CC BY
14
УДК 621.791: 621.789.
Акритов A.C., Чигарев В.В., Шоршоров М.Х., Захарова И.В.
К ВОПРОСУ КИНЕТИКИ РОСТА АУСТЕНИТНЫХ
ЗЕРЕН В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ (ОШЗ) ПРИ СВАРКЕ. Часть 2
В первой части статьи [9] были приведены расчетные зависимости по влиянию термического цикла сварки на повышение равновесной температуры начала аллотропического превращения Aci, с позиций химической термодинамики исследованы основные факторы, влияющие на кинетику процесса роста аустенитрого зерна в ОШЗ при сварке стали 45 [10].
Рассмотрим, как влияют эти факторы на повышение температуры конца
•ф
аллотропического превращения Асз в равновесных условиях до Асз в условиях
сварки. Определим время полного превращения исходного ферритного зерна
максимального размера Voa в аустенитное зерно такого же размера, для чего
воспользуемся решением Геллера-Закса для условий независимого роста кристалла. Эта зависимость более всего подходит для описания кинетики быстротекущих процессов [8], стр. 371, 492. Из этой зависимости время полного а - у -превращения равно:
'-'nh-
где V - скорость зарождения аустенитного зерна в ферритном; ш - скорость роста; х - коэффициент формы (- 1).
Если предположить, что скорость зарождения при полученном значении VyKp не.меняется во всем интервале температур А®J - Д?3 и принять её равной для
стали 45 в состоянии после нормализации равной V = 1,4 ■ 1031/мм3 -с [1], стр. 72, то скорость роста можно оценить скоростью миграции границ в ОШЗ, значения которых приведены в [2,3].
Расчетные значения tr, полученные из уравнения (1) при определенных по методике [2,3] скоростях миграции границ зерен в зависимости от погонной энергии сварки, приведены в таблице. Там же приведены и значения t'r, полученные расчетным путем по термическим циклам дилатометрических образцов из стали 45, подвергнутых обработке, соответствующей приведенным значениям погонных энергий [1, 4]. Анализ полученных данных показывает, что температура конца аллотропического а - у - превращения в условиях сварки смещается в область более высоких температур и практически совпадает с температурой начала интенсивного роста зерна, равной для стали 45 Тнир~ 1150 °С.
Поскольку в реальных сварных соединениях температура участка неполного расплавления ~ 1500 °С, наиболее интенсивный рост зерна будет иметь место при температуре значительно выше Тнир. Для установления, на какой ветви - нагрева или охлаждения - сварочного термического цикла происходит рост зерна от Dam сварки, воспользуемся зависимостью [7], стр. 22:
AD^D^-D^ffi, (2)
где D - коэффициент диффузии углерода в у - железе;
tr - отрезок времени, в течение которого завершается процесс роста. Используя уравнение Аррениуса:
0 = (3)
м
где Ао - постоянная для данной марки стали;
- энергия активации диффузии углерода в у - железе при максимальной температуре нагрева металла ОШЗ; Тш = 1450 °С;
Я - универсальная газовая постоянная. Из уравнений (2) и (3) для выросших зерен имеем:
а
2 Л
(4)
Экспериментальную проверку зависимости (4) проводили на дилатометрических образцах ИМЕТ-1 из стали 45 (структура после нормализации - сорбит, Aci = 730 0 С, Асз = 930 0 С), по методике (7,4]. Максимальный размер ферритного зерна Dam = 0,12 мм. Необходимые расчетные данные tH, to, tr, Tm определяли из термических циклов, которые записывали потенциометром с набором хромель-алюмелевых термопар.
Ферритные зерна в основном металле и аустенитные зерна после термоциклирования выявляли по методике [1-3]. Входящие в уравнение (4) значения Q = 84420 Дж / моль, Ао = 2,6 мм2 / с при Тга = 1450 0 С, R = 8,31 Дж/моль-к для данной марки стали выбирали из [5,6]. Полученные значения tr приведены в таблице. Здесь же приведены расчетные значения температур окончания роста зерен аустенита Т'0р, рассчитанные по значениям tH, to, Tm и Тнир, определенных по термическим циклам дилатометрических образцов, соответствующих различным погонным энергиям. Значения Тор находили из соотношения:
Т =Т +
ор шр
t„
+ t° tr(T -Т )
\ m 1шп > '
tn
(5)
полученного из подобия треугольников ДЕС и ABC, см. рис. 1.
Рис. 1. Схема роста аустенитных зерен в ОШЗ
1 - термический цикл сварки, принятый при расчетах; 2 - реальная ветвь охлаждения термического цикла; 3 - рост зерна на ветвях нагрева и охлаждения.
АФсз, Тнир - фактическая температура, возросшая в результате скоростного сварочного нагрева, и температура начала интенсивного роста зерна соответственно;
Тор, Тор - расчетная и экспериментальная температура окончания роста зерна соответственно; •
tr, t'r - время роста зерна от максимального ферритного зерна (Dam) до максимального аустенитного зерна (Dym), полученное расчетом и экспериментом
соответственно.
Экспериментальные значения Т'0р находили путем сравнения времени tr, определенного по Тор на ветви охлаждения термического цикла дилатометрического образца.
Из приведенных в таблице данных видно, что при малых погонных энергиях сварки температура окончания роста аустенитного зерна Тор примерно соответствует максимальной температуре нагрева металла ОШЗ до Тт = 1450 °С и дальнейший рост зерна прекращается при достижении именно этой температуры. При повышенных погонных энергиях Тор смещается в область более низких температур, но эти температуры соответствуют уже ветви охлаждения сварочного термического цикла. Таким образом, на ветви охлаждения наблюдается лишь незначительное подрастание размера зерна, а фактический рост заканчивается также при достижении металлом ОШЗ максимальной температуры Тт.
Такое положение находит удовлетворительное объяснение как уменьшением скорости охлаждения металла ОШЗ в интервале температур Тт-Т0р с увеличением погонной энергии сварки, так и интенсивностью блокировки выросшего до D уш аустенитного зерна сварочными напряжениями и деформациями, зависящими не только от химического состава стали, способа её производства, но и от технологических приемов сварки. Поскольку все последующие структурообразования в металле ОШЗ происходят в объеме выросшего до максимального размера аустенитного зерна, знание кинетики роста последнего может служить основой для исследования последующих мартенситных, бейнитных и других видов превращений в сталях различных классов, способствуя в конечном итоге получению более высоких механических свойств металла ОШЗ и сварочного соединения в целом.
ВЫВОДЫ
1. На примере стали 45 методами химической термодинамики исследованы причины повышения температур Aci и Асз при нестационарном воздействии
тепла сварочной дуги на термоупрочненный металл.
2. Теоретически подсчитано и экспериментально подтверждено, что аустенитное зерно в ОШЗ при сварке растет на ветви нагрева и лишь незначительно подрастает на ветви охлаждения сварочного термического цикла. Показана принципиальная возможность использования теоретических представлений и экспериментальных данных для более глубокого исследования процессов структурообразования в ОШЗ при сварке.
Перечень ссылок
1. Дьяченко С. С. Образование аустенита в железо-углеродистых сплавах. - М.: Металлургия, 1982. -128 с.
2. Акритов A.C., Бороденко В.М., Шоршоров М.Х. О росте зерна аустенита в околошовной зоне при сварке.// Свароч. пр-во. -1989. - № 12. - С. 28-30.
3. Акритов A.C., Шоршоров М.Х. О скорости роста аустенитных зерен в ОШЗ при сварке // Свароч. про-во. -1992. - № 2. - С. 29-31.
4. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменение свойств стали при сварке: Атлас. - М.: Наука, 1972. - 220 с.
5. ЗайтВ. Диффузия в металлах. - М.: Изд-во иностр. лит., 1958. - 282 с.
6. Дехтяр И.Я. Диффузия и связь в металлических сплавах // Вопросы физики металлов
и металловедения. -К., 1960. -№2. -С. 158-174.
7. Коттрелл А.Х. Строение металлов и сплавов. - М.: Металлургиздат, 1961. - 288 с.
8. ЖдановГ.С. Физика твердого тела. - М.: Изд-во Москов. ун-та. 1961. - 504 с.
9. Акритов ВА С., Чигарев В.В., Шоршоров М.Х. К вопросу кинетики роста аустенитных
зерен в околошовной зоне (ОШЗ) при сварке // Вестник Приазовского гостехуниверситета. -1996,-№ 2,-С. 153-156.
10. Федоров В.Б., Шоршоров М.Х., Хакимова Д.К. Углерод и его взаимодействие с металлами. - М.: Металлургия, 1978. - 208 с.
