Структурна неоднорідність з'єднань маловуглецевих низьколегованих трубних сталей, виконаних зварюванням тиском з нагрівом

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

Спеціальність 05.16.01. “Металознавство та термічна обробка металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Структурна неоднорідність з'єднань маловуглецевих низьколегованих трубних сталей, виконаних зварюванням тиском з нагрівом

Григоренко Світлана Георгіївна

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Харченко Геннадій Костянтинович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Ошкадьоров Станіслав Петрович

завідувач відділу інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова

доктор технічних наук, професор

Кіндрачук Мирослав Васильович

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України, відділ фазових перетворень, м. Київ

Захист відбудеться “ 11 ” 04 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, 03680, м. Київ-142, пр - т Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, 03680 м. Київ-142, пр - т Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий “ 06 ” 03 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук А.В. Чорновіл

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Україна нафто- і газодобувна держава і займається транспортуванням цих продуктів через свою територію. Тому для промисловості України становлять інтерес прогресивні високопродуктивні способи зварювання, що забезпечують зниження енергоємності, матеріалоємності і собівартості будівництва трубопроводів. У результаті багаторічних і всебічних досліджень були створені і вже успішно використовуються принципово нові технології та гама машин для контактного стикового зварювання беззупинним оплавленням неповоротних стиків труб діаметром 114 - 1420 мм. Контактне стикове зварювання оплавленням - один з різновидів зварювання тиском, при якому з'єднання деталей відбувається в процесі взаємної деформації торців, попередньо нагрітих до температури плавлення матеріалів, що зварюються. Деформація торців відбувається на великій швидкості. Основними процесами, що визначають структуру з'єднання, є рекристалізація і дифузія. На макро- і мікрошліфах, по лінії з'єднання, спостерігається широка світла смуга. У центрі світлої смуги переважає структура фериту. Існує думка, що світла смуга не пов'язана з появою феритної складової, а виявляється на мікроструктурі за рахунок різного травлення деформованого шару металу. Дослідники відзначають, що більшість дефектів, що зустрічаються при контактному стиковому зварюванні оплавленням, формуються в межах світлої смуги. Незважаючи на велике число досліджень, немає однозначної думки про причини утворення феритної смужки, немає пояснення виникненню світлої смуги. Неясна роль дифузійних і фізико-хімічних процесів та їхнього впливу на структурну і хімічну неоднорідність у зоні з'єднання при контактному стиковому зварюванні оплавленням. Оскільки структурний стан зварного з'єднання багато в чому визначає його механічні властивості, а роботи з використанням контактного стикового зварювання оплавленням розвиваються не тільки в Україні, але і знаходять попит за кордоном, то питання якості зварного з'єднання є дуже актуальними.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася по темі № 4.4/548 /Ф4/372-97/ фонду фундаментальних досліджень “Вивчення особливостей масопереносу при зварюванні металів тиском”, по пошукових темах № 22,26/7 “Вивчення особливостей утворення феритної смужки при зварюванні низьковуглецевих сталей у вакуумі і на повітрі” і № 22,26/9-П “Вивчення особливостей формування структури металу шва при зварюванні низьковуглецевих сталей тиском у твердій фазі з використанням вуглеводневих речовин”, по відомчій темі № 22/17 “Розробити наукові основи підвищення експлуатаційних властивостей зварних з'єднань і захисних покрить шляхом вивчення їхньої тонкої структури, хімічної неоднорідності і визначення параметрів оптимізації структурно-фазового складу”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей утворення структурних неоднорідностей, що виявляються в з'єднаннях, отриманих зварюванням тиском з нагрівом маловуглецевих низьколегованих високоміцних трубних сталей класу Х60 - Х70.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Вивчити вплив параметрів зварювання на формування структури в зоні з'єднання.

2. Оцінити вплив попередньої підготовки контактуючих поверхонь на утворення феритної смужки.

3. Дослідити особливості процесу масопереносу при формуванні з'єднання в умовах швидкісної пластичної деформації та вивчити його вплив на утворення феритної смужки.

4. Дослідити фізичну, хімічну і структурну неоднорідність світлої смуги на з'єднаннях, отриманих контактним стиковим зварюванням оплавленням. структурний неоднорідність з'єднання деформація

Наукова новизна. Установлено механізм утворення феритної смужки (ФС), яка виявляється на з'єднаннях, отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих сталей. Утворення ФС обумовлене комплексом процесів, які можна позначити як дифузійні і рекристалізаційні. Дифузійні процеси - самоочищення контактуючих поверхонь від оксидів (взаємодія вуглецю металу з киснем оксидних плівок) і прискорений масоперенос у зоні контакту, що відбувається при швидкісній пластичній деформації. Рекристалізаційні процеси - утворення спільних зерен у з'єднанні і фазова перекристалізація металу при охолодженні його після зварювання. Усе це приводить до глибокого зневуглецювання у вузькій зоні з утворенням чисто феритної структури.

Виявлено природу світлої смуги (СС). СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний зі зневуглецюванням на значну глибину приконтактних об'ємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки, в залежності від вмісту вуглецю, мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

Практичне значення. У даній роботі було визначено вплив параметрів зварювання на формування структури в зоні з'єднання. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації режимів ударного зварювання у вакуумі (УЗВ), дифузійного зварювання у вакуумі (ДЗВ), контактного стикового зварювання (КСЗ) опором і оплавленням. Показано, що ФС не може бути причиною зниження ударної в'язкості зварних з'єднань, виконаних зварюванням тиском. Відомості про вплив вуглецевовмісних речовин, які вводяться перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, на зміни в структурі зварного з'єднання, можуть бути використані, якщо потрібно уникнути появи ФС, не змінюючи склад основного металу.

На захист виносяться наступні положення:

- на стадії попереднього нагрівання перед зварюванням, у герметичних мікрооб'ємах стику, йдуть процеси автовакуумування і самоочищення від оксидів, що приводить до зневуглецювання приконтактних об'ємів;

- при УЗВ і КСЗ опором у зоні стику спостерігається аномальне прискорення рухливості атомів;

- механізм утворення ФС є сукупністю дії дифузійних і рекристалізаційних процесів, що приводять до зневуглецювання приконтактних об'ємів і формування в зоні з'єднання феритних зерен при охолодженні;

- ФС складається з фериту двох типів: аналогічного за структурою фериту основного металу і перетвореного зміцненого, котрий є продуктом трансформації вихідного перліту в процесі зневуглецювання й у зв'язку з термодинамічною нестійкістю перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень;

- СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний зі зневуглецюванням на значну глибину приконтактних об'ємів, у результаті чого змінюються ступінь травлення, шорсткість поверхні і відбивання світла;

- результати дослідження впливу параметрів УЗВ і КСЗ оплавленням на формування структури в зоні з'єднання і рекомендації з їхньої оптимізації;

- ФС не є причиною зниження ударної в'язкості зварних з'єднань, виконаних зварюванням тиском;

- при підвищеному вмісті вуглецю в сталі, а також при введенні вуглецевовмісних речовин у стик перед УЗВ і КСЗ опором зразків з низьковуглецевої сталі, ФС не утворюється.

Особистий внесок здобувача. При особистій участі автора були розроблені методики пошарового аналізу зварних з'єднань на вміст вуглецю методом емісійної спектроскопії і дослідження масопереносу при зварюванні тиском методом авторадіографії. Особисто автором були проведені дослідження структурних перетворень і зміни фазового складу з'єднань, отриманих УЗВ, ДЗВ, КСЗ опором і оплавленням. При його особистій участі вивчено масоперенос і мікронеоднорідність у зоні контакту зварних з'єднань. Аналіз і узагальнення результатів роботи проводилися як самостійно, так і за участю співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції “Восстановление и упрочнение деталей - современный способ повышения надежности машин” (Москва, МДЗ, 1997 р.), на міжнародній конференції “Прогресивна технологія машинобудування і зварювального виробництва” (Київ, НТУУ “КПІ”, 1998 р.), на I Всеукраїнської науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2001 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 статей у наукових журналах і тези 4-х доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаної літератури з 76 найменувань. Робота викладена на 114 сторінках машинописного тексту, включаючи 14 таблиць і 60 малюнків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі, які необхідно вирішити в процесі досліджень, наведені наукові і практичні результати роботи.

Сучасний стан проблеми утворення структурної неоднорідності в стику при зварюванні сталей тиском з нагріванням. Перший розділ присвячено аналізу відомих раніше робіт, у яких вивчали структурну неоднорідність з'єднань, отриманих при різних видах зварювання тиском. Розглянуто існуючі гіпотези утворення ФС і СС. Приведено літературні дані про поводження поверхневих оксидних плівок на металі при його нагріванні у вакуумі, а також про явище мимовільного очищення поверхонь зразків у період попереднього нагрівання. На основі літературного огляду обґрунтовані доцільність і необхідність подальших досліджень.

Матеріали, апаратура, методики. Виходячи з мети і поставлених задач і приймаючи до уваги результати аналізу наявних даних по досліджуваній проблемі, були визначені матеріали, апаратура і підібрано методики для подальших досліджень.

Як матеріал для досліджень були обрані маловуглецеві низьколеговані сталі класу міцності Х60, Х65, Х70, одержані способом контрольованої прокатки. Ці сталі використовують для виготовлення труб, що можуть працювати під високим тиском в складних кліматичних умовах.

Зразки для дослідження з'єднань, отриманих у вакуумі, виготовляли способами УЗВ і ДЗВ на установці У-394М оснащеною вакуумною камерою. Виготовлення зразків КСЗ опором і оплавленням, виконувані на повітрі, проводили на установці МСГУ-500.

Для виявлення структури використовували хімічний, електролітичний і іонний методи травлення.

Для дослідження структури і фазового складу отриманих з'єднань використовували металографічний аналіз, рентгеноспектральний аналіз, електронно-растрову мікроскопію, просвітчасту електронну мікроскопію, диференціальний термічний аналіз. Вивчення мікроструктури з'єднань проводили за допомогою оптичного мікроскопа Neophot-32 (НДР) і растрового електронного скануючого мікроскопа JSM-840, фірми “JEOL” (Японія). Мікрорентгеноспектральний аналіз розподілу елементів проводили на установці “Comebax” SX50 (Франція). Прямі електронно-мікроскопічні дослідження на просвіт структурно-фазового стану зони з'єднання проводили на трансмісійному електронному мікроскопі JEM-200СХ, фірми “JEOL” (Японія). Вміст газів у металі визначали на газоаналізаторах TN-114, RO-316 і RH-2, RH-3, фірми “LECO” (США). Товщину окисного шару вимірювали на приладовому комбайні для тривимірного дослідження поверхневих шарів LAS - 2000, фірми “Riber” (Франція). Вміст елементів у металі визначали спектральним аналізом на приладі “Spectrovac-1000”, фірми “BAIRD”. Дослідження дифузійних процесів у зоні контакту проводили разом з відділом дифузії Інституту металофізики НАН України за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії.

Дослідження умов формування феритної смужки в зоні з'єднання зразків, отриманих зварюванням тиском у вакуумі.

Вплив термодеформаційних параметрів зварювання на формування структури в зоні з'єднання. Зразки для досліджень виготовляли двома способами зварювання, що проводяться у вакуумі, але відрізняються по виду навантаження і швидкості осадки - УЗВ і ДЗВ (рис. 1).

Також, перед зварюванням, контактуючі поверхні мали різну попередню підготовку. Досліджували структури, що утворюються на стадії нагрівання й осадки. Стадія нагрівання ідентична для УЗВ і ДЗВ. Структура зони контакту нагрітих зразків являє собою ділянки схоплювання і непроварів. Уздовж лінії контакту зразків, що були попередньо окислені, потім нагріті й охолоджені у воді, ФС не утворюється. Але структура в цій зоні має більш світле травлення. Після повільного охолодження нагрітих зразків з аналогічною підготовкою поверхонь, уздовж лінії контакту видна чітка ФС,

Дослідження зони контакту загартованого зразка з використанням електронного растрового мікроскопа показало, що в самому мікрооб'ємі знаходяться залишки роздробленої оксидної плівки. У металі, біля оксидної плівки, що залишилася в стику, розташовані складні мілкодисперсні оксиди легуючих елементів, що утворюються в результаті

внутрішнього окислення. Зона внутрішнього окислення при наступному нагріванні попередньо окисленої поверхні утворюється внаслідок дифузії кисню з поверхні зразка в глиб металу, а легуючих елементів - з металу до зони контакту. Мікрорентгеноспектральний аналіз показав, що концентрація кисню в ділянці непровару майже в два рази більша, ніж у ділянках схоплювання; піки в розподілі вмісту марганцю і кремнію спостерігаються в області виділення оксидів. Характер розподілу вуглецю виявити цим методом не вдається в зв'язку з низькою чутливістю приладу до його малого вмісту. З огляду на отримані результати, можна зробити висновок, що на стадії нагрівання окислених поверхонь протікає процес відновлення оксидної плівки вуглецем металу, що приводить до зневуглецювання приконтактних об'ємів, а також взаємодія кисню з Mn і Si у зоні внутрішнього окислювання, що обумовлює утворення в зоні з'єднання мілкодисперсних неметалічних включень (MnО2, SiО2) і складних більш великих оксидів (Mn2SiO4). При повільному охолодженні відбувається фазова перекристалізація й у стику утворюється ФС.

Стадію осадки процесів ДЗВ і УЗВ розглядали окремо. ФС по всій лінії з'єднання, отриманого ДЗВ, утворюється тільки після повільного охолодження зразків, одна з поверхонь, що зварюються, якого була попередньо окислена. По центру ФС спостерігаються неметалічні включення, що, за даними мікрорентгеноспектрального аналізу, являють собою комплексні оксиди легуючих елементів, що входять до складу сталі. На зразках, отриманих УЗВ, по лінії з'єднання, у всіх випадках, утворюється ФС. Ширина її змінюється від декількох до 30 мкм у залежності від мікрорельєфу поверхонь, їх чистоти, а також від швидкості охолодження. Чим нижче швидкість охолодження зразків, тим ширше ФС. Чим більш якісно підготовлені поверхні перед зварюванням, тим тонше ФС, а якщо поверхні попередньо полірували, то ФС відсутня. Також на утворення ФС впливає температура нагрівання зразків. При нагріванні до 900 °С (нижче температури б-г переходу) ФС не утвориться, а лінія з'єднання складається з ланцюжка дрібних оксидів. При нагріванні до 1000 °С і вище (вище б-г) по лінії з'єднання формується ФС. При зварюванні сталей з більш високим вмістом вуглецю (сталь 45 - 0,43% С) чи при введенні перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, вуглецевмісних речовин, ФС не утвориться. З'єднання має рівномірну структуру зі спільними зернами, і лінія контакту не спостерігається.

Результати виконаних досліджень дозволяють припустити, що утворення ФС при зварюванні сталей у твердій фазі з нагріванням у вакуумі обумовлено комплексом процесів, що протікають на стадіях нагрівання, осадки та охолодження. Ці процеси можна позначити як дифузійні і рекристалізаційні. Дифузійні - самоочищення контактуючих поверхонь від оксидів, масоперенос у контакті і взаємодія елементів, що входять до складу сталі, з киснем. Рекристалізаційні - утворення спільних зерен у зоні з'єднання і фазова перекристалізація при охолодженні після зварювання.

Дослідження тонкої структури феритної смужки. Досліджували з'єднання, отримані УЗВ. Комплекс методів включав оптичну, аналітичну растрову, а також просвітчасту мікродифракційну електронну мікроскопію. З огляду на малі розміри ФС, використовувалася методика прицільного стоншування досліджуваних об'єктів. Металографічні дослідження ФС показали, що в зоні зварювання активно протікає процес формування спільних зерен, що супроводжується проростанням міжзеренних границь крізь феритний прошарок. Електронно-мікроскопічне дослідження на просвіт показало наступне.

Зерна, що сформувалися безпосередньо в зоні з'єднання, практично цілком є феритними (ФС, що спостерігається оптично). Але їх можна розділити на два типи, що істотно відрізняються по декількох ознаках. Ферит першого типу характеризується порівняно невисокою щільністю дислокацій ((4...6)·109 см-2) і відсутністю сегрегаційних контрастів, що підтверджується чітким зображенням окремих одиничних дислокацій і їхніх комплексів (рис. 6). Також у системах ковзання, на різних стадіях формування суб- і міжзеренних границь, спостерігаються сліди руху дислокацій, що дозволяє вважати ферит першого типу аналогічним фериту матриці. Мікродифракційні відображення від цих зерен досить чіткі, тобто структура більш-менш релаксована і не має значних внутрішніх напружень. Зерна фериту другого типу характеризуються високою щільністю ультрадисперсних фазових виділень карбідного типу; високою щільністю дислокацій ((1010…1011) см-2); наявністю щільного сегрегаційного контрасту на окремих дефектах кристалічної ґратки, що створює, як правило, нечіткість зображення дислокацій і маючого орієнтацію, що повторює орієнтацію пластин цементиту, що розчинилися. Усе це сприяє зміцненню фериту другого типу. Мікродифракційні відображення від дисперсних фазових виділень показують, що їх склад в більшому ступені відповідає сполуці Fe3C. Таким чином, у ферито-перлітній структурі металу, що зварюється, у міру наближення до зони з'єднання, відбуваються зміни, що переважно зв'язані з перетворенням перлітного цементиту. Цей процес являє собою різні стадії розчинення цементитних пластин у внутрішніх об'ємах перлітних зерен. Як відомо, розчинення цементиту багато в чому визначається процесом глибокого зневуглецювання поверхневого шару сталей, що зварюються. На значній відстані від поверхні контакту також спостерігається розчинення цементитних пластин в окремих ділянках перліту. Як правило, у ділянках подібного типу структура характеризується наявністю областей з високим рівнем локальних внутрішніх напружень, про що свідчать інтенсивне генерування дислокацій і висока активність дислокаційних ковзань. Очевидно, у визначених умовах первинна структура, чи її окремі фрагменти, стають термічно хитливими. Причому такого виду нестійкість виникає переважно уздовж локальної області контактної взаємодії поверхонь, що зварюються, де, як відомо, реалізується найбільш високий рівень пластичної деформації. На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що на утворення ФС при зварюванні тиском ферито-перлітних сталей, впливають наступні умови: наявність в області зварювання поверхневих оксидних плівок, реакції відновлення яких активізують процеси розпаду цементитних пластин і дифузію в зону відновлення вільного вуглецю; термодинамічна нестійкість перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень.

Дослідження впливу процесу масопереносу в стику на утворення феритної смужки. Дослідження впливу спрямованої пластичної деформації на формування з'єднання вивчали методом радіоактивних ізотопів. Досліджували взаємозв'язок між швидкістю масопереносу вуглецю і шириною ФС при зварюванні тиском у вакуумі. Неоднорідність розподілу вуглецю в зоні з'єднання зразків вивчали за допомогою ізотопу 14С. Досліджували з'єднання, виконані УЗВ (тому що при такому способі зварювання в процесі осадки в зоні з'єднання виявляється ефект аномально прискореної міграції атомів). Зварні з'єднання досліджували за допомогою авторадіографії. Радіографічні відбитки фотометрували, а отримані концентраційні криві аналітично обробляли на ЕОМ. Аналізуючи отримані результати, можна вивести, що рухливість атомів при імпульсному деформуванні на кілька порядків вище рухливості атомів в умовах ізотермічного відпалу, а на периферії з'єднання коефіцієнт масопереносу атомів вуглецю в кілька разів перевищує відповідну величину в центрі. Таке збільшення коефіцієнта масопереносу вуглецю може пояснюватися тим, що на периферії з'єднання більш інтенсивно, чим у центрі, діють зсувні деформації.

Таким чином, спостерігається чіткий взаємозв'язок між величиною коефіцієнта масопереносу вуглецю і шириною ФС. Чим більша кількість вуглецю розташованого в приконтактних об'ємах металу вступить у взаємодію з киснем оксидної плівки в період деформації, тим більш широкою буде ФС у зоні контакту. Ріст коефіцієнта масопереносу в 2,5 рази приводить до росту ФС у стільки ж раз.

Також були проведені дослідження процесу масопереносу з використанням радіоактивного ізотопу нікелю 63Ni. Зварні з'єднання досліджували по тій же методиці, що й у попередньому випадку.

Результати дослідження показують, що аномальне прискорення рухливості атомів, виявлене при УЗВ у випадку застосування ізотопу вуглецю 14С, спостерігається також і у випадку застосування ізотопу нікелю 63Ni. При цьому також спостерігається неоднорідність проникнення ізотопу нікелю в метал у центрі з'єднання і на його периферії (коефіцієнт масопереносу в центрі ~ 3Ч10-3 см2/с, на периферії ~ 7,1Ч10-3 см2/с).

Фізична, хімічна і структурна неоднорідності зони з'єднання ферито-перлітних сталей при контактному стиковому зварюванні.

На відміну від УЗВ і ДЗВ, КСЗ виконується на повітрі. Цей вид зварювання тиском розділяють на зварювання опором і оплавленням

Контактне стикове зварювання опором. Дослідження зварних з'єднань, отриманих КСЗ опором, показало, що по лінії контакту утворюється ФС. У центрі ФС розташовані мілкодисперсні оксиди легуючих елементів. Імовірно, однією з причин зневуглецювання приконтактної зони є те, що в умовах зварювання на повітрі, крім оксидних плівок на поверхнях, що зварюються, існує практично необмежена кількість кисню, що також вступає в реакцію з вуглецем.

Дослідження процесу масопереносу при КСЗ опором за допомогою радіоактивного ізотопу нікелю 63Ni показало, що аномальне прискорення рухливості атомів, виявлене при УЗВ, спостерігається також і у випадку КСЗ опором. Коефіцієнт масопереносу ізотопу 63Ni складає ~ 2,2 Ч 10-3 см2/с.

Контактне стикове зварювання оплавленням. (Структурна неоднорідність при контактному стиковому зварюванні оплавленням). Металографічне дослідження зразків, отриманих КСЗ оплавленням показало, що при травленні в зоні з'єднання виявляється структурна неоднорідність у вигляді СС шириною 800 - 1200 мкм. Дослідження мікроструктури СС показало, що вона складається з зони повного зневуглецювання, що знаходиться в центрі, і прилеглих до неї з двох сторін зон часткового зневуглецювання. Лінія первісного контакту не помітна. Залишки литої структури в стику не виявляються. Структурна неоднорідність найбільш чітко виявляється після додаткового відпалу з'єднання з наступним повільним охолодженням. Зразок нагрівали і витримували протягом 1-єї години при температурі 950 °С, а потім повільно охолоджували в печі зі швидкістю 120 - 150 °С/год. Дослідження на оптичному мікроскопі показало, що після термічної обробки отриманий зразок має ферито-перлітну текстуровану структуру, тому, що вихідний метал до зварювання мав високу ступінь деформації, а також ФС по лінії з'єднання. Ширина ФС складає від 40 до 120 мкм. Одержуючи після КСЗ оплавленням широку світлотравиму зону, ми не можемо визначити, у якому саме місці знаходиться лінія з'єднання зразків. Таким чином, провівши додаткову термообробку, ми не тільки відновили вихідну структуру металу, але і чітко виявили лінію первісного контакту.

Вивчення впливу величини осадки проводили на зразках, що були виготовлені на тих же режимах, що й у попередньому випадку, але осадка складала 2 мм. Потім зразки, для виявлення лінії контакту, піддавали високотемпературному відпалу і повільно охолоджували в печі. Оптичне дослідження показало, що структура зони з'єднання таких зразків ідентична структурі зразків, отриманих з осадкою 10 мм. Це текстура і ФС по лінії з'єднання. Але крім цього по лінії первісного контакту спостерігається лінза розплаву, що закристалізувався, з литою структурою. Навколо лінзи так само мається ФС. Це свідчить про те, що утворення ФС не пов'язане з величиною осадки. Рентгеноспектральний аналіз, проведений у різних ділянках такого зразка, показав, що помітних змін у вмісті елементів, у будь-якій з областей з'єднання, не відбувається.

(Дослідження фізичної і хімічної неоднорідності світлої смуги). Одержуючи після КСЗ оплавленням широку зону з більш світлим травленням, а після відпалу - ФС набагато ширше, ніж при інших досліджуваних видах зварювання, ми змогли підібрати методику для визначення в цій області кількості вуглецю (С%), марганцю (Mn%) і кремнію (Si%), а також дослідити зміну густини металу в стику. Особливість методу полягала в тому, що дослідження проводили не в площині шліфа, де ширина світлої зони складає 0,8 - 1,2 мм, а послідовно по площинах, паралельних площині первісного контакту. Для визначення питомої ваги застосовували метод гідростатичного зважування (ГОСТ 18898 - 73).

Аналізуючи дані, які представлені в таблиці, можна вивести, що в зоні, яка на мікрошліфах має світле травлення, йде зниження вмісту вуглецю. Максимальне зниження (на 30-40%) спостерігається в центрі ФС, а також в центрі СС і на ділянці, що примикає до нього на відстані 0,10 - 0,15 мм. Вміст марганцю і кремнію практично не змінюється. Так само в цій області відбувається зниження питомої ваги (зниження зростає з наближенням до лінії контакту). Введення перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, вазеліну з 15%-ми вуглецю веде до появи темної смуги на мікроструктурі, а так само, як видно з таблиці, до підвищення вмісту вуглецю в зоні з'єднання. Після відпалу такі зразки мають текстуровану структуру. У зоні з'єднання ні СС, ні ФС не утворюються, а видний вигин волокон, що свідчить про глибоку деформацію нагрітого металу. Після зварювання зразків, між поверхнями яких вводили чистий вазелін, на травлених шліфах зона з'єднання не помітна.

Таким чином, СС спостерігається на зразках в результаті оптичного ефекту, що пов'язаний з зневуглецюванням на значну глибину приконтактних об'ємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки в залежності від вмісту вуглецю мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

Виявлення місця руйнування з'єднань виконаних контактним стиковим зварюванням оплавленням при випробуваннях на ударну в'язкість. Результати досліджень, отримані в попередніх підрозділах, дають підстави припустити, що при випробуваннях зразків на ударну в'язкість руйнування відбудеться в зоні з найменшим вмістом вуглецю (ФС можна розглядати як ділянку з мінімальним вмістом вуглецю). Для того щоб визначити, чи є лінія з'єднання найбільш небезпечним місцем, партію зразків, виготовлених КСЗ оплавленням, випробували на ударну в'язкість при різних низьких температурах. Потім випробувані зразки піддавали високотемпературному відпалу для виявлення лінії контакту і місця руйнування. Тому що на світлотравимій смужці, отриманої після зварювання, неможливо точно виявити місце стику, то в більшості випадків надріз на зразках був зроблений з деяким зсувом. Це виявляється тільки після відпалу. Можна зробити висновок, що на зразках, з різною додатковою термічною обробкою після зварювання чи без неї, випробуваних при різних температурах, руйнування завжди відбувалося поза лінією контакту. Навіть у тих випадках, коли надріз попадав точно по центру з'єднання, лінія руйнування, на деякий відстані, зміщувалась убік від стику (див. рис. 13, б). Отже, зона з'єднання, де після зварювання мінімальний вміст вуглецю і мінімальна питома вага, а після відпалу формується ФС, не є місцем руйнування при випробуваннях зразків на ударну в'язкість.

Загальні висновки

1. Установлено, що при зварюванні маловуглецевих низьколегованих сталей тиском з нагріванням у вакуумі (УЗВ, ДЗВ) і на повітрі (КСЗ опором і оплавленням) на мікрошліфах по лінії з'єднання виявляється феритна смужка (ФС) шириною від декількох до 120 мкм. При КСЗ оплавленням на макрошліфах виявляється світла смуга (СС) шириною 800 - 1200 мкм. Дослідження мікроструктури СС показало, що вона складається з зони повного зневуглецювання, що знаходиться в центрі, і прилеглих до неї з двох сторін зон часткового зневуглецювання.

2. Установлено механізм утворення ФС, що виявляється на з'єднаннях отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих сталей. Утворення ФС обумовлене комплексом дифузійних і рекристалізаційних процесів, що йдуть на стадіях нагрівання, осадження й охолодження, і приводять до зневуглецювання приконтактних об'ємів і формування в зоні з'єднання феритних зерен. ФС складається з ферита двох типів: аналогічного за структурою фериту основного металу і перетвореного зміцненого, котрий є продуктом трансформації вихідного перліту в процесі зневуглецювання й у зв'язку з термодинамічною нестійкістю перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень.

3. Виявлено природу світлої смуги. СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний з зневуглецюванням приконтактних об'ємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки з'єднання, у залежності від вмісту вуглецю, мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

4. Установлено, що на формування зневуглецьованої зони по лінії з'єднання впливає наявність і товщина оксидних плівок на стикуємих поверхнях. На стадії попереднього нагрівання перед осадкою, у герметичних мікрооб'ємах стику, йдуть процеси автовакуумування і самоочищення від оксидів, що приводить до зневуглецювання приконтактних об'ємів. При зварюванні на повітрі вуглець металу взаємодіє не тільки з киснем оксидних плівок, але і з киснем повітря.

5. При УЗВ і КСЗ опором, на стадії осадження, у зоні стику спостерігається аномальне прискорення рухливості атомів. Причому коефіцієнт масопереносу на периферії стику в кілька разів перевищує аналогічну величину в центрі. Співвідношення ширини ФС на периферії й у центрі з'єднання має одну величину зі співвідношенням коефіцієнтів масопереносу вуглецю на зазначених ділянках.

6. Досліджені фізична і хімічна неоднорідності зони з'єднання отриманого КСЗ оплавленням. Встановлено, що в області СС і ФС зменшується питома вага металу, вміст вуглецю знижується на 30 - 40%, а вміст марганцю і кремнію майже не змінюється.

7. Установлено взаємозв'язок попередньої підготовки контактуючих поверхонь і параметрів зварювання з формуванням структури в зоні з'єднання. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації режимів ударного зварювання у вакуумі, дифузійного зварювання у вакуумі, контактного стикового зварювання опором і оплавленням.

8. При підвищенні вмісту вуглецю в сталі, а також при введенні вуглецевовмісних речовин у стик перед УЗВ і КСЗ опором зразків з низьковуглецевої сталі, ФС не утвориться.

9. Показано, що руйнування при випробуваннях на ударну в'язкість зразків з гострим надрізом при низьких температурах відбувається поза лінією контакту (за межами ФС). Отже, ФС не може бути причиною зниження ударної в'язкості зварних з'єднань виконаних зварюванням тиском.

Основний зміст дисертації відображений у публікаціях

1. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Самоочистка от оксидов стыкуемых поверхностей при сварке в твердой фазе с нагревом (Аналитический обзор) // Автомат. сварка. - 1998. - №2. - С. 16 - 23.

2. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Харченко Г.К., Арсенюк В.В., Григоренко С.Г., Богайчук И.Л. Структура ферритной полоски, формирующейся в зоне соединения ферритно-перлитных сталей при сварке давлением в вакууме // Автомат. сварка. - 2000. - №5. - С. 15 - 20.

3. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Таранова Т.Г., Григоренко С.Г. Особенности образования ферритной полоски при сварке стали давлением в вакууме // Автомат. сварка. - 1000. - №6. - С. 11 - 17.

4. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Григоренко С.Г., Мазанко В.Ф., Филатов А.В. О неоднородности массопереноса в зоне соединения при ударной сварке стали в вакууме // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000. - Т.22. - №10. - С. 63 - 66.

5. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Григоренко Г.М., Фальченко Ю.В., Таранова Т.Г., Грицкив Я.П., Григоренко С.Г., Загадорчук В.Ф. Неоднородность соединений трубных сталей, выполненных контактной стыковой сваркой оплавлением // Автомат. сварка. - 2002. - №2. - С.3 - 6.

6. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Григоренко С.Г. Особенности образования ферритной полоски при сварке стали в твердой фазе // Труды Междунар. конф. “Восстановление и упрочнение деталей - современный эффективный способ повышения надежности машин”. - М.: МДЗ. - 1997. - С. 68 - 69.

7. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Некоторые вопросы сварки сталей в твердой фазе с нагревом // Труды Междунар. конф. “Восстановление и упрочнение деталей - современный эффективный способ повышения надежности машин”. - М.: МДЗ. - 1997. - С. 70 - 72.

8. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Особенности формирования соединения при сварке давлением с нагревом // Труды Междунар. конф. “Прогрессивная технология машиностроения и сварочного производства”. - Киев: НТТУ “КПИ”. - 1998.

9. Григоренко С.Г. Химическая неоднородность соединений малоуглеродистых низколегированных сталей полученных контактной стыковой сваркой оплавлением // Труды I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов “Сварка и родственные технологии”. - Киев. - 2001. - С. 37.

Анотація

Григоренко С.Г. Структурна неоднорідність з'єднань низьколегованих маловуглецевих трубних сталей, виконаних зварюванням тиском з нагрівом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01. - Металознавство і термічна обробка металів. -Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, Київ, 2002.

Робота присвячена встановленню закономірностей утворення структурних неоднорідностей, у з'єднаннях, отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих трубних сталей класу міцності Х60 - Х70. Вивчено вплив зовнішнього середовища, термодеформаційних параметрів зварювання, підготовки контактуючих поверхонь і оксидних плівок на формування структури в зоні з'єднань, отриманих зварюванням тиском у вакуумі і на повітрі. Феритна смужка (ФС) утворюється по лінії з'єднання в результаті зневуглецювання прилеглих до поверхні шарів металу, що зварюється, зв'язаним з наявністю поверхневих оксидних плівок, і термодинамічної нестійкості перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень. ФС, що формується після КСЗ оплавленням, знаходиться в центрі світлої смуги, що спостерігається на макрошліфах у результаті оптичного ефекту. У зоні, що на шліфах має світле травлення, вміст вуглецю знижується на 30-40%. Встановлено механізм формування ФС як сукупність дії дифузійних і рекристалізаційних процесів. Показано взаємозв'язок розмірів ФС з інтенсивністю масопереносу вуглецю в зоні контакту. При введенні в стик перед зварюванням вуглецевовмісних речовин, ФС не утворюється.

Дослідження зразків, випробуваних на ударну в'язкість показало, що руйнування завжди відбувається за межами ФС.

Ключові слова: зварювання тиском, вакуум, феритна смужка, світла смуга, структурна неоднорідність, зневуглецювання, оксидна плівка, дифузія, рекристалізація, масоперенос, ударна в'язкість.

Аннотация

Григоренко С.Г. Структурная неоднородность соединений низколегированных малоуглеродистых трубных сталей, выполненных сваркой давлением с нагревом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01. - Металловедение и термическая обработка металлов. - Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертационная работа посвящена установлению закономерностей образования структурных неоднородностей, выявляемых в соединениях, полученных сваркой давлением с подогревом малоуглеродистых низколегированных высокопрочных трубных сталей класса Х60 - Х70. С использованием современных методов физического металловедения проведены систематические исследования химической, физической и структурной неоднородностей, наблюдаемых в соединениях. Изучено влияние внешней среды, термодеформационных параметров сварки, предварительной подготовки контактирующих поверхностей и роль оксидных пленок на формирование структуры в зоне соединения. Исследования проводили на образцах, полученных методами сварки давлением в вакууме (ударная сварка - УСВ, диффузионная сварка - ДСВ) и на воздухе (контактная стыковая сварка (КСС) сопротивлением и оплавлением).

Проведены исследования особенностей ферритной полоски (ФП) формирующейся в зоне соединения при УСВ, ДСВ, КСС сопротивлением и оплавлением. Установлено, что условиями, способствующими образованию ФП, являются обезуглероживание близлежащих к свариваемой поверхности слоев металла, связанное с наличием поверхностных оксидных пленок, реакции восстановления которых активизируют процессы распада цементитных пластин, и высокая степень пластической деформации. Показано, что ФП образуется вследствие действия нескольких процессов, идущих на стадиях нагрева, осадки и охлаждения. Предложен механизм формирования ФП как совокупность действия диффузионных и рекристаллизационных процессов. Отмечено, что в зоне сварки формируется феррит двух типов: аналогичный по структуре ферриту основного металла и преобразованный, который является продуктом трансформации исходного перлита в процессе обезуглероживания и в связи с термодинамической неустойчивостью перлитного цементита в полях высоких внутренних напряжений. ФП, формирующаяся после КСС оплавлением, находится в центре светлой полосы, наблюдаемой на макрошлифах. С двух сторон к ней прилегают зоны частичного обезуглероживания. Поэтому ФП, получаемая после КСС оплавлением не имеет четких границ. СП наблюдается на травленых шлифах в результате оптического эффекта, который связан с обезуглероживанием приконтактных объемов. Участки поверхности микрошлифа соединения, в зависимости от содержания углерода, имеют различную степень травления, отличаются по шероховатости и по-разному отражают свет.

С помощью изотопов углерода 14С и никеля 63Ni исследовали массоперенос в зоне соединений полученных УСВ и КСС сопротивлением. Установлено, что в зоне стыка таких соединений наблюдается аномальное ускорение подвижности атомов. Исследование неоднородности распределения углерода в зоне соединения образцов, полученных способом УСВ, показало, что эффект аномального массопереноса проявляется в большей степени на периферии зоны соединения, где интенсивнее действуют сдвиговые деформации. Соотношение ширины ФП на периферии и в центре соединения имеет одинаковую величину с соотношением коэффициентов массопереноса углерода на этих участках соединения.

Разработана методика послойного анализа сварных соединений на содержание углерода методом эмиссионной спектроскопии. Результаты исследования показали, что в зоне, которая на шлифах имеет светлую травимость, понижается содержание углерода. Максимальное снижение (на 30 - 40%) наблюдается в центре ФП, а также в центре СП и на участках, примыкающих к ней на расстоянии 0,10 - 0,15 мм с каждой стороны.

Изучено влияние углеродосодержащих веществ, вводимых между стыкуемыми поверхностями перед сваркой, на изменения в структуре сварного соединения. При повышении содержания углерода в стали, а также при введении углеродосодержащих веществ в стык перед УСВ и КСС сопротивлением образцов из низкоуглеродистой стали, ФП не образуется.

Конечным этапом проведения работы стало исследование образцов испытанных на ударную вязкость при низких температурах. Результаты исследований показали, что разрушение всегда происходит вне линии контакта (за пределами ФП). Следовательно, ФП не является местом разрушения при испытаниях на ударную вязкость.

Ключевые слова: сварка давлением, вакуум, ферритная полоска, светлая полоса, структурная неоднородность, обезуглероживание, оксидная пленка, диффузия, рекристаллизация, массоперенос, ударная вязкость.

Abstract

Grigorenko S.G. Structural non-homogeneity of low-alloy low-carbon pipe steel joints made by the pressure welding using heating. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the Candidate of Sciences (Eng.) on specialty 05.16.01. - Metals science and heat treatment of metals. - Physico - Technological Institute of Metals and Alloys of NAS of Ukraine, Kiev, 2002.

The work is devoted to the establishment of laws of formation of structural non-homogeneities in low-carbon low-alloy pipe steel (X60-X70 class) joints made by the pressure welding using heating. The effect of environment, thermodeformational parameters of welding, preparation of contact surfaces and oxide films on the formation of structure in the zone of joints produced by the pressure welding in vacuum and in the air was studied. The ferrite band (FB) is formed in the joint line as a result of decarburization of metal layers adjacent to the surface being welded. This decarburization is due to the presence of surface oxide films and thermodynamic instability of a pearlitic cementite in the fields of high inner stresses. The FB, forming after FBW, is located in the center of a light band observed on macrosections as a result of an optical effect. In the zone, which has a light etchability on the sections, the carbon content is reduced by 30 - 40 %. The mechanism of FB formation was established as a combination of action of diffusion and recrystallizing processes. The relation between the FB sizes and intensity of carbon mass transfer in the contact zone is shown. When the carbon-containing elements are introduced into the butt before welding , the FB is not formed.

The examination of samples, subjected to impact tests, showed that the fracture is always occurred beyond the FB.

Key words: pressure welding, vacuum, ferrite band, light band, structural non-homogeneities, decarburization, oxide film, diffusion, recrystallization, mass transfer, impact strength.

Размещено на Allbest.ru