CC BY
17
УДК621.791:621.789
А.С.АкритовА, В.В.Чигарев,М.Х.Шоршоров
К ВОПРОСУ КИНЕТИКИ РОСТА АУСГЕНИТНЫХ ЗЕРЕН В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ (ОШЗ) ПРИ СВАРКЕ Часть 1
В результате интенсивного воздействия тепла сварочной дуги на термоупрочненный металл низколегированных высокопрочных сталей на участках неполного расплавления и перегрева околошовной зоны (ОШЗ) наблюдается интенсивный рост аустенитных зерен, влияющих как на процесс структурообразования, так и на механические свойства сварных соединений [1-4]. Несмотря на публикации по данному вопросу [1-4, 9], задача все еще продолжает оставаться нерешенной. Это связано не только со спецификой теплового воздействия на свариваемый металл, но и с процессом аллотропического превращения на указанных участках: повышением температур Ас1 и Асз в результате интенсивного нагрева и выделения скрытой теплоты при кристаллизации металла шва, процессами зарождения и роста, зависящим от металлургических особенностей стали, и другими факторами. Поскольку отсутствие надежных расчетных схем и физических представлений не позволяет более полно решать задачи прогнозирования механических свойств металла ОШЗ и сварного соединения в целом, целью настоящей работы явилось:
• методом химической термодинамики установить причины повышения
температур Аа и Асз при сварочном термическом цикле и дать количественные оценки;
• установить связь между температурой окончания аллотропического превращения на участках неполного расплавления и перегрева ОШЗ и температурой начала интенсивного роста зерен;
• установить физическую модель роста аустенитного зерна в ОШЗ при сварке и
определить фактическое время роста от момента зарождения зерна до максимального возможного значения в зависимости от применяемой погонной энергии сварки;
• показать принципиальную возможность использования полученных результатов для последующих структурных превращений в процессе распада аустенита с зерном определенного размера на ветви охлаждения сварочного термического цикла.
Для решения поставленной задачи рассмотрим систему, представляющую дилатометрический образец ИМЕТ-1 [4], состоящий из N ферритных зерен объемом доа, в каждом зерне которого в результате нестационарного сварочного нагрева образовалось и начало расти аустенитное зерно с объемом &оу. Температурное объемное расширение образца противоположно по своему действию влиянию структурных превращений и , следовательно, общая относительная объемная деформация образца Е в интервале критических температур Аы - Асз будет определяться как алгебраическая сумма объемных относительных деформаций от теплового расширения и структурных превращений:
Е=Ет+Ес, (1)
где Ет=аАТ - деформация, вызванная тепловым расширением;
а - объемный коэффициент теплового расширения;
ДТ=АС1 - Т - разность температур начала аллотропического превращения в условиях сварки и начальной температуры образца соответственно; Ее- объемная относительная деформация, вызванная структурными превращениями в интервале этих температур.
Если изменение удельного объема при фазовом а~у превращении
- да (2)
Ьс =-=- >
то удельную упругую энергию растущего аустенитного зерна в момент начала превращения (момент зарождения) можно представить зависимостью [5,6 ]:
А =
аЕ(Т)ЛТ + Х
^а 7
2тоа 2Ш0а1
где х - коэффициент сжимаемости , равный [7, 8]
2 _ 2 (3) & Оу = М-^ Оу ,
х_(Ср су)р ^ (4)
а2МАс1
где СР- Су разность удельных молярных теплоемкостей стали при . постоянном давлении и объеме соответственно; р - плотность; М- молярная масса стали; Е(Т)- модуль Юнга 1-го рода для заданной марки стали при температуре Аы;
Зог объем растущего критического зародыша аустенитного зерна в
ферритном зерне; а - коэффициент объемного расширения стали, равный а=3(3, где (3 - коэффициент линейного расширения стали; Ас1 - температура начала аллотропического превращения в условиях термообработки.
Для определения удельных объемов воспользуемся зависимостями, приведенными в [9], стр.20:
для феррита За = 0.1271+5.528» 10 6 Аы (5)
для аустенита $у=0.1228+8.561*10-6 Аы (6)
тогда
Да=4.3*10-з - 2.15» 10"3 С - 3.033* 10-'Аы, (7)
где С-процент содержания углерода в стали.
Запишем по аналогии с [5,6] изменение свободной энергии системы с учетом энергии упругой деформации зародившегося и выросшего до критического размера аустенитного зерна в ферритном зерне;
2 -1
ЛР(Т) = Дф(Т) + - Оу + № Оу = 0, (8)
. Где Дф=фа-фг- разница удельных свободных энергий а и у фаз соответственно; Х=та, где т-коэффициент формы образовавшегося зародыша; а - коэффициент межфазного поверхностного натяжения на границе феррит - аустенит. Экстремальное значение ДР(Т)'найдем из условия:
Оу
Вид экстремума определится знаком:
d2 AF(T) _ 2 -4/3 , 0ll (io)
——~-- ~ 7Г ^ 0Y +
d$2oy 9
Приняв в соответствии с [6],
а(Ас1 - А%) (П)
• Ас1
где а- скрытая теплота а-у - превращения;
ф перегрев - разница между температурой начала Ас| — А„| аллотропического превращения в стационарных условиях и температурой начала аллотропического превращения при нестационарном нагреве в условиях сварки.
Принимая во внимание то, что температура А® выше которой может
возникнуть способный к росту зародыш аустенитного зерна в ОШЗ соответствует точке перегиба на кривой 9^=ДДР(Т)] , которая находится из условия:
¿2А¥(Т) = 0 (12)
Из уравнения (10) определим объем критического зародыша: -
$ укр = 4К-—) <13>
Подставив значение 9уКр в уравнение (9) при условии (11), получим:
' . А*=Ас1(1-Д). ■ <">
а
где
В = N
3 9 [i 9 [I
(15)
Определим SyKp и фактической температуры начала аллотропического
превращения А® в условиях сварки проводили применительно к стали 45 ,
исследование свариваемости и основные физические свойства которой приведены в [1-4,11]:
а=4.5«10-5 К1 [9]; Cp-Cv=4.8»105 Д*/кмоль.к [10] р=7.9«103 кг/м3; М=56 кг/Кмоль;Е(Т)=1.4.10»Па ( при температуре Aci =? 1 ООО К ) [11]. Q _ Q
CL у (по зависимостям (5)-(7))
S^l-3 • 10 -2 мм3 (1.3М0» м3) [2,4]; Dam=0.12 мм; С=0.5%
( при содержании в стали ~ 40% феррита и ~ 60% перлита );
Aci=1000K; Асз=1200К; ß=1.5*10-5 К1; N=2.4*10 3 при объеме дилатометрического образца 9.4*10 5 м3; а=6.0*106 Дж/мз; т=0.88
для зародыша йолиэндрической формы [4,5]; ст=2.0* 10-3 Дж/м2 Значение ц в формуле (3) имеет значение ц=1,7*1018 ДЖ/М6, а размер дукр, найденый по уравнению (13) равен Эгкр = 0,6*1016м3 (-3,3* Ю-7 мм3, что соответствует диаметру DyKp=2,4*10-3MM3. Такое повышенное значение DyKp можно объяснить тем, что в образовании его участвует не один, а много атомов. Так, в случае гетерогенного зарождения, согласно Б.Чалмерсу [8], стр.254, число атомов ровно п=300. При гетерогенном зарождении и росте зародыша число атомов увеличивается на порядок [6,8]. При интенсивном сварочном нагреве усиливаются рекристализационные и полигонизационные процессы, которые способствуют этому [7,8,4]. В пользу этого предположения говорит ещё тот факт, что зерно растет при размерах Эоу>&уКр в интервале температур от Aci до АФсз, проходя процесс рекристаллизации при ^температуре ТР=0.33Тпл ~ 600 К. Если предположить, что размер кристаллической решетки у-железа d=2.3*10"7 мм, а число атомов, участвующих в образовании и росте зародыша до Soy=SyKp определить произведением 10n*Z2, где Zi - число атомов, находящихся в междоузлиях гранецентрированной кубической решетки
у-железа, что, приняв, согласно [8], координационное число для
аустенита Ъг =6, получим диаметр DyKp=4,14*10-3 мм что по порядку величин близко к расчетному.
Полученное из уровнений (5) значение В=0,56*106 Дж/Мз после подстановки в (14) дает значение А*с1=100 К или 820 °С, что выше равновестной температуры A^ci на 100 °С . Такое опережение можно объяснить интенсивностью теплового нагрева, способствующего релаксации свариваемым материалом накопленных деформаций и напряжений, полученных при его производстве, а также химическим составом и металлургической природой стали [1-3,6]. Подтверждением этого может служить тот факт, что при сварке наиболее крупное зерно в ОШЗ образуется по линии сплавления на участке неполного расплавления непосредственно примыкающей к поверхности свариваемой пластины, где металл вследствие прокатки и последующей обработки имеет более высокие механические свойства [9,4].
Исследования по влиянию указанных факторов на повышение равновестной температуры Асз до АФсз в условиях сварки и влияния этого повышения на кинетику роста аустенитного зерна будет рассмотрено во второй части.
Перечень ссылок
1. Астафьев A.C., Гуляев А.П. О росте зерна стали в околошовной зоне // Сварочн.
пр-во,- 1972.-№7.-С.45-47.
2. Акритов A. C., Бороденко ВМ., ШоршоровМ.Х. О росте зерна аустенита в
околошовной зоне при сварке //Сварочн. пр-во. .-1989.-№12.-С.28-30.
3. Акритов A.C., ШоршоровМ.Х. О скорости роста аустенитных зерен в ОШЗ при
сварке //Сварочн. пр - во.-1992,- №2.- С.29-31.
4. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при
сварке: Атлас,- М.:Наука, 1972.-220с. . 5. Сухаревская В.Я., Гаврши А.М. Об особенностях полиморфного превращения
кристобалита //ДАН СССР.- 1964,- Т. 155, №2.- С.438-441.
6. Кристиан Дж. Теория превращений в металлах и сплавах,- М.:Мир, 1978,- 808 с.
7. Салли И.В. Физические основы формирования структуры сплавов.- М.
Металлургиздат, 1963.- 220 с.
8. Чалмерс Б. Физическое металловедение. - М.: Гос. Научн. техн. изд. лит. по черн. и
цвета. мет. 1963. - 456 с.
9. Юрьев С.Ф. О роли удельных объемов при мартенситном превращении аустенита.
-М.: Металлургиздат, 1950. - 288 с.
10. Жданов Г. С. Физика твердого тела. - М.: Изд-во Моск. ун-та. 1961. - 504 с.
11 ОдингИ.А. Прочность металлов. Металловедение. - Л.;М.: Гл. редак. машиностр.
и автотракт. лит., 1937.-566 с.
