CC BY
34
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2001 р. Вип. №11
УДК 621.791.053:669.14
Захарова И.В.1, Васильев В.Г.2, Кирюхин О.С.3, Троцан А.И.4
СТРУКТУРНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ ПРИ СВАРКЕ ТРУБНОЙ СТАЛИ 13Г1СУ
Рассмотрены структурные превращения в стали 13Г1СУ при имитации сварочных термических циклов, определена твердость, при каждой скорости охлаждения, даны рекомендации по режимам сварки данной стали.
На Харцызском трубном заводе для изготовления магистральных труб внедряется отечественная сталь 13Г1СУ, которая относится к классу прочности (К-55) и имеет значение эквивалента углерода - 0,41 %, что свидетельствует об ограниченной склонности к образованию холодных трещин в ОШЗ и в работе [1] было показано, что стали, у которых Сэ < 0,45 %, можно считать несклонными к холодным трещинам при сварке. Однако в той же работе отмечается со ссылкой на [2], что при одном и том же значении Сэ твердость в околошовной зоне может отличаться на большую величину. Кроме того, по данным [3], при частичной закалке взаимосвязь твердости и Сэ зависит от скорости охлаждения при субкритических температурах: чем меньше скорость охлаждения, тем больше относительное влияние легирующих элементов на упрочнение. Там же было показано, что для упрочнения имеет значение не просто величина Сэ, но и её слагаемые. Так, наибольшая достигаемая твердость при полной закалке определяется содержанием углерода, но характер её зависимости от удельной погонной энергии при сварке стали с большим Сэ, но малым содержанием углерода иной, чем при сварке стали с малым Сэ, но большим содержанием углерода [4].Следовательно, регулируя параметры термического цикла сварки при данном углеродном эквиваленте Сэ, можно получить необходимое качество сварных соединений. Известно [5], что оптимальное сочетание структуры и свойств сварных соединений определяется, прежде всего, кинетикой превращений аустенита, информацию о которой можно получить путем анализа термокинетических диаграмм распада переохлажденного аустенита в условиях сварочного (или имитированного) термического цикла.
Имеющиеся в литературе сведения о кинетике превращения аустенита в стали 13Г1СУ в условиях термических циклов сварки весьма ограничены. Поэтому в настоящей работе для определения оптимальных скоростей охлаждения, обеспечивающих благоприятное сочетание структуры и свойств сварных соединений стали 13Г1СУ изучено превращение аустенита в ОШЗ.
Диаграммы построены по данным, полученным с помощью быстродействующего дилатометра конструкции ИЭС им. Е.О. Патона [6] с индукционным датчиком и записью дилатометрической кривой в координатах температура - удлинение с помощью двухкоординатного автоматического потенциометра Н 307.
Образцы для дилатометрических исследований вырезали из центральной части стального листа на такой же высоте, на которой вырезали образцы для механических испытаний основного металла и сварных соединений.
Максимальная температура нагрева образцов-имитаторов в дилатометре была постоянной и составляла 1350 °С, скорость нагрева - 150 °С/с (в интервале температур 800... 1000 °С). Диапазон исследованных скоростей охлаждения (в интервале 600...500 °С) составлял 100...0,3 °С/с. Такой диапазон охватывает скорости охлаждения сварных соединений, выполненных дуговой сваркой в углекислом газе, под флюсом и электрошлаковой сваркой [7].
В процессе охлаждения образцов в дилатометре, с помощью специального отметчика времени на кривой наносились отметки времени. Это позволило построить кривые охлаждения
1 ПГТУ, аспирант
2 НАНУ, ИЭС им. Е.О. Патона, ст. науч. сотр.
3 ОАО ХТЗ, зав.труб. лаборатор.
4 НАНУ ИМП, д-р техн.наук, проф.
каждого образца в координатах логарифм времени - температура. Кривые охлаждения наносили на диаграмму, начиная от температуры Асз (согласно общепринятой методике), которая для исследованных сталей составляет 850 - 870 °С.
При изучении кинетики распада аустенита использован комплексный анализ дилатометрических кривых охлаждения и микроструктур образцов-имитаторов. Количественный расчет соотношения продуктов превращения производился по дилатометрическим кривым методом отрезков [8, 9].
Содержание микроструктурных составляющих также определяли микроструктурным методом по ГОСТ 8233-56. Для этого после полного остывания образцов-имитаторов изготавливали микрошлифы.
Выявление микроструктуры образцов производили травлением в 4 % растворе азотной кислоты в этиловом спирте, а изучение микроструктуры и съёмку на микроскопе Неофот-23, обычно при увеличении 320. В отдельных случаях, когда структура была мелкодисперсной и отдельные её элементы не разрешались при выбранном увеличении, её исследовали при больших увеличениях, до 1000 раз.
Твердость образцов-имитаторов, учитывая их небольшую толщин}' (1-Змм), измеряли на твердомере Роквелл при нагрузке 60 кг, алмазным наконечником (шкала HRA) с последующим переводом в единицы HV для удобства сравнения с другими данными. На каждом образце производили 5 измерений с последующим усреднением значений твердости. Вдоль кривых охлаждения в конце каждой из областей приведено содержание соответствующей структурной составляющей, а ниже - скорость охлаждения и твердость.
На рис.1 представлена термокинетическая диаграмма превращения аустенита стали 13Г1СУ в условиях имитации сварочного термического цикла, а на рис. 2 - микроструктура образцов имитаторов.
Рис. 1- Термокинетическая диаграмма превращения аустенита для стали 13Г1СУ. Нетрудно усмотреть из диаграммы, что в исследованном диапазоне скоростей охлаждения (100 - 1,6 °С/с) превращение аустенита при имитации сварочного термического цикла происходит в мартенситной, бейнитной и ферритной областях.
При скорости охлаждения 100 °С/с превращение начинается при температуре 540 °С с образования бейнита; при температуре 420 °С оно сменяется мартенситным (рис.2, а) В результате образуется смешанная бейнитно - мартенситная структура (37 % Б и 63 % М) с высокой твердостью (358 НУ). Следует отметить, что в этой стали при исследованных скоростях охлаждения не получили чисто мартенситной структуры. Мартенсит имеет вид светлотравленных участков, состоящих из иголок различной длины, расположенных либо параллельно друг другу, либо под углом 60°. Бейнит имеет вид колоний, состоящих из тонких пластинок, параллельных между собой и растущих в одном направлении.
При скорости охлаждения 75 °С/с температура начала бейнитного превращения повышается до 600 °С, количество бейнита увеличивается до 70 %, а мартенсита - уменьшается до 30 %, а между мартенситной и бейнитной областями появляется зона относительной устойчивости аустенита (рис 2, б) В результате уменьшения количества мартенсита твердость снижается до 276 НУ.
Мартенсит представлен в виде светлых участков, имеющих внутреннее игольчатое строение: они окружены колониями бейнита, причем, ширина пластинок и расстояние между ними в колонии увеличилось. Бейнитное превращение происходит в широком температурном интервале, поэтому ширина пластинок и расстояние между ними различное.
При скоростях охлаждения 36 °С/с получает дальнейшее развитие бейнитное превращение, температура его начала повышается до 626 °С, а доля бейнита в структуре возрастает до 85 %, количество мартенсита при этом уменьшается до 15 % (рис 2, в). Микроструктура представляет собой смесь бейнита с мартенситом, твердость 238 НУ. Бейнит имеет вид колоний, состоящих из рядов протяженных пластин, параллельных между собой. Мартенсит находится в окружении бейнита и имеет вид однородно травящихся участков, окруженных бейнитом. Мартенситные участки имеют игольчатое строение.
При скорости охлаждения 20 °С/с температура начала бейнитного превращения повышается до 640 °С, бейнит становится преобладающей структурой составляющей 95 % (рис 2, г). Причем, в нем увеличивается количество пластин (иголок), распавшихся на отдельные частицы - глобули, т.е. бейнит становится смешанным: одни участки сохраняют четкую пластинчатую форму, а другие приобретают черты зернистого бейнита. Количество мартенсита уменьшается до 5 %. И в этом случае (как при 36 °С/с) он также имеет вид небольших светло-травленных островков, окруженных матрицей бейнита. Твердость образца с такой структурой составляет 225 НУ.
Дальнейшее понижение скорости охлаждения (8,5 °С/с) приводит к повышению температуры бейнитного превращения до 660 °С. Образованию бейнита предшествует выделение небольшого количества (2 %) полигонального феррита, который обнаруживается только при микроструктурном анализе и имеет вид отдельных небольших зерен (рис. 2, д). Структура представляет собой бейнит, сохраняющий выраженную игольчатую форму, и в нем происходит дальнейшее увеличение ширины иголок (пластин). В структуре наблюдаются отдельные частицы темнотравящейся составляющей бейнитной структуры, располагающиеся по направлению проката. При этой скорости охлаждения мартенситное превращение не происходит. Твердость образца составляет 199 НУ.
При скорости охлаждения 5 °С/с получают дальнейшее развитие процессы образования полигонального феррита, его количество возрастает до 15 % (остальное бейнит)(рис 2, е). Температура начала ферритного и бейнитного превращения повышается, температура конца бейнитного превращения повышается незначительно. Структура состоит из зерен полигонального феррита, образующих короткие цепочки, но не оконтуривающих границы зерен. Часто эти цепочки расположены вдоль направления проката. Бейнитная составляющая сохраняет игольчатое строение и аналогична той, которая образуется при скорости охлаждения 8,5 °С/с. В бейнитной структуре увеличивается количество темнотравящейся составляющей, которая появилась при скорости охлаждения 8,5 °С/с. При скорости охлаждения 5 °С/с они имеют вид либо отдельных частиц-зерен, расположенных вдоль направления проката (рис.2, е, в центре снимка), либо полос вытянутых в том же направлении (рис.2, е, верхняя часть снимка). По-видимому, это начальная стадия образования структурной неоднородности, которая присутствует в прокатанном металле. Твердость образца составляет 184 НУ.
* У4 - • - . , V-'-"->42 Г»
ж
Рис. 2 - Микроструктура образцов имитаторов стали 13Г1СУ, охлаждавшейся со скоростями, °С/с: а - 100; б - 75; в - 20; г - 20; д - 8,5; е - 5; ж - 2,7; з - 1,6; и - 0,3; X 320
При скорости охлаждения 2,7 °С/с температура начала ферритного и бейнитного превращения повышается, увеличивается количество полигонального феррита до 20 % (рис. 2, ж) Температура окончания бейнитного превращения повышается незначительно. Цепочки зерен полигонального феррита становятся протяженнее. В некоторых местах они располагаются по границам зерен, в других - вытягиваются в линию вдоль направления проката, рядом с ними в том же направлении располагаются цепочки зерен темнотравящейся бейнитной составляющей. Кроме того, эта фаза располагается также статически равномерно в матрице бейнита, который хотя и не теряет полностью черты игольчатости, но все больше приближается по строению к глобулярному. Твердость образца составляет 174 НУ.
Дальнейшее замедление охлаждения (до 1,6 "С/с) приводит к повышению температуры начала ферритного и бейнитного превращения, увеличению количества полигонального бейнита до 36 %. Структура напоминает ту, что была при скорости охлаждения 2,7 °С/с, но все структурные особенности выражены резче. Увеличивается количество полигонального феррита, по границам зерен он образует сплошные широкие строчки. Увеличивается длина ферритных цепочек, вытянутых вдоль направления проката, и они приобретают вид полос (рис. 2, з). Пар-лельно с ними выстраиваются зерна темнотравящейся бейнитной составляющей, которая распадается на отдельные частицы по типу фазы "А". На этом снимке видно, что образование структурной неоднородности закономерно связано с первоначальной неоднородностью стали, возникшей еще на стадии прокатки, т.к. описываемые элементы структурной неоднородности расположены рядом с вытянутым строчечным выделением сульфида. Твердость образца составляет 172 НУ.
Таким образом, при имитации сварочных термических циклов в интервале скоростей охлаждения 100 - 1,6 °С/с превращение аустенита в стали 13Г1СУ происходит в мартенситной,
бейнитной, ферритной областях. Твердость закономерно снижается при уменьшении скорости охлаждения, особенно сильно твердость уменьшается при подавлении мартенситного превращения и развитии ферритного.
Выводы
1. В интервале температур в околошовной зоне при сварке стали 13Г1СУ при распаде аустенита образуются структуры (в зависимости от скорости охлаждения) мартенсита и бейни-та. Причем количество бейнита увеличивается при снижении скорости охлаждения , а мартенсита - снижается и появляется феррит (около 20 % при скорости охлаждения 1,6 °С/с)
2. Твердость в околошовной зоне изменяется в пределах 358 - 172 HV. Наибольшая твердость получается при скорости охлаждения 100 °С/с, а наименьшая - 1,6 °С/с.
3. Рекомендуется применять для данной стали режимы сварки, которые обеспечивают скорость охлаждения околошовной зоны в интервале 1,6-8,5 °С/с. Превышение скорости охлаждения приводит к образованию мартенсита, снижение - к образованию феррито - бейнитной структуры с пониженной твердостью.
Перечень ссылок.
1. Макаров Э.Л.. Холодные трещины при сварке легированных сталей,- М.: Машиностроение, 1981,-247с.
2. Хашимото У. Инагаки . Конструкционные стали и проблемы их сварки в Японии // Автоматическая сварка.- 1967,- № 8,С.26-33; № 9,с.8-17.
3. Лебедев БД. К вопросу об эквиваленте углерода // Сварочное производство.- 1981,- № 2,-С.1-2.
4. Федоров В.Б., Шоршоров М.К., Данилова Д.К. Углерод и его взаимодействие с металлами.-М.: Металлургия, 1978,-208с.
5. Хакимов А.Н. Кошелев H.H. ЯшунскаяТ.В. Атонов В.В. Оптимизация режимов сварки и термической обработки сталей 09Г2С и 16ГМЮЧ. // Сварочное производство.- 1981.-№ 7,-С. 28-30.
6. Васильев В.Г. Малевский Ю.Б. Дилатометр для исследования фазовых превращений при сварочном термическом цикле // Сб.Физические методы исследования металлов,- Киев: Наукова думка, 1981,-С.144-148.
7. ШоршоровМ.Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана.- М. : Наука, 1965,336с.
8. Steven W. Mayer G., Continuous - Cooling Transformasion Diagrams of steel. // Journal of the Iron and Steels Institute, //V.174, Parti.- May 1953,- P.336.
9. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом металловедении.-М.: Техника, 1968,-280с.
Захарова Ирина Вячеславовна. Аспирант кафедры оборудования и технологии сварочного производства ПГТУ. Окончила ПГТУ в 1997 году. Основные направления научных исследований - исследование дефектов в околошовной зоне сварных соединений.
Васильев Валентин Григорьевич. Канд.техн.наук, ст.науч.сотр. ИЭС им Е.О. Патона, окончил Киевский политехнический институт в 195 9 году. Основные направления научных исследований - исследование влияния температурных режимов на кинетику фазовых превращений в конструкционных сталях.
Кирюхин Олег Степанович. Начальник трубной лаборатории ОАО ХТЗ, окончил Иркутский политехнический институт в 1964 году. Основные направления научных исследований - исследование влияния режимов сварки на качество сварных соединений газонефтепроводов. Троцан Анатолий Иванович. Д-р техн. наук, проф., зав. отделом Института проблем материаловедения НАНУ, окончил Донецкий государственный университет в 1968 году. Основные направления научных исследований - изучение влияния микролегирующих элементов на структуру и свойства низкоуглеродистых сталей.
Статья поступила 26.02.2001.
