CC BY
52
УДК 621.791.052: 620.178.152.34
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЫ БИМЕТАЛЛА 12ХМ+12Х18Н10Т, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
ДЕМЕНТЬЕВ В.Б., МАХНЕВА Т.М., ШУШКОВ А.А., КИМ С Л.
Институт механики УрО РАН, 426067, г. Ижевск, ул.Т.Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Изучен фазовый состав в сваренном взрывом (СВ) соединении из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т, определена ширина переходной зоны. Установлена зависимость количества остаточного аустенита от содержания № и Сг в переходной зоне и связь с приведенным модулем упругости и твердостью.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биметалл, сварка взрывом, переходная зона, химический и фазовый состав, механические характеристики, рентгенофазовый анализ, наноиндентирование.
ВВЕДЕНИЕ
Биметалл, полученный сваркой взрывом, обладает комплексом свойств, позволяющим его использовать в конструкциях ответственного назначения в энергетическом, химическом, нефтехимическом и других отраслях современного машиностроения [1]. Изучению процессов получения, определения свойств биметаллов посвящены многие исследования [2 - 6]. Основным параметром, определяющим характеристики биметалла, является переходная зона, от структуры и свойств которой зависит качество биметалла в целом. Сведений о структуре, химическом, фазовом составе переходной зоны подобных соединений в литературе достаточно много [7 - 10]. Однако появилась необходимость изучения фазового состава переходной зоны в биметаллическом листе из стали 12ХМ с поверхностью, плакированной нержавеющей сталью 12Х18Н10Т, и связи его с химическим составом и механическими характеристиками (твердости, приведенного модуля упругости).
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Образец для исследования размером 30*30*5 мм был вырезан из биметаллического листа, полученного на основе сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т сваркой взрывом. Химический состав сталей, составляющих исследуемый биметалл, определен на приборе Belec Сотрай Port по среднему арифметическому значению из 5 измерений: сталь 12ХМ - С=0,146 %, Cr=1,016 %, Mo=0,473 %; сталь 12Х18Н10Т - С=0,047 %, Cr=16,97 %, Ni=9,11 %, Ti=0,547 %. Сварку производили по режиму: взрывчатое вещество [аммиачная селитра + дизельное топливо в соотношении 96:4] со скоростью метания 2400 м/с при соотношении массы взрывчатого вещества к массе метаемого металла 1:3. В качестве метаемого материала служила сталь 12Х18Н10Т.
Ширину переходной зоны (ПЗ) биметалла определяли двумя методами: по диаграммам термо-ЭДС на приборе, созданном на базе микротвердомера ПМТ-3 [11], и микрорентгеноспектральным на сканирующем зондовом микроскопе Solver-P47 с электронным пучком диаметром 1 мкм по точкам. Траекторию сканирования поверхности материала от плакирующего слоя в сторону основного выбирали линейной и перпендикулярной границе зоны соединения. Термо-ЭДС диаграммы строили с шагом 5 мкм и числом измерений 100, увеличивали в 10 раз, накладывали на них размерную сетку для определения ширины переходной зоны. За критерий выбирали начало резкого увеличения термо-ЭДС в положительную сторону, за конец - окончание роста значений. При этом погрешность составила 0,5 мкм. При микрорентгеноспектральном методе химический анализ проводили по точкам, о размере ПЗ судили по изменению содержания никеля Ni, хрома Cr и железа Fe в микрообъёмах.
Фазовый состав ПЗ определяли качественно на рентгеновском дифрактометре D2 PHASER с геометрией Брегга-Брентано и линейным счетчиком LYNXEYE. Съёмку образца производили в медном Ка - излучении, анализ дифрактограмм - с помощью программного модуля "DIFFRAC.EVA", идентификацию фаз - с использованием базы данных PDF-2/Release 2010 RDB международного центра по дифракционным данным ICDD (The International Centre for Diffraction Data).
Для определения механических характеристик готовили шлиф с поверхностью, параметр шероховатости Ra которой составил 40 нм. Твердость и приведенный модуль упругости определяли методом индентирования на комплексной измерительной системе NanoTest 600 по методике Оливера - Фарра [12]. Поскольку расчетное значение грани отпечатка индентора при оптимальных граничных условиях (глубине проникновения индентора в образец 500 нм) равнялось 1,9 мкм, то индентирование проводили по центру переходной зоны с погрешностью позиционирования индентора 0,2 мкм. Таким образом, отпечаток индентора Берковича при заданной глубине проникновения не выходил за пределы ширины ПЗ. Шероховатость исследуемого образца составила менее 10 % от глубины проникновения индентора, что практически не влияет на точность проведения эксперимента. С целью повышения достоверности полученного результата, процедуру измерения проводили по 20 раз в разных участках ПЗ, за результат принимали её среднее значение.
Анализ микроструктуры выполняли на цифровом оптическом микроскопе на основе МБИ-1 и доработанной цветной ПЗС-матрицы. Съёмку производили при освещении образца под углом 45 и 90° к их поверхности, ширина кадра соответствовала 400 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура поверхности исследуемого образца приведена на рис. 1. Видно, что граница соединения формируется в виде неровной волнистой линии, что хорошо согласуется с известными данными исследований биметаллических соединений [10].
а б
Рис. 1. Структура поверхности образца биметалла при освещении образца под углами 45° (а) и 90° (б)
Переход от стальной основы к плакирующему металлу, т.е. ПЗ, представляет собой узкую с неровными краями полосу, что определяется, по всей видимости, кратковременными температурно-силовыми условиями процесса сварки. Ширина ПЗ на протяжении сварного соединения колеблется от 1 до 9 мкм. Согласно данным микрорентгеноспектрального исследования на исследуемом участке она составляет порядка 7,7 мкм (рис. 2, табл. 1). По результатам замера термо-ЭДС (рис. 3), где наглядно представлен переход от плакирующего металла к основному в виде резкого повышения значений термо-ЭДС, размер ПЗ находится в пределах (8 ±0,5) мкм.
Рис. 2. Микроструктура переходной зоны биметаллического образца из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т: х - точки замера (1^5) - локальные микрообъёмы, с которых сняты рентгеновские спектры и дифрактограммы Х(2), Y(3), Z(4)
Таблица 1
Результаты определения ширины переходной зоны в биметаллическом соединении из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т различными методами
Метод определения Ширина, мкм
Расчет ММД [13] 8,2
Термо-ЭДС 8±0,5
Микрорентгеноспектральный анализ 7,7
Терма ЭДС Н = 8 мкм
(мкВ)
12Х18Н10Т 12ХМ
1V
6 11 16 21 26 31 36 41 . 51 56 61 66 71
Шаг измерения 5 мкм
Рис. 3. Диаграмма изменения термо-ЭДС в соединении сталь 12ХМ + 12Х18Н10Т
от числа измерений N
Расчет [13] с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики для участка ПЗ, на котором проводились экспериментальные исследования, также показал величину переходной зоны, близкую к экспериментальной (табл. 1).
Характер распределения химических элементов (хрома, никеля и железа) в переходной зоне, представленный на рис. 4, свидетельствует о диффузии из плакирующего слоя в основной металл хрома и никеля, содержание которых по мере удаления от слоя уменьшается от 17 до 2 % и с 11 до 1 %, соответственно.
120
80 60 40 20
% 100 д. 97 92
80 72
—♦— Fe -■-Ni -A-Cr ▼—-------------
1 з 17
ИЩИ 11 N
1
2
3
4
5
Рис. 4. Изменение содержания химических элементов в переходной зоне биметаллического соединения при переходе от основного металла к плакирующему
0
Исследование фазового состава основных составляющих биметалл сталей показало, что в основном металле стали 12ХМ, кроме равновесных фаз: карбида железа Fe3C (цементита), a-Fe (феррита), наблюдается хромистое (Cr0,2Fe0,8) и молибденовое [(Fe24Mo)0,08] железо (табл. 2 и рис. 5, I). Состав плакирующего металла представляет собой y-Fe (аустенит) с небольшим количеством карбидов хрома (табл. 2 и рис. 5, II). На дифрактограммах (рис. 5) обозначены плоскости только основных составляющих биметалла.
Таблица 2
Фазовый состав и характеристика кристаллографической структуры исследуемых сталей в биметаллическом соединении 12ХМ+12Х18Н10Т. *- основные линии
X
Н о ^ч
И
во
X
Формула, символ Структурный тип Периоды
а b c
FesC РЬпт (62), орторомбическая 4,5144 5,0787 6,7297
(C^Feos)* 1т-3т (229,) кубическая 2,8664 - -
(Fe24Mo)*o.o8 1т-3т (229), кубическая 2,8679 - -
(Cr, Ni)* Fm3m (225), кубическая 3,591 - -
Сг7Сз Р63тс (186), гексагональная 14,01 - 4,532
Cr23C6 Fm-3m (225), кубическая 10,6599 - 2,98060
СГ3С2 Стст (63), орторомбическая 2,85 9,25 6,96
к е с
ь т с о н в и с н е т н нИ
28000
25000
20000
15000
10000
5000
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 2 Theta Cu WL=1,54060 Рис. 5. Дифрактограммы свариваемых сталей: 12ХМ (I) и 12Х18Н10Т (II). Аустенит - y-Fe; феррит- a-Fe
Переходная зона представлена дифрактограммами (X), (Y) (Z) на рис. 6, результаты анализа которых приведены в табл. 3. Цифрами обозначены основные линии аустенита (1, 3) и хромистого железа (2, 4).
40000
н 30000
s-к
И
20000 -
10000 -
40 50 60 70
2 Theta Cu WL=1,54060 Рис. 6. Дифрактограммы (X), (Y) (Z), полученные с ПЗ после сварки взрывом сталей (12ХМ, 12Х18Н10Т): 1, 3 - y-Fe; 2, 4 - a-Fe
В результате анализа дифрактограмм установлено, что по мере удаления от зоны основного металла (рис. 2, 4, точки 2, 3 и 4) в структуре появляется аустенит, количество которого увеличивается при переходе от участка (X) к участку (Y) и максимально в участке (Z) -пики 1 и 3 от y-Fe на рис. 6, что свидетельствует о диффузии хрома и никеля из плакирующего слоя в основной металл. Как было установлено микрорентгеноспектральным анализом концентрация никеля и хрома также изменяется с сторону увеличения (рис. 4) и коррелирует с увеличением количества аустенита в зоне соединения. Следует заметить, что с ростом фазы аустенита в структуре количество карбида железа Fe3C уменьшается (на рис. 6 не обозначенный пик в районе углов 29~40°.)
Таблица 3
Фазовый состав и характеристика кристаллографической структуры структурных составляющих переходной зоны в биметаллическом соединении 12ХМ+12Х18Н10Т
Формула, Структурный
символ тип
(Ре, Сг) - хромистое железо* Im-3m (229) кубическая
(Сг, №) -аустенит* Fm-3m (225) кубическая
Ре3С - цементит* Pbnm (62), орторомбическая
(Ре,Сг)7С3 - карбид Р31с (159), орторомбическая
Сг7С3 - трикарбид Ртст (51)
Сг23Сб - карбид Fm-3m (225) кубическая
Мо2С - карбид (на уровне фона) P-63/m2 (1873) орторомбическая
Ре2С - мартенсит I4/mmm (139) тетрагональная
*- основные линии.
Кроме того наряду с фазами основного металла в структуре (табл. 2) присутствуют карбиды хрома Сг23С6, Сг7С3 и твердые растворы Сг и № на основе а- и у-Ре в малых количествах (очень слабые рефлексы) и даже тетрагональный мартенсит, что указывает на то, что в момент сварки металл соединяемых поверхностей оплавляется и короткое время находится в жидком состоянии, когда возможно перемешивание и диффузия легирующих элементов на короткие расстояния. При охлаждении происходит кристаллизация этих объёмов и закалка их с фиксированием высокотемпературного твердого раствора и образовавшихся в них фаз (табл. 3). Следовательно, ПЗ имеет сложный фазовый состав, представленный неравновесными соединениями легирующих элементов, составляющих исходные соединяемые стали.
Исследование механических свойств ПЗ представлено характеристиками твердости и приведенным модулем упругости, полученными на основании диаграмм внедрения индентора (рис. 7). Требуемая глубина проникновения индентора в переходную зону биметалла достигается при разных значениях нагрузочной силы, что приводит к различным значениям приведенного модуля упругости и твердости.
а б
Рис. 7. Зависимость прикладываемой силы Е от глубины внедрения индентора И в двух точках переходной зоны и основные характеристики; а - ширина переходной зоны 6 мкм, б - 8 мкм
С ростом количества аустенита в структуре соотношение интенсивностей основных линий [111] y-Fe и [111] a-Fe находятся в пределах (0,03^1,2) ед. - дифрактограммы (X), (Y), (Z) на рис. 6. Казалось бы, значительные изменения в фазовом составе ПЗ должны были обусловить и характер формирования этих характеристик. Однако на рис. 8 и 9 представлены зависимости средних значений твердости и приведенного модуля упругости металла
исследуемой переходной зоны и сталей, составляющих биметалл. Твердость сталей до сварки взрывом соответственно имеет значения 3,11 ГПа и 5,30 ГПа. Усредненное значение твердости ПЗ занимает значение, близкое к твердости основного металла (на 0,17 ед. ниже) и составляет 2,94 ГПа. Аналогичная зависимость установлена и при измерении модуля упругости (рис. 9).
6 5 4 3 2 1 0
Рис. 8. Средние значения твердости сталей 12ХМ, 12Х18Н10Т и переходной зоны 250
200
150
100
50
0
Рис. 9. Средние значения приведенного модуля упругости сталей 12ХМ, 12Х18Н10Т и переходной зоны ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, различными способами измерена ширина переходной зоны биметаллического соединения на основе сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т: по расчетным и экспериментальным данным, которые хорошо согласуются, она составляет порядка 8 мкм.
Определен фазовый состав сталей, составляющих биметаллическое соединение, и переходной зоны. Основными фазами переходной зоны являются: хромистое железо, аустенит, мартенсит. Карбиды железа и хрома присутствуют в небольшом количестве.
Установлена связь между фазовым составом и наличием легирующих элементов в переходной зоне. Выявлена зависимость количества остаточного аустенита от содержания никеля и хрома в зоне соединения.
Связь фазового состава с механическими характеристиками не обнаружена (твердость стали 12ХМ и переходной зоны практически одинакова). Небольшое изменение содержания хрома 5 % и никеля 3 % также не вызывает заметного изменения твердости и приведенного модуля упругости.
Н, ГПа 5.30
3.11 ♦- 2.94
12ХМ п.з. 12Х18Н10Т
223.16 Ег, ГПа 189.88 205.85
12ХМ п.з. 12Х18Н10Т
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта УрО РАН № 12-М-122017, при поддержке Президиума УрО РАН в рамках научного проекта молодых ученых № 13-1-НП-196 и Российского фонда фундаментальных исследований № 13-08-01072 А.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лось И.С., Розен А.Е., Перелыгин Ю.П. и др. Исследование структуры и свойств многослойного коррозионностойкого материала, полученного сваркой взрывов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 5, № 4. С. 93-96.
2. Соловьев С.Д., Дементьев В.Б. Кинетика образования межатомных связей в биметаллах. Ижевск : Изд-во ИПМ УрО РАН, 2006. 152 с.
3. Слюсарев М.В. Исследование параметров качеств биметаллических листов // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 9: Исследования молодых ученых. 2007. № 6. С. 176-182.
4. Денисов И.В., Первухин Л.Б., Первухина О.Л. и др. Деформационные процессы при сварке взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. № 6. С. 39-45.
5. Москвитин С.П., Пудовкин А.П. Метод и система контроля характеристик качества биметалла // Вестник ТГТУ. 2009. Т. 15, №2. С. 315-320.
6. Трудов А.Ф., Трыков Ю.П., Клочков С.В. и др. Влияние нагревов на структуру и свойства сваренного взрывом биметалла Ст.3+12Х18Н10Т // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. Т. 10, № 2. С. 18-22.
7. Лысак В.И., Кузьмин С.В. Микронеоднородность сваренных взрывов соединений // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2004. № 6. С. 4-22.
8. Ким С.Л., Дементьев В.Б., Соловьев С.Д. Математическое моделирование образования межатомных связей в биметаллических соединениях // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т. 10, № 4. С. 419-427.
9. Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Арисова В.Н. и др. Структура и микромеханические свойства в биметалле ВТ1-0+АД1, полученном сваркой взрывом по угловой схеме // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4, № 4. С. 38-42.
10. Трыков Ю.П., Проничев Д.В., Гуревич Л.М. и др. Исследование тепло- и электропроводности СИК титан-сталь // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4, № 4. С. 17-21.
11. Стеклова Е.О., Соловьев С.Д., Ким С.Л. Применение метода термоэдс в исследовании химического состава и структурного состояния сварных соединений // Сварка и диагностика. 2011, №2. С. 10-13.
12. Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992. № 7(6). P. 1564-1583.
13. Ким С.Л. Исследование образования химической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов : дис... канд. физ.-мат. наук. Ижевск, 2010. 130 с.
STUDY OF TRANSITION ZONE OF BIMETAL 12XM+12X18H10T, OBTAINED BY EXPLOSION WELDING
Dementiev V.B., Makhneva T.M., Shushkov A.A., Kim S.L.
Institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. The phase composition in the connection of explosion welded (SW) of steels 12CrMo and 12Cr18Ni10Ti are studied, width of the transition zone are defined. The dependence of the amount of retained austenite from content of Ni and Cr in the transition zone and the connection with the reduced modulus of elasticity and hardness are established.
KEYWORDS: bimetal, explosion welding, transition zone, chemical and phase composition, mechanical characteristics, X-ray diffraction, nanoindentation.
Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук, директор ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-29-25, e-mail: [email protected]
Махнева Татьяна Михайловна, доктор технических наук, главный научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412)20-34-66, e-mail: [email protected]
Шушков Андрей Александрович, кандидат технических наук, научный сотрудник ИМ УрО РАН, тел. (3412) 21-45-83, е-mail: [email protected]
Ким Станислав Леонидович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИМ УрО РАН, е-mail: [email protected]
