CC BY
18
УДК 621.791.01.
Роянов В А., Акритов A.C., Захарова HR, Троцан А.И., Швецов В.В.
КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ РАСПАДЕ ПЕРЕОХЛАЖД ЕННОГО АУСТЕНИТА В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ (ОШЗ) СВАРНЫХ СОЕД ИНЕНИЙ МАЛОПЕРЛИТНОЙ СТАЛИ 06ГМД
Известно, что с помощью термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита можно прогнозировать структуру и механические свойства металла ОШЗ при сварке [1-4]. Однако, при идентификации структурных составляющих, выявленных на дилатометрических образцах и в металле ОШЗ реальных сварных соединений, часто возникают несоответствия, имеющие неоднозначный, а порой и противоречивый характер [5,6]. Положение усугубляется еще и тем, что при исследовании кинетики распада аустенита как в ОШЗ, так и в металле шва при сварке малоперлитных сталей типа 06ХНМ, 06ГМД, 10ГНБ и др. сформировавшиеся в процессе охлаждения с различными скоростями металла ОШЗ структуры игольчатого вида многими исследователями трактуются по-разному [5,7]. Поскольку надежное математическое решение задачи зарождения и роста образующихся при этом кристаллов новых фаз отсутствует , целью настоящей работы явилось:
1. Методами быстродействующей дилатометрии определить основные кинетические параметры превращения аустенита в ОШЗ стали 06ГМД и построить термокинетическую диаграмму продуктов его распада.
2. Методами металлографического анализа идентифицировать полученные при различных скоростях охлаждения шо структуры и построить структурную диаграмму продуктов распада аустенита.
3. Исследовать тонкую структуру металла ОШЗ.
4. Показать принципиальную возможность использования полученных результатов для установления надежного математического решения задачи зарождения и роета образующихся фаз с целью уточнения структурных диаграмм других сталей этого класса применительно к назначению оптимальных режимов их сварки и термообработки.
Хладостойкая сталь 06ГМД в состоянии поставки (плавка 16091-52) имеет химический состав (%):0,03 С; 0,91 Мп; 0,33 Si; 0,3 Ni; 0,009 Ti; 0,021 Nb; 0,031 AI; 0,45 Cu; 0,073 Mo; 0,008 P; 0,009 S. После контролируемой прокатки структура стали феррито-перлитная. Механические характеристики удовлетворяют техническим условиям (ТУ 14-1-4603-89); а» > 465МПа; сто,2 > 380МПа; 5 = 24 %; KCV-70= 1,27 МДж/м2; КС V«°= 1,94 МДж/м2. Кинетику распада переохлажденного аустенита исследовали с помощью быстродействующего дилатометра ИМЕТ-ДБ по методике [1, 8]. Скорость нагрева образцов 150-250°С/с; максимальная температура нагрева - 1350°С .
Выявление продуктов распада проводили по общепринятым методикам. Количественную оценку микроструктур, образовавшихся при различных шо в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (700-650 °С), проводили методами количественной металлографии [9,10]. Для уточнения экспериментальных данных предварительно были определены равновесные точки Aq = 735°С, АСз = 930 °С, Мн = 497 °С с использованием аналитических зависимостей, приведенных в [11]. Для исследования процессов структурообразования в металле ОШЗ реальных сварных соединений, а также для расширения интервала скоростей охлаждения, обеспечивающих появление мартенситной структуры, применяли метод наплавки валиков на тонкий лист в среде аргона на медной водоохлаждаемой пластине в соответствии с данными [1]. Применяемые погонные энергии сварки позволяли получить юо металла ОШЗ, сопоставимые с т образцов-имитаторов, а также <во=220-270 °С/с Из металла ОШЗ таких наплавленных образцов, вырезанных параллельно оси шва, изготавливали фольги для электронной микроскопии путем утонения их шлифовкой, химическим стравли-
ванием и обработкой тонкой бумагой до толщины 0,1 мм, после чего из них вырезали диски диаметром 2-3 мм, которые затем подвергали электрополировке в соответствии с методикой [17]. Фольги исследовали на электронном микроскопе УЭМВ-100К при ускоряющем напряжении 100 и 120 кУ.
На рис. 1 приведена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита металла ОШЗ сварных соединений стали 06ГМД в интервале соо = 4,5-270 °С/с. Необходимые параметры по кинетике превращения даны в таблице 1. Видно, что аустенит металла ОШЗ стали 06ГМД при непрерывном охлаждении претерпевает превращение в ферритной, перлитной, бейнитной и мартенситной областях. Температура начала превращения и устойчивость аустенита в ферритной области снижаются с увеличением шо. Такое положение находит вполне приемлемое объяснение как снижением скорости роста аусте-нитного зерна, так и степенью его гомогенизации, обусловленными более коротким пребыванием металла ОШЗ в аустенитной области. Аналогичная картина наблюдается для начала превращения в перлитной области, однако в этом случае процесс протекает менее интенсивно.
/ооо<
70*2/0*
Время охлаждения от АС) , с
Рис.1. Термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита металла ОШЗ стали 06ГМД в условиях охлаждения при сварке. А-аустенит; Ф-феррит; ИФ- игольчатый феррит; Б-бейнит; М-мартенсит.
Несколько иное положение имеет место в температурном интервале бей-нитного превращения: с повышением соо температура начала превращения повышается, а устойчивость аустенита, характеризуемая отрезком времени охлаждения от температуры АС} до температуры начала распада, падает. Температура
конца превращения также снижается, постепенно приближаясь к температуре начала мартенситного превращения Мн. Следует отметить, что кривые соо = 220-270 °С/с и соответствующие структуры были получены на основании экспериментов, проведенных по методике [1,12].
На рис. 2 показаны характерные микроструктуры исследуемой стали в исходном состоянии и для приведенных на рис. 1 скоростей охлаждения. Видно, что при соо = 4,5 °С/с структура феррито-перлитная. Ферритные зерна имеют полиэдрическую форму, что согласуются с [5]. Небольшие колонии перлита залегают преимущественно на стыке ферритных зерен (рис. 26). Повышение шо до 35 °С/с резко меняет морфологию структуры. Помимо увеличения количества перлитных колоний, окаймляющих ферритные зерна, и уменьшения их размеров, наблюдается игольчатость структуры, свидетельствующая о появлении без диффу-
Таблица 1 - Параметры кинетики превращения аустенита при исследовании металла ОШЗ стали 06ГМД.
wo, «С/с ( 9 , s s Дк/ Ч /см1' Устойчивость аустенита и температурные интервалы его превращения Продолжительность периодов гомогенизации (Т=Асз), с Микротвердость конечной структуры H п ' г* 30 кгс/мм2
А-> Ф А->П А-»Б А Г4.5 —>иФ по 14,181) А-М (по [4,6]) Г Г 7ЧГ
Т, с AT, •С Т,с AT, 'С с Д 7", С Т, с AT, ■С Г, с AT, •С
270 (4200) 0,4 500-360 0,7 Расчет 0,4 1,1 255
220 (4350) 0,6 700-680 0,7 680-660 1,2 Расчет 0,8 2,0 240
193 (4880) 0,8 740-700 1,5 670-540 0,8 700-650 3,4 1,3 4,7 193
135 (5800) 1,1 750-700 2,1 660-570 1,6 720-660 3,4 2,2 5,6 187
83 (7410) 1,6 760-700 3,1 660-620 2,5 700-660 4,5 2,7 7,2 180
70 (8100) 1,-8 770-700 3,5 670^ 630 3,5 680-650 5,3 2,8 8,1 175
35 (11410) 4 780-670 9 680-640 2,5 4,2 6,7 170
4,5 (31800) 18 780-680 40 680-660 3,6 34,0 37,6 158
зионных процессов превращения и начале превращений по мартенситно-бейнитному механизму (рис. 2в). Еще более наглядно это прослеживается при шо = 70 - 83 °С/с. Структура состоит из полигонального феррита (левая часть рис. 2г), бейнита (правая часть рис. 2г) и еще не до конца сформировавшейся структуры игольчатого феррита. Причем формирование последнего полностью
Рис.2. Микроструктура распада переохлажденного аустенита металла ОШЗ стали 06ГМД полученная методом быстродействующей дилатометрии при т °С/с: Ш - исходное состояние; 4,5 /б/; 35 /в/; 83 /г/; 135 /д/; 193 /е/ соответственно; Х200Х5.
воспроизводит схему, предложенную в [5]. Таким образом, можно предположить, что структура игольчатого феррита формируется в металле ОШЗ стали 06ГМД при шо=70-80 °С/с от Т ~ 700 °С. Повышение юо до 136 °С/с вызывает образование и развитие, наряду со структурой верхнего бейнита, структуры игольчатого феррита: мелкие зерна, разделенные высокоугловыми границами, напоминают плетенную тонкими прутьями корзину, причем между этими зернами прослеживаются участки остаточного аустенита. В левой верхней и нижней частях (рис. 2д) видны остатки не распавшегося полигонального феррита, размеры зерен которого заметно уменьшились в результате "прокалывающего" действия карбидных частиц [6]. Дальнейшее развитие процесса структурообразования наиболее отчетливо прослеживается при шо =193 °С/с (рис. 2е). Наряду с нижним бейнитом (левый нижний угол рисунка) в структуре видны кристаллы игольчатого феррита (центральная часть рисунка), разделенные высокоугловыми границами. Между пластинами игольчатого феррита наблюдается остаточный аустенит (темная составляющая между пластинами-иглами в центральной части рисунка), а также участки частично превращенного полигонального феррита. Из рис. 1 видцо, что при повышении шо имеет место равномерный рост микротвердости образовавшихся микроструктур. Анализ полученных данных позволяет с достаточной степенью точности установить на термокинетической диаграмме область образования игольчатого феррита (штриховая линия на рис. 1) и, используя методы количественной металлографии [9,10,13], построить структурную диаграмму (рис. 3). Причем, если следовать [1,8] и отнести к бей-нитной структуре и игольчатый феррит, и верхний и нижний бейнит, и все разновидности мартенсита, то структурная диаграмма будет соответствовать приведенной на рис.За. На рис.36 показана структурная диаграмма с учетом явления наложения различных превращений в объеме аустенитного зерна. Она более полно отражает кинетику распада аустенита при непрерывном охлаждении ме-
талла ОШЗ и находится в полном соответствии с данными [5,6]. Если с достаточной степенью точности оценить процентное содержание структурных составляющих, образовавшихся в заданном температурном интервале при заданной то, то, используя подход, развитый в [3], можно установить основные кинетические параметры зарождения и роста игольчатого феррита. Как известно, [5] наиболее важным преимуществом сталей со структурой игольчатого феррита является повышение ударной вязкости при низких температурах, ибо три основных вида упрочнения: измельчение зерна, образование дислокационной структуры и дисперсионное твердение хорошо уравновешивают друг друга. Поэтому одной из задач, поставленных в данной работе, было сравнить кинетику образования этой структуры при дилатометрировании и в реальных условиях, при сварке.
Скорость охлаждения, '/с
Рис.3. Структурная диаграмма распада переохлажденного аустенита металла ОШЗ стали 06ГМД /обозначения на рис.1, пояснения в тексте/: а - общепринятая; 6-уточненная.
Ранее отмечалось, что метод быстродействующей дилатометрии не позволяет охладить металл ОШЗ со скоростью, превышающей 200 °С/с. Применение методик [1], и [12] позволило не только расширить диапазон то до 270 °С/с, но и идентифицировать структуру металла ОШЗ, а также исследовать тонкую структуру с использованием электронной микроскопии. Причем, шо металла ОШЗ реального сварного соединения при Т « 700°С можно с достаточной точностью определить по зависимости [8]:
шо = 2кксу
(Т-Т0У 1 АГ
(0
где
п - постоянная;
X - коэффициент теплопроводности, (0,416 Дж );
м-с "С
Хс - объемная теплоемкость, (4,75 );
м'-'С
Т - температура наименьшей устойчивости аустенита (принята 700 °С);
То - начальная температура, 20 °С;
^ - погонная энергия сварки, Дж/см;
8 - толщина листа, см.
Рассчитанные значения соо приведены в таблице 2. На рис. 4 представлена микроструктура металла ОШЗ, подвергнутого сварочному нагреву со скоростью -250 »С/с. Максимальная температура -1400 °С. Идентификацию структурных составляющих проводили для шо = 96, 131 и 190 °С/с. Из приведенных на рис.4а-в структур видно, что при шо = 96 °С/с в структуре металла ОШЗ преобладает бейнитная составляющая, причем наблюдаются также иглы, характерные для структуры игольчатого феррита, но их характер и расположение более упорядочены, чем в структуре, полученной на дилатометрических образцах при
Рис. 4. Микроструктура металла ОШЗ стали 06ГМД, полученная по методике /1/ при (оо° С/с: 96 /а/; 131 /б/; 190 /в/;220 /г/: 270/д/соответственно. Х220Х5.
шо =80 °С/с (рис. 2). При шо = 131 °С/с структура состоит из игольчатого феррита : и бейнита, причем иглы феррита неупорядочены и размыты по сравнению с иг- ! лами, приведенными на рис. 2 для дилатометрических образцов. Структура игольчатого феррита, приведенная на рис. 4в (шо = 190 °С/с), отличается от ана- j логичной структуры (рис. 2) как размерами игл, так и порядком их расположения. Если в структуре дилатометрического образца видна некоторая симметрия, подтверждающая возможность зарождения этой структуры на неметаллических включениях [5 ], (рис. 8а, б), то в ОШЗ реального сварного соединения (рис. 4в) эта структура имеет грубоигольчатый характер. Вероятнее всего, это является результатом действия сварочных напряжений и деформаций, ускоряющих протекание как диффузионных, так и без диффузионных процессов [14, 15].
Таблица 2 - Значения шо металла ОШЗ листовой стали 06ГМД толщиной 3,0 мм при температуре 700 °С в зависимости от удельного тепловложения при сварке.
Погонная энергия, Дж/см Удельное тепловложение, Дж/см2 Скорость охлаждения металла ОШЗ при температуре 700 °С/с
1260 4200 270
1300 4350 220
1500 5000 190
1800 6000 131
2100 7000 96
2250 7500 84
Подтверждением этому служит как некоторая упорядоченность игольчатой структуры, образующейся в объеме аустенитного зерна, так и уширение игл, вызванное отводом углерода от фронта растущего кристалла, осуществляемое "дрейфом" атомов углерода в условиях сложного напряженного состояния [16]. Особенно четко неупорядоченность структуры проявляется в металле ОШЗ при шо = 220 и 270 °С/с (рис. 4г, д). Превращение вносит "лавинообразный" характер и идентифицировать полученный структурный конгломерат, не прибегая к методам электронной микроскопии, не представляется возможным [5, 6]. На рис. 5 приведена тонкая структура металла ОШЗ стали 06 ГМД при <во = 190, 220 и 270 °С/с. Согласно Б.С. Касаткину, игольчатый феррит - это неравновесный феррит с сильно развитой субструктурой, образующейся по смешанному диффузионно сдвиговому механизму при температуре, незначительно превышающей температуру превращения аустенита в верхний бейнит [5, 6]. Характерной особенностью его тонкой структуры является то, что она свободна от внутренних карбидных выделений [16]. На рис. 5а приведена характерная тонкая структура металла ОШЗ при шо = 190°С/с. Видно, что дислокации в ферритном зерне свободны, не закреплены мелкодисперсными включениями. Плотность дислокаций находится на уровне ~10'см2. На рис. 56, в представлена тонкая структура при юо = 220 и 270 °С/с соответственно. Видно, что в первом случае юо = 220 °С/с дислокации частично заблокированы мелкодисперсными неметаллическими включениями, что весьма характерно для структуры верхнего бейнита [16]. На рис. 5г приведена карбидная фаза в верхнем бейните. Видно, что наряду с мелкодисперсной фазой правильной формы имеются скопления скоагулированных карбидных частиц неправильной формы. Согласно [5, 6], такой вид включений вызывает низкотемпературное охрупчивание как металла шва, так и металла ОШЗ.
Рис.5. Тонкая структура металла ОШЗ стали 06ГМД при шо °С/с; 190/а/; 220 /б/; 270 /в/ и карбидная фаза в верхнем бейните при шо = 220 °С/с (2) соответственно. XI5000
Множество карбидообразующих элементов, присутствующих в исследуемой стали, не позволяет, даже предположительно, определить тип карбидов. В данной работе не ставилась задача идентификации карбидной фазы, играющей, как показано, большую роль в формировании субструктуры и влияющей на прочностные свойства металла ОШЗ. Приведенные данные лишь подчеркивают актуальность этой задачи, имеющей как научный, так и практический интерес.
Вопрос о том, какие из карбидов способствуют зарояедению и росту структуры игольчатого феррита, до настоящего времени не выяснен и ждет своего решения. Ясно видно, что в данном случае имеет место процесс наложения структурных и фазовых превращений и отдать предпочтение какому-либо из них весьма затруднительно. Плотность дислокаций по снимкам находится на уровне ~5' 109 см-2. Во-втором случае (шо -270 °С/с) имеет место резкое повышение плотности дислокаций до уровня ~1010-10п см 2, наряду с "чистыми" субграни-
цами появляется "лес дислокаций", причем ярко просматривается "прокалывающее" действие дисперсных частиц, вызывающее дробление субзерен. Поскольку плотность дислокаций находится на уровне низкоуглеродистого мартенсита, можно считать, что в этом случае также имеет место наложение структурных превращений. ВЫВОДЫ
1. Методами быстродействующей дилатометрии и количественной металлографии определены основные термокинетические параметры и исследованы процессы структурообразования при распаде переохлажденного аустенита малоперлитной стали 06ГМД в интервале скоростей охлаждения 4,5-270 °С/с и построены термокинетическая и структурная диаграммы продуктов распада. Проведена идентификация образовавшихся структур со структурами металла ОШЗ реальных сварных соединений, претерпевшего превращение при аналогичных ©о. Установлено, что интервал <во = 130 - 190 °С/с наиболее благоприятен для образования структуры игольчатого феррита.
2. Исследована тонкая структура металла ОШЗ реальных сварных соединений при охлаждении со скоростями то = 190, 220, 270 °С/с. Подтверждено, что игольчатый феррит образуется в металле ОШЗ стали 06ГМД при температуре, близкой к температуре образования верхнего бейнита, и характерной особенностью его субструктуры является повышенная плотность подвижных /разблокированных/ дислокаций.
3. На примере стали 06ГМД выявлены характерные особенности наложения процессов структурообразования, затрудняющие классификацию структур игольчатого вида, образующихся в металле. ОШЗ при сварке малоперлитных сталей.
Перечень ссылок
1. ШоршоровМ.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана -М.: Наука, 1965. -336 с.
2. ГривнякИ. Свариваемость сталей.-М.: Машиностроение. 1984.-31бс.
3. О распаде аустенита при непрерывном охлаждении./Л.Г. Онучин, М.Х. Шоршоров II ДАН СССР. 1983.-N5, Т. 271,-С. 1166 -1170.
4. Касаткин B.C., Мусияченко В.Ф. Низколегированные стали высокой прочности для сварных конструкций. -Киев: Техника, 1970. -188 с.
5. Касаткин B.C., Козловец О.И. Микроструктура и свойства сварных соединений низко-
легированных сталей /обзор // Автомат, сварка.-1989. -N7. -С. 1-11.
6. Подгаецкий В.В. О влиянии химического состава металла шва на его микроструктуру
и механические свойства//Автомат, сварка. -1991.-N2. -С. 1-9.
7. Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. - М.: Металлургия, 1982-184с.
8. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменение свойств стали при сварке. Атлас.-М.: Наука, 1972.-220 с.
9. Ф.Хорн. Атлас структур сварных соединений.-М. Машиностроение. 1977.-288 с.
10. Кример Б.И., Панченко Е.В., Шишко Л. А., Мюллер H.H. Учебное пособие к лабораторному курсу металлографии. Ч. I ,-М.: 1957. -136 с.
11. Касаткин О. Г. Математическое моделирование зависимостей состав свойства сварных соединений и создание расчетно - эксперементальной системы для оптимизации основных технологических факторов сварки низколегированных конструкционных сталей // Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук.-Киев, 1990.-332 с
12. РыкалинH.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. -М.: Машгиз, 1951.-296 с.
13. Сталь. Методы выявления и определения величины зерна. ГОСТ 5639-65. -М.: 1973. -22 с.
14. Леонтьев Б.А., Канонов Е.Г. Кинетика роста кристаллов при сдвиговом у - а превращении в железе.//ФММ.-1969.-Ы5,Т.27.-С.856-860.
15. Леонтьев Б.А., Качанов Е.Г. Исследование условий образования видманштеттовой структуры в техническом железе методом высокотемпературной металлографии // Изв. высш. учебн. завед. Черная металлургия. -1968. -N2. -С. 118-130.
16. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали,- М.: Наука, 1977.-239 с.
17. Добротина ЗА., Литвиненко С. П., Рязанова Г.А. Хладостойкость сварных соединений стали 09Г2СБФ // Сварочн. пр-во. -1979. -N 1 .-С. 25-27.
18. Довженко В.А. Исследование влияния термического цикла сварки на структуру зоны термического влияния (ЗТВ) и механические свойства соединений из низколегированных конструкционных сталей. // Диссерт. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. -Киев, 1978.-217 с.
