CC BY
44
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2004 р. Вип. №14
УДК 621.785:621.791.053
РябикинаМ.А.1, Иванченко Е.П.2, Ткаченко К. И.3, Дзюба М. В.
ОСОБЕННОСТИ МИКРОСТРУКТУРЫ СВАРНОГО ШВА В ТОЛСТОЛИСТОВОМ ПРОКАТЕ ПОСЛЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Выполнен сравнительный анализ механических свойств толстолистовой стали 09Г2С для строительных металлоконструкций в состоянии после прокатки, нормализации и термоциклической обработки. Исследованы структура и свойства сварных швов. Установлено, что термоциклическая обработка обеспечивает образование дисперсной структуры на участке сплавления и в зоне термического влияния, что приводит к более однородному распределению твердости в сварном соединении.
Уровень механических свойств сварных соединений играет особо важную роль в обеспечении несущей способности сварных металлоконструкций. Снижение пластичности сварных соединений, связанное с химической и структурной неоднородностью, может представлять значительную опасность для сварной конструкции. Трещина, возникающая в хрупком металле зоны термического влияния (ЗТВ), может привести к полному разрушению сварной конструкции, несмотря на более высокую пластичность и вязкость окружающего металла. При прочих равных условиях, исходная микроструктура материала существенно влияет на его способность сопротивляться разрушению [1,2].
В условиях ЛИЦ 4500 ОАО «МК Ильича» с целью стабилизации свойств горячекатаных листов из низколегированных марок сталей и повышения ударной вязкости при температурах ниже -40 °С впервые применена упрочняющая термическая обработка с использованием тепла прокатного нагрева от температур конца прокатки 900-950 °С или специального нагрева от 920-930 °С. Нагретые до указанных температур листы поочередно подвергаются циклическому двух- или трехкратному охлаждению в баке с водой. Продолжительность охлаждения в воде составляет 20-10 секунд с уменьшением времени охлаждения в каждом последующем цикле до 5 секунд. После каждого погружения лист выдают на воздух на 60-90 секунд. Окончательное охлаждение листов производится на воздухе. Основным структурным изменением при такой циклической обработке является сильное измельчение зерна, которое, как правило, сопровождается уменьшением разнозернистости и более однородным распределением химических элементов.
Следует отметить, что опыт термоциклической обработки крупногабаритного листового проката в практике металлургических предприятий отсутствует [3,4]. В отличие от стандартных методов термообработки, при термоциклической обработке появляются дополнительные источники воздействия на структуру металла, основными из которых являются структурные и фазовые превращения, градиенты температуры, термические напряжения [5].
Цель данной работы - исследование влияния термоциклической обработки на механические свойства и структуру сварных соединений из низколегированной стали 09Г2С.
Сравнительный анализ механических свойств листовой стали 09Г2С толщиной 80 мм после прокатки, нормализации и упрочняющей обработки, выполненный в настоящей работе, подтвердил возможность получения более высоких значений механических характеристик методом ТЦО (табл. 1).
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент
2 ОАО «МК Ильича», инженер
3ПГТУ, студент
4ПГТУ, аспирант
Таблица 1 - Механические свойства стали 09Г2С после различных вариантов
термообработки
№п/п Режим термообработки Механические характеристики
<т0,2, МПа а.;. МПа % КСи.60, Дж/слГ
1 Горячекатаное состояние 305 470 30 35
2 Нормализация 930±10 °С 350 500 33 60
3 ТЦО 940~650 °С (2 цикла) 375 530 30 80
4 ГОСТ 5520-73 245 440 21 29
Так, например, прирост прочностных свойств в результате ТЦО составил ~ 60 МПа по сравнению с горячекатаным состоянием и -20-30 МПа по сравнению с нормализацией. Ударная вязкость КСЛ при температурах испытания от -60 до 20 °С после упрочняющей циклической обработки в 1,5-2 раза превышала аналогичные показатели в горячекатаном состоянии. Увеличение прочностных свойств и ударной вязкости листового проката в результате ТЦО обусловлено формированием однородной дисперсной феррито-перлитной структуры, рис. 1.
Рис. 1 - Микроструктура (х400) листовой стали 09Г2С после нормализации (а) и упрочняющей циклической обработки (б)
Исследуемая партия толстолистового проката предназначалась для восстановления отдельных участков саркофага Чернобыльской АЭС, поэтому важным является знание особенностей поведения металла на протяжении сварочного цикла: прежде всего склонности к образованию грубых закалочных структур и разупрочнению в околошовной зоне. С этой целью опытные образцы из листов в состоянии после нормализации от 930 °С и двукратной упрочняющей обработки подвергались сварке в лабораторных условиях. С помощью микроскопа «№ор1ю1;» изучалась структура сварных швов и измерялась твердость.
На микрошлифах сварных соединений выявлены следующие характерные зоны: о зона сварки; о зона термического влияния; о основной металл.
Известно [6], что к особенностям строения сварных швов следует отнести наличие целого спектра структур, состоящих из структур наплавленного металла и металла, который в процессе сварки подвергался нагреву.
В результате высокотемпературного нагрева в интервале ликвидус-солидус металл в зоне сварки приобретает крупнозернистое строение. Часть зерен и их приграничные участки подвергаются расплавлению. Зона сварки характеризуется наличием структурной и химической неоднородности между периферийными и центральными частями. За линией сплавления следует зона термического влияния, участки которой подвергались нагреву несколько выше и ниже критической температуры Ас3. Зона, нагретая выше А3. имеет мелкозернистое строение, что оказывает положительное влияние на свойства сварного соединения. Участок неполной перекристаллизации характеризуется сочетанием измельченных зерен с зернами избыточного феррита, которые, как правило, сохраняют свое первоначальное строение.
Структура сварного соединения предварительно нормализованной стали состоит из участков феррита и перлита. Между зоной сварки и зоной термического влияния прослеживается четко выраженная линия сплавления. В верхней части ЗТВ выявляются области перегретого металла с увеличенным размером зерна. Присутствие в зоне шва массивных колоний перлита и ферритных участков по границам колоний указывает на неравномерное распределение углерода. Известно [2,7], что при сварке углерод диффундирует в направлении жидкой фазы так же, как сера и фосфор. В свою очередь, марганец и кремний сильно ликвируют, что дополнительно усиливает ликвацию серы. Наличие химической неоднородности в распределении указанных элементов между структурными составляющими, перегрев околошовной зоны до высоких температур является одной из причин формирования структуры такого типа. Зона термического влияния не имеет четких границ и плавно переходит в зону основного металла. В ней можно наблюдать неоднородность по размеру и направленности зерен.
Микроструктура сварных образцов из листов, подвергнутых ТЦО, более однородная, близкая к основному металлу, о чем свидетельствует одинаковая степень травимости всех зон. Важной особенностью образующихся сварных соединений является то, что структура металла шва сильно измельчается. Зона термического влияния характеризуется наличием несколько более крупных ферритных зерен, чем основной металл; отсутствуют четко выраженные переходы между зонами. Таким образом, упрочняющая циклическая обработка, вызывая общее измельчение структуры металла, препятствует формированию крупнозернистой структуры в зоне термического влияния и тем самым устраняет одну из основных причин возникновения холодных трещин. Благодаря этому повышается способность металла к релаксации локальных напряжений за счет местной микропластической деформации, что, в конечном счете, снижает вероятность зарождения микротрещин в процессе монтажа и эксплуатации металлоконструкций.
Измерение твердости сварных соединений осуществлялись методом Роквелла стальным закаленным шариком диаметром 1,58 мм при нагрузке 100 кг. Результаты измерения представлены на рис. 2.
Расстояние от сварного шва, мм
—•—ТЦО —■—нормализация
Рис. 2 - Распределение твердости по ширине сварного соединения в зависимости от
исходного состояния стали
Как видно из рисунка 2, для обоих случаев термообработки листовой стали распределение твердости в сварном шве однородно. При переходе от основного металла к зоне термического влияния, в результате укрупнения размеров структурных составляющих и увеличения количества эвтектоида, значения твердости возрастают на 10-15 %. Твердость сварного соединения листовой стали, подвергнутой упрочняющей обработке выше, чем в нормализованном состоянии, что обусловлено более однородной и дисперсной структурой сварного соединения.
Перспективным направлением исследований в данной области может быть разработка технологии термоциклической обработки толстолистовых сталей ответственного назначения с целью повышения прочностных характеристик и ударной вязкости, а также обеспечения эксплуатационной надежности сварных соединений.
Выводы
Упрочняющая циклическая обработка листовой стали 09Г2С толщиной 80 мм, опробованная в условиях ЛИЦ ОАО «МК Ильича», обеспечивает получение более однородной структуры сварного соединения, что приводит к сужению зоны термического влияния. Распределение твердости в сварном соединении становится более однородным.
Перечень ссылок
1. Гладштейн Л.И. Высокопрочная строительная сталь / ЛМ, Гладштегш, Д.А. Литвиненко. - М.: Металлургия, 1972. - 240 с.
2. Теория сварочных процессов / Под. Ред. В В. Фролова. - М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.
3. Большаков В.И. Термическая обработка строительной стали повышенной прочности / В.И. Большаков, К.Ф. Стародубов, М.А. Тылкин. - М.: Металлургия, 1977. - 200 с.
4. Матросов Ю.И. Сталь для магистральных газопроводов / К).//. Матросов, Д.А, Литвиненко, С.А. Голованенко. - М.: Металлургия, 1989. - 289 с.
5. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка металлов и деталей машин / В.К. Федюкин, М.Е. Смагоринскии. - Л.: Машиностроение, 1989. - 254 с.
6. Хорн Ф. Атлас структур сварных соединений: Пер. с нем. / Ф. Хорн. - М.: Металлургия, 1977. - 288 с.
7. Технология и оборудование сварки плавлением / Г.Д. Никифоров, Г. В. Бобров, В.М. Никитин, В.В. Дьяченко. - М.: Машиностроение, 1986. - 320 с.
Статья поступила 5.03. 2004
