Формирование и эволюция градиентных структурно-фазовых состояний и механических свойств толстых сварных швов

В современных условиях невозможно представить себе технический прогресс практически во всех отраслях промышленности без использования сварки. Такой способ соединения металлов позволяет сравнительно просто его автоматизировать и механизировать, коренным образом изменить производство и монтаж крупных конструкций, машин и сооружений. На монтажных площадках стало возможным соединять сваркой детали большой толщины, также как кожухи доменных печей, воздухонагревателей, другие толстостенные сосуды. Отпала необходимость в строительстве мощных цехов для создания и механической обработки таких крупных изделий как станины мощных прессов и т. д.

Современная технология испытывает множество различных способов сварки, которые опережают развитие средств и методов контроля. Исследования влияния типов и режимов сварки на форму шва, ширину околошовной зоны и закономерности кристаллизации металла лежат в основе выбора оптимальных характеристик.

Любой применяемый способ сварки имеет свои достоинства и недостатки. Так, сварные соединения, выполненные таким прогрессивным способом как электрошлаковый, необходимо подвергать последующей термической обработке для уменьшения остаточных напряжений, что влечет за собой разработку целого комплекса мероприятий.

Задачи увеличения качества сварных соединений, их надежности были и остаются актуальными. Их решение основывается на знание протекающих процессов, определяющих формирование и свойства сварных швов.

Структурно-фазовое состояние материала швов формируют тепловые, диффузионные, металлургические, металловедческие и др.процессы. При эксплуатации меняются механические свойства, структура и фазовый состав материала швов. Знание этих закономерностей открывает пути формирования высоких свойств сварных соединений и их надежной службы.

Актуальность. Сварные соединения являются непременными элементами большинства конструкций. Структурно-фазовое состояние металла, формирующееся в процессе сварки и определяющееся ее режимами и способами, влияет на физико-механические характеристики изделий. Его изменение при длительной эксплуатации может привести к неблагоприятным последствиям. В такой ситуации важной становится проблема контроля состояния сварных соединений. В сложных крупногабаритных промышленных сооружениях (например, кожухи доменных печей и т. п.) к сварным швам предъявляются повышенные требования, выполнить которые зачастую удается лишь при условии глубоких знаний структурно-фазового состояния сварного шва, а именно: морфологии ос-фазы и состояния ее дефектной субструктурыморфологии, размеров и объемной доли частиц карбидной фазыизменения данных характеристик материала по мере удаления от центра шва. Эти сведения позволяют не только оценить прочностные свойства, но и дают возможность прогнозировать поведение шва в процессе его эксплуатации при различных температурно-силовых условиях.

В связи с этим актуальной является задача исследования изменения структуры, фазового состава и механических свойств сварных швов в зависимости от условий их получения и сроков эксплуатации. Использование методов металлографии травленого шлифа, сканирующей электронной микроскопии поверхностей разрушения и дифракционной электронной микроскопии тонких фольг с привлечением темнопольной методики позволяет анализировать сварной шов с учетом градиентности его строения, т. е. рассматривать состояние материала как в среднем по объему, так и в зависимости от расстояния до центра шва.

Цель работы: провести комплексные исследования формирования и изменения градиентных структурно-фазовых состояний и механических свойств толстых сварных швов стали 9Г2С в зависимости от времени эксплуатации, способов и режимов получения.

Для реализации поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ механических испытаний сварных соединений, выполненных автоматической и ручной, электрошлаковой и электродуговой сваркой в различных положениях, которые эксплуатировались в течение различного времени.

2. Установление и анализ связи микроструктуры с механическими свойствами, характером разрушения, скоростью акустических волн.

3. Изучения изменения по сечению шва состояния зеренной и дефектной субструктуры, источников, морфологии и амплитуды дальнодействующих полей напряжений.

4. Диагностика наиболее опасных участков шва по данным изучения тонкой структуры и рекомендации по методу неразрушающего контроля.

Научная новизна. В работе впервые проведен детальный анализ дефектной субструктуры и фазового состава сварного шва методами металлографии и дифракционной электронной микроскопиипоказан градиентный характер строения шва и рассмотрены механизмы формирования данной структурывыявлены трещиноопасные участки сварного шва и рассмотрены причины их возникновения.

Научная и практическая значимость работы заключается в том, что в ней путем использования современных методов исследования, получен объем экспериментальных результатов, демонстрирующих связь механических свойств сварных швов, реализованных различными способами, со структурой и акустическими характеристиками материала. Проведено детальное исследование изменений дефектной субструктуры и фазового состава материала шва по мере удаления от центра шва к его границе в зависимости от времени эксплуатации, метода и способа изготовления. Данные сведения могут являться основой для прогнозирования поведения сварного соединения в условиях длительной эксплуатации при подобных температурно-силовых воздействиях и целенаправленном выборе метода и способа сварки. В качестве метода неразрушающего контроля состояния сварных швов крупногабаритных конструкций можно рекомендовать прецизионные измерения скорости ультразвука.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, проведении механических испытаний, получении результатов оптических, электронно-микроскопических и других исследований, их анализе и формулировании выводов.

Настоящая работа проводилась в соответствии с Федеральной целевой программой «Интеграция», темами НИР Сибирского государственного индустриального и Томского государственного архитектурно-строительного университетов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Анализ механических свойств толстых сварных соединений из стали 9Г2С, выполненных различными способами, с разными сроками эксплуатации. Их связь с микроструктурой и скоростью распространения акустических волн.

2. Совокупность результатов, обосновывающих деление области кристаллизации сварного шва на три закономерно расположенные зоны, характеризующиеся кинетикой и термодинамикой формирования градиентной структуры.

3. Экспериментально полученные результаты об изменении по сечению шва состояния дефектной субструктуры, источниках, морфологии и амплитуды дальнодействующих полей напряжений, обосновывающие положение об определяющей роли термических и фазовых напряжений в деформации шва при остывании.

4. Результаты комплексных исследований влияния режима сварки и времени эксплуатации на структуру и фазовый состав сварного шва.

5. Диагностика на основании изучения тонкой структуры наиболее напряженных участков шва, в которых могут зарождаться трещины.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью, большим объемом экспериментальных данных и сравнением с результатами других авторов.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях, совещаниях и семинарах: V Международном семинаре «Современные проблемы прочности» им. В. А. Лихачева. Старая Русса. 2001, Восьмой международной конференции «Физико-химические процессы в неорганических материалах». Кемерово. 2001, Международной конференции «Разрушение и мониторинг свойств металлов» Екатеринбург. 2001, XXXVII Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» Киев. 2001, Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении». Пенза. 2001, Международной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в металлургии». Те-миртау. 2001, International Workshop «Mesomechanics: Foundations and Applications» (MESO'2001). Tomsk. 2001, V Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» Пенза. 2002, Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов», посвященной 100-летию со дня рождения академика Г. В. Курдюмова. Черноголовка. 2002, XIII Петербургских чтениях по проблемам прочности. Санкт-Петербург. 2002, XVI Уральской школе металловедов-термистов «Проблемы физического металловедения перспективных материалов» Уфа. 2002, IX Международном семинаре «Дислокационная структура и механические свойства металлов и сплавов «ДСМСМС-2002». Екатеринбург. 2002, Russia-China Seminar «Fundamental Problems and Modern Technologies of Material Science» (FP'MTMS). Barnaul. 2002, XL Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» «Структура и свойства перспективных металлов и сплавов». Великий Новгород. 2002.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 108 наименований, содержит 155 страниц машинописного текста, включая 6 таблиц и 58 рисунков.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ механических свойств толстых сварных соединений из стали 9Г2С, выполненных различными способами, с разными сроками эксплуатации, позволил определить наиболее успешно эксплуатировавшиеся в течение 16 лет соединения, получаемые автоматической вертикальной электрошлаковой сваркой.

2. Проведено структурно обоснованное деление сварного шва при всех режимах сварки на три зоны, различающиеся дефектной субструктурой и фазовым составом материала: центральную (центр шва), промежуточную и переходную (область контакта расплава и твердого материала). В центральной зоне происходит относительно медленная кристаллизация с полным разделением фаз и их коагуляцией. Характерной особенностью кристаллизации промежуточной зоны является формирование двухуровневой зеренной структуры и незавершенная коагуляция фаз, начальное, частичное и полное измельчение зеренной структуры. В переходной зоне, вследствие относительно высокой скорости охлаждения, разделение фаз не завершено и связано с дефектной субструктурой стали. .

3. Центральная зона представляет собой смесь зерен феррита (85%) и пластинчатого перлита (15%). Зерна феррита — анизотропные, коэффициент анизотропии к ~ 2. Зерна перлита располагаются либо в стыках, либо вдоль границ зерен феррита параллельными полосами, либо оконтуривают эти зерна. Средний размер зерен феррита в 2 раза больше зерен перлита. Распределения ферритных и перлитных зерен по размерам являются одномодальными и описываются логарифмически нормальными функциями. Особенностью промежуточной зоны сварного шва является формирование зеренной структуры двух масштабных уровней: крупные зерна феррита ~30 мкм (зерна медленной кристаллизации) и мелкие зерна феррита ~5 мкм, формирующиеся вдоль границ крупных зерен (зерна быстрой кристаллизации). По мере удаления от центральной зоны доля мелких зерен возрастает до 100%. Перлитные зерна присутствуют в незначительных количествах. Переходная зона состоит из крупных зерен, содержащих пластинчатые образования — видманштеттов (или фрагментированный) феррит с включениями частиц цементита внутри пластин феррита и отпущенный пакетно-пластинчатый мартенсит.

4. В результате исследования структуры и фазового состава сварных швов стали 09Г2С установлено, что независимо от способов и режимов исполнения они имеют градиентное, закономерным образом изменяющееся при удалении от центра шва, строение. Наиболее крупнозернистая структура образуется при автоматической вертикальной электрошлаковой сварке. Эксплуатация сварного шва приводит к увеличению средних размеров зерен быстрой кристаллизации независимо от их расположения и количества и не оказывает существенного влияния на его структурно-фазовое состояние.

5. Фрактографические исследования поверхности разрушения сварных швов, полученных методом ЭШС в автоматическом и ручном исполнении, показали, что в обоих случаях наблюдается вязкий механизм разрушения. Выявлен более вязкий излом сварного шва ручного исполнения. Разрушение шва наблюдалось лишь в случае электрошлакового метода сварки в автоматическом режиме, в котором присутствует наиболее крупнозернистая структура. Таким образом, характер излома шва напрямую связан с его зеренной структурой: чем меньше средний размер зерен, тем выше его прочностные свойства.

6. Установлено, что независимо от способа сварки дислокационная структура в ферритных зернах представлена следующими типами: хаотической дислокационной субструктурой, сетчатой, полосовой и фрагментированной. Все типы дислокационных субструктур присутствуют в центральной зоне шва, а в промежуточной и переходной зонах — только сетчатая субструктура. Измерение скалярной плотности дислокаций по сечению шва показало, что в ферритных зернах она максимальна в центральной и переходной зонах и минимальна — в промежуточной. В ферритных прослойках перлитных зерен плотность дислокаций по мере удаления от центральной зоны шва постепенно снижается. Обнаружено, что чем больше размер зерна феррита, тем больше величина скалярной плотности дислокаций. Это свидетельствует о термической деформации шва при остывании изделия.

7. Показана определяющая роль в формировании субструктуры и внутренних напряжений сварного шва несовместности пластической деформации соседних зерен или упруго-пластической деформации ферритных и цементитных пластин перлитных колоний, инициированной термическими и фазовыми напряжениями.

8. Установлено, что электрошлаковый метод сварки приводит к большему наклепу ферритной составляющей сварного шва стали 09Г2С по сравнению с электродуговым. При этом максимальный прирост плотности дислокаций и.

143 величины кривизны-кручения кристаллической решетки ферритных зерен и ферритных прослоек отмечен в приграничной зоне, разделяющей сварной шов и зону термического влияния. Здесь локализуются наиболее напряженные области, которые при неблагоприятных условиях эксплуатации изделия могут стать местами зарождения трещин.