиболее опасных с точки зрения возникновения трещин.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследовали структуру околошовной зоны сварных соединений из стали типа 35ХГН2СМ, произведенных по технологии механизированной сварки плавящимся электродом в смеси газов на основе аргона. Химический состав исследуемой стали приведен в табл. 1.

Для получения сварных соединений использовали два вида сварочных проволок: Св-08Х20Н9Г7Т, позволяющей получить аустенит-ную структуру шва, и Св-10ГСМТ, обеспечивающей формирование феррито-бейнитной структуры шва. Сварку производили по режимам, указанным в табл. 2.

Структуру околошовной зоны исследовали методом оптической микроскопии на микроскопе Neophot-30, а также методом просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции на микроскопе JEM- 200CX.

Испытания на ударный изгиб проводили по ГОСТ 9454-78 на машине PVT 30, образцы тип 1, ^конц =1.0 мм. Сварные образцы для испытаний на ударный изгиб были получены с использованием режимов, аналогичных указанным в табл. 2. Фрактографические исследования проводили на сканирующем микроскопе Quanta 200.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Исследование структуры зоны термического влияния, формирующейся вблизи сварного шва, позволило определить участки, являющиеся наиболее опасными с точки зрения возникновения холодных трещин.

Металлографическое исследование показало, что при кратковременном нагреве в процессе сварки металл околошовной зоны претерпевает а ^ у-превращение. По мере нагрева выше температуры Ас3 аустенитное зерно растет и даже при небольшой продолжительности пребывания при высоких температурах в процессе нагрева и охлаждения (при сварке в среде СО2 время нагрева составляет 2—4 с) успевает вырасти до значительных размеров.

При сварке с использованием феррито-пер-литной сварочной проволоки в участке перегрева ЗТВ аустенитное зерно успевает вырасти до 100—

Рис. 1. Микроструктура участка перегрева ЗТВ в сварных соединениях с ферритным (а) и аустенитным (б) швами. Режим сварки: 1св = 120—130 А, исв = 18.5 В.

Рис. 2. Структура участка перегрева в сварном соединении с ферритным швом:

а — реечный мартенсит; б — частицы цементита внутри реек. Режим сварки: 1св = 120—130 А, исв = 18.5 В.

150 мкм (рис. 1а), а при сварке аустенитной сварочной проволокой — до 50—80 мкм (рис. 1б). При высокой скорости охлаждения за счет теплоотво-да вглубь металла в ЗТВ происходит у ^ а-пре-вращение, которое приводит при значительном содержании легирующих элементов в исследуемой стали к образованию мартенсита или смеси мартенсита с бейнитом.

Наиболее важное заключение, следующее из металлографических и электронно-микроскопических наблюдений, состоит в том, что при сварке феррито-перлитной проволокой участок перегрева в стали 35ХГН2СМ приобретает почти полностью мартенситную структуру (рис. 1а), образовавшуюся в результате распада крупных аустенит-ных зерен в участках, прилегающих к границе сплавления и нагревавшихся при сварке до температур выше 1200°С и близких к температуре плавления. Мартенсит состоит из реек а-фазы, сгруп-

пированных в пакеты (рис. 2а), на границах реек присутствуют тонкие прослойки остаточного аустенита. Внутри реек а-фазы выделились тонкие пластинки частиц цементита, что указывает на развитие самоотпуска (указаны стрелками на рис. 2б). Напротив, при сварке аустенитной сварочной проволокой при всех использованных режимах структура участка перегрева представляет собой смесь мартенсита и бейнита, состоящего из кристаллов а-фазы вытянутой или неправильной формы (рис. 3а) и значительного количества остаточного аустенита, что хорошо видно на тем-нопольном изображении, полученном в рефлексе (200)у (рис. 3б).

Результаты исследований соответствуют данным работы [6], из которой известно, что использование аустенитной сварочной проволоки с более низкой температурой плавления приводит к меньшему перегреву околошовной зоны и умень-

Рис. 3. Структура участка перегрева в сварном соединении стали с аустенитным швом:

а — участок бейнита, светлопольное изображение; б — остаточный аустенит, темнопольное изображение в рефлексе (200)у. Режим сварки: 1св = 120-130 А, исв = 18.5 В.

шению количества крупноигольчатого мартенсита в конечной структуре. Известно [10-12], что чем меньш

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