CC BY
35
УДК 621.791
С.П. Буркова, В.П. Бурков
ВЛИЯНИЕ ОБЩЕЙ И ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК НА МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ВЫСОКОАЗОТИСТОЙ СТАЛИ
Рассмотрено влияние режимов термической обработки на качество сварного соединения при электронно-лучевой сварке.
Ключевые слова: Электронно-лучевая сварка, термообработка сварных соединений.
Одним из перспективных нержавеющих материалов для изготовления упругих элементов различного назначения являются холоднокатаные аустенитные хромомарганцевые стали, легированные азотом. При креплении элементов к узлам конструкций часто используют сварку плавлением. Согласно технологическому процессу после операции сварки изделие подвергают старению. При сварке в материале формируются специфические диссипативные структуры, определяющие особенности фазовых превращений при старении и механические свойства сварных соединений [1, 2]. В настоящей работе изучено влияние механизма выделения упрочняющей фазы и механических характеристик материала на эволюцию поворотной компоненты деформации в зоне термического влияния (ЗТВ).
При изучении зон пластической деформации сварного соединения, использовался оптико-телевизионный метод, базирующийся на двухэкспозиционном компьютерном анализе изображений поверхности нагруженного материала [3]. Он позволяет строить поля векторов смещений элементарных участков поверхности и рассчитывать распределения локальных компонент тензора пластической дисторсии: продольной 8ХХ, поперечной Вуу, сдвиговой 8Ху и поворотной ю2. Экспериментальные исследования проводили в условиях статического нагружения сварного соединения.
Рис. 1. График микротвердости сварного соединения стали в закаленном состоянии: 1 - закалка от 1200 °С, электронно-лучевая сварка; 2 - закалка от 1200 °С, электронно-лучевая сварка, старение 700 °С; 3 - закалка от 1200 °С, электронно-лучевая сварка, зональная термическая обработка, старение 700 °С (4 часа)
В качестве объекта исследований была выбрана высокоазотистая сталь Х17АГ18, на образцах проводили имитацию сварки электронно-лучевым способом. Диаметр электронного пучка «1 мм, скорость прохода 2 мм/с. Исследование процессов пластического течения сварного соединения показали, что пластическая деформация протекает неоднородно, но наблюдается пространственно-временная организованность распределения компонент тензора пластической дисторсии в ходе нагружения. Так как зона шва представляет собой участок образца со специфическими, отличающимися от основного металла, свойствами, то его можно рассматривать как отдельный образец с размерами зоны переплава.
Расплавленный металл кристаллизуется с образованием дендритно-ячеистой структуры. В прилегающей к литой зоне - зоне термического влияния (ЗТВ), происходят структурные изменения, которые влияют на процессы выделения упрочняющей фазы и, следовательно, на весь комплекс механических свойств изделий со сварным соединением. Процессы оплавления границ зерен, мигра-
ция границ зерен происходят в ЗТВ возле литой зоны выше 1000 оС, что приводит к росту зерна. Известно, что увеличение размера зерна уменьшает долю прерывистого распада при старении, приводящее к снижению механических свойств зоны термического влияния [2]. Это подтверждается графиками микротвердости (рис. 1). Неравновесные условия кристаллизации, незаконченные процессы диффузионного или конвективного выравнивания состава расплава и твердой фазы вызывают химическую неоднородность металла. По результатам работ известно, что химическая неоднородность в литой зоне выше, чем в основном металле.
Структурная и химическая неоднородность вызывает неоднородное распределение механических свойств. Ввиду небольшой ширины зоны термического влияния и самого шва невозможно испытывать их прочность отдельно. Испытание прочности проводили как основную часть сварного соединения на образцах растягиваемых поперек шва. Косвенно прочностные свойства сварного шва и зоны термического влияния можно оценить путем измерения микротвердости. На рис. 1 приведены кривые микротвердости в направлении поперек сварного соединения при электронно-лучевой сварке. В закаленной стали микротвердость шва выше, чем микротвердость зоны термического влияния и основного металла (рис. 1(1)). Это обусловлено дисперсностью дендритно-ячеистой структуры литой зоны. Неравномерное распределение прочностных свойств по зоне воздействия играет отрицательную роль, снижая технологические свойства изделий, так как является концентратором напряжений и местом преждевременного разрушения конструкций. Для обеспечения прочностной однородности сварных соединений требуется, чтобы разница в значениях твердости не превышала 20%. При неудовлетворении этого требования сварные соединения необходимо подвергать термической обработке.
При нагреве во время старения идет выделение упрочняющей фазы Cr2N и (СгМп^ одновременно по прерывистому и непрерывному механизму в литой зоне и основном металле. В связи с этим формируется структура смешанного типа распада, определяющаяся различными областями травимости.
Y, мм
Рис. 2. Эволюция продольной компоненты тензора дисторсии (е=12%) на участке деформируемой поверхности сварного соединения закаленной стали с последующим старением
В зоне расплава при охлаждении металл кристаллизуется с образованием дендритно-ячеистой структуры и при последующем старении в этой области, путем миграции большеугловых границ, протекает реакция прерывистого выделения упрочняющей фазы. Отсутствие прерывистого распада в ЗТВ обусловлено тем, что эта область металла при сварке нагрелась до температур растворения нитридных и карбидных частиц (более
Рис. 3. Эволюция продольной компоненты тензора дисторсии (=18%) науча-стке деформируемой поверхности сварного соединения закаленной стали с зональной обработкой и последующим старением
1200 оС), и последующее быстрое охлаждение зафиксировало состояние пересыщенного твердого раствора. На границах зерен выделяются дисперсные карбидные частицы ((Сг,Мп^е)23С6). Эти частицы закрепляют границы и препятствуют развитию процессов диффузии и прерывистого распада. Выделение частиц Сг^ проходит медленно по непрерывному механизму, поэтому ЗТВ слабо упрочнена. В более удаленных от шва областях ЗТВ, где температура не превы-
шала 1200 оС, при старении прерывистый распад протекает так же, как и в основном металле, не претерпевшем термического влияния. В материале шва, имеющего дендритно-ячеистую структуру, при старении на большеугловых границах карбидные частицы не выделяются.
При нагружении как исходного, так и термообработанного (состаренного) сварного соединения локализация пластического течения сосредотачивается в зоне термического влияния, так как сопряжение протяженных областей материала с различными структурами распада инициирует проявление в сварном соединении ме-зомасштабного характера деформации уже в начале растяжения. Это выражается локализацией в ЗТВ пластического течения и активацией значений моды деформации. В процессе нагружения пластическое течение реализуется в более узкой области, а значения моды деформации непрерывно растет, что приводит к фрагментации материала и последующему разрушению сварного соединения по границе ЗТВ - шов (рис. 2.).
Локальная термическая обработка (закалка) ЗТВ расфокусированным электронным лучом и последующее старение практически полностью устраняют неоднородности структуры и механических свойств сварных соединений закаленной стали. Исследования показали, что прочностные характеристики данного соединения определяются механическими свойствами основного металла. В этом случае на мезоуровне поворотная мода деформации подавлена и в процессе нагружения не наблюдается её роста в ЗТВ. При нагружении в шве и ЗТВ проходит деформационное упрочнение и локализация деформации перемещается в область основного металла (рис. 3.), где образуется “шейка” и дальнейшее разрушение материала.
Данная термическая обработка существенно увеличивает ресурс работы нагруженных сварных конструкций.
Выводы
1. Деформация в сварном соединении развивается неравномерно в связи с неоднородностью структуры и механических свойств градиентных зон соединения и носит волновой характер.
2. Общепринятая термическая обработка сварных соединений не устраняет неоднородность структуры. Локализация деформации после термической обработки сосредотачивается в области шов-ЗТВ, а компоненты тензора пластической дисторсии имеют максимальное значение.
3. Оптимизация режимов термообработки сварных соединений металлических поликристаллов может быть произведена по анализу количественных характеристик поворотной моды деформации в зоне термического влияния, т.е. ее уменьшения.
4. Правильность выбора технологических режимов термической обработки сварных соединений устанавливается по значениям поворотной компоненты деформации в ЗТВ.
1. Рябов В.Р., Рабкин Д,М., Курочко Р,С., Стрижевская Л.Г. Сварка разнородных металлов и сплавов. М.: Машиностроение, 1984. - 239 с.
2. Panin V.E., Strokatov R.D., Burkova S.P., Akhmetzhanov B.K. Structure and physical-mechanical properties of high-strength austenite steels after electronbeam and laser treatment. // The Second Chinese-Russian Symposium - China. - 1993.- P.40.
3. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - Гл. 8. - С. 176
4. Зуев Л.Б. О формировании автоволн пластичности при деформации. // Металлофизика и новейшие технологии. - 1994. - Т.16, - №10. - С. 31-36.
5. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов. Физика. - 1995. - №11. - С. 6 -25. Ш
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Буркова С.П. - кандидат технических наук,
Бурков В.П. -
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
194.
