CC BY
15
Markova Daria Gennadyevna, master, markova-96@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 539.4
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НАЧАЛА МАРТЕНСИТНОГО ПРЕВРАЩЕНИЯ НА ХАРАКТЕР ВОДОРОДНОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ СВАРНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Д.С. Клементьев,
А.А. Калинин
В статье рассмотрено влияние температуры начала мартенситного превращения на характер водородного растрескивания сварных соединений конструкционных сталей. Представлена модель, описывающая влияние фазовых превращений как фазовое превращений в стальных сварных швах на распределение водорода. Показано, что температура металла сварного шва или разность температур между металлом шва и исходной зоной термического влияния (AMS), могут быть использованы в качестве индикатора водородного растрескивания, учитывающего роль микроструктуры и фазовых превращений первого рода (полиморфные фазовые переходы).
Ключевые слова: водородное растрескивание, температура начала мартен-ситного превращения, зона термического влияния, сварные соединения.
Общей практикой снижения риска водородного растрескивания (ВР) сварных соединений из высокопрочных сталей является применение предварительной или последующей термической обработки, что позволяет контролировать скорость охлаждения сварного шва и обеспечивать десорбцию диффузионно-подвижного водорода (ДПВ), отвечающего за процесс растрескивания. Современные научные подходы, основанные на конечно-элементном моделировании, позволяют определять оптимальные режимы термообработки, обеспечивающие такое сочетание микроструктуры, уровня приложенных и остаточных напряжений и содержания ДПВ, которое не приводит к ВР. Однако для их применения необходимо использовать комплексные программы испытаний и жестко контролировать параметры температуры и процесса сварки для каждой конкретной марки стали, что влечет за собой значительные трудовые и материальные затраты.
В этой связи необходимо проводить разработку и внедрение новых подходов по контролю содержания ДПВ в сварных соединениях из высокопрочных сталей.
Формирование микроструктуры сварного соединения, зависит от скорости охлаждения, состава и прокаливаемости основного металла и металла шва, а также исходного размера зерна аустенита перед трансформацией. Во время сварки зона термического влияния (ЗТВ), ближайшая к границе плавления, испытывает пиковые температуры и может превращаться в аустенит. Аустенит может переходить в твердый мартенсит или бейнит в результате быстрого охлаждения после сварки. Кроме того, из-за достаточно высокой температуры образуются грубые зернистые структуры.
Крупные зерна ЗТВ более твердые и менее пластичные, чем области, удаленные от границы плавления [1], поэтому именно в этой области возникает наибольший риск ВР.
Содержание водорода в сварном шве зависит как от источника водорода, так и от способности сварного шва транспортировать водород из металла шва в ЗТВ. Транспортный аспект становится важным из-за более высокой растворимости водорода, но более низкой скорости диффузии водорода в аустените, в отличие от феррита и мартенсита, которые имеют на порядок более высокие коэффициенты диффузии водорода [2].
В результате особенностей протекания диффузионных процессов в аустените, по сравнению с мартенситом и ферритом неравномерное распределение водорода в сварном шве может привести к распаду аустенита [3, 4]. Деструктивное влияние водорода возрастает, когда он локализуется на участках микроструктуры, содержащих мартенсит-ную фазу, наиболее чувствительную к ВР.
Обычно температура начала мартенситного превращения Ms используется в качестве индикатора прокаливаемости сплава и стабильности аустенита. Для высокопрочных сталей Ms также может указывать на изменение скорости диффузии водорода в процессе охлаждения. В общем случае, чем выше MS, тем больше будет диапазон температур, обеспечивающий быструю транспортировку водорода в ферритной или мартенситной фазе [5]. Из-за значительных различий в коэффициенте диффузии водорода и растворимости в у-аустените, и а-феррите/мартенсите, температура, при которой сталь превращается из аустенита в феррит или мартенсит, будет влиять на степень транспортировки водорода в металл. Таким образом, температура Ms является одновременно мерой превращения микроструктуры и способностью иметь фазу (то есть феррит или мартенсит) для быстрой транспортировки водорода [5].
Что касается сварных соединений, то имеются данные [5] о том, что разница в температуре MS между металлом сварного шва и исходной сталью в ЗТВ влияет на распределение водорода в многопроходных сварных швах. Это дополнительно влияет на конечную концентрацию водорода и характер растрескивания (растрескивание металла сварного шва или ЗТВ).
Во время сварки концентрация ДПВ в сварном шве/ЗТВ увеличивается как функция времени. Движущей силой для накопления водорода и его неравномерным распределением является процесс термической диффузии, активируемый последовательными перекрывающимися термическими циклами из-за многопроходной сварки и с помощью локализованных градиентов напряжений в сварном шве из-за трехосного напряженного состояния или геометрических несплошностей [5-7]. Поэтому, когда при охлаждении соединений в металле шва протекают структурные у^-а-превращения, растворимость водорода резко снижается и он диффундирует в окружающую среду, включая близлежащий участок металла ЗТВ [8, 9]. При охлаждении сварного шва ЗТВ (которая только что испытала фазовое у^-а-превращение) становиться способной транспортировать водород на значительное расстояние в исходный металл из-за высокой скорости диффузии водорода в феррите. Однако транспорт водорода не может продолжаться, пока металл шва не превратится в феррит. Металл сварного шва содержит высокую концентрацию водорода (из-за высокой растворимости водорода в аустените), но не может достаточно быстро его транспортировать на границу плавления из-за медленной скорости диффузии водорода [5, 13].
Температуру MS можно определить либо экспериментальным путем с помощью дилатометрических измерений, либо используя некоторые из существующих в литературе формул [5, 10]. Несмотря на наличие формул, полученных как для исходных сталей, так и для металлов сварного шва [10], большинство из них испытывает недостаток в том, что они не учитывают скорость охлаждения шва, что делает их использование несколько приближенным для сварных швов и анализа процессов сварки.
Экспериментальные исследования автора [11], показали взаимосвязь между температурой Ms металла сварного шва и его чувствительностью к ВР. В ходе исследования были изучены сверхпрочные сварные швы Ям ~ 890...1000 МПа [11]. При различном содержании водорода существовала «критическая температура Ы$», ниже которой систематически регистрировалось растрескивание [5, 11]. Чем выше содержание водорода, тем выше критическая температура М^
Гранджон [3] представил концептуальную модель, описывающую, как фазовое превращение аустенит-феррит (или аустенит-мартенсит) в стальных сварных швах влияет на распределение водорода. Когда преобразование аустенит-мартенсит в зоне соединения (металл сварного шва) происходит при более высокой температуре, чем в
ЗТВ, ДПВ будет выделяться в ЗТВ только под линией соединения. Эта область ЗТВ часто является местом растрескивания под заплечиком в высокопрочных стальных сварных швах. С другой стороны, когда мартенситное превращение в ЗТВ происходит при более высокой температуре, чем в зоне соединения, возможно, что избыток водорода может накапливаться в металле сварного шва. Такая ситуация может способствовать процессу ВР металла сварного шва. Рассмотрим подробнее каждый из этих случаев.
Случай 1. Металл сварного шва с температурой Мб ниже чем в ЗТВ
В этом случае металл сварного шва имеет более высокую прочность, чем основной металл, и его температура начала мартенситного превращения будет ниже, чем у основного металла. В то время как аустенит в ЗТВ начинает трансформироваться, аустенит в металле шва остается неизменным. Через определенный промежуток времени ЗТВ, непосредственно примыкающая к зоне соединения, будет транспортировать водород с большей скоростью, чем в металле шва. Если М^ достаточно высока, водород будет транспортироваться на значительное расстояние в исходный металл. Особенно, если трансформация происходит при умеренно повышенной температуре, описанная ситуация может потенциально уменьшить локализованное содержание водорода в твердой микроструктуре, прилегающей к линии соединения, тем самым снижая восприимчивость к ВР. Однако транспортировка водорода не может продолжаться до тех пор, пока микроструктура сварного шва не изменится, потому, что аустенит обладает способностью сохранять высокую концентрацию водорода, но не может транспортировать водород достаточно быстро. Если температура М8 в металле сварного шва слишком мала, то транспортировка водорода из металла шва будет ограничена. При этом незначительная концентрация водорода в ЗТВ, прилегающей к линии слияния, может в конечном итоге привести к растрескиванию металла сварного шва.
Чтобы продемонстрировать влияние М8 на транспортировку водорода, процесс диффузии был смоделирован с учетом временных периодов и температуры, которые уменьшаются в зависимости от скорости подвода сварочного тепла и процесса охлаждения. Начало мартенситного превращения в ЗТВ и в наплавленном металле, происходило в разное время.
Случай 2. ЗТВ с температурой МБ ниже чем в металле сварного шва
Этот случай можно охарактеризовать как ситуацию, когда металл сварного шва подбирается относительно основного металла. В результате было получено высокое накопление водорода в ЗТВ. Такая ситуация способствует ВР под заплечиком. Вместо того, чтобы иметь высокую концентрацию водорода в металле сварного шва, в ЗТВ наблюдаются водородные максимумы. Эта модель, предполагает, что ВР ограничено несколькими зернами (аустенитом), прилегающими к линии соединения. Таким образом, ЗТВ с более низкой температурой может привести к ВР и локализованному растрескиванию металла сварного шва вдоль линии сварного соединения.
Чтобы оценить способность использования М8 в качестве индикатора ВР, содержание ДПВ было рассчитано в зависимости от расчетной начальной температуры мартенситного превращения свариваемого металлического сплава для сварных швов [12].
Из анализа температуры М8 можно получить выражение ДМ8, а знак и величина этого выражения ДМ8 будут характеризовать процесс диффузии водорода:
= М Б (фМ) - МБ (ВМ ^
где Мз(фм) - температура начала мартенситного превращения металлического материала сварного шва, °С; Мз(вм) - температура начала мартенситного превращения исходного металлического материала ЗТВ, °С.
Таким образом если ДМ8 < 0, водород будет накапливаться в металле сварного шва, а если ДМ8>0, водород будет накапливаться в ЗТВ и может произойти растрескивание под заплечиком.
Следовательно, чтобы достичь начальной температуры мартенситного превращения металла сварного шва, более высокой чем в ЗТВ, для максимального переноса водорода в основной металл нужно грамотно сочетать материалы сварного соединения. Кроме того, абсолютные температуры Ms металла сварного шва и ЗТВ должны быть достаточно высокими, чтобы облегчить быстрый перенос водорода в мартенситной фазе.
Из полученных результатов следует, что температура металла сварного шва или разность температур между металлом шва и исходной ЗТВ (AMs), могут быть использованы в качестве индикатора ВР, учитывающего роль микроструктуры и фазовых превращений первого рода (полиморфные фазовые переходы).
Полученные результаты могут быть использованы при создании ресурсосберегающих процессов обработки материалов [14-23].
Работа выполнена по проекту №11.6682.2017/8.9.
Список литературы
1. Du Plessis J. Control of diffusible weld metal hydrogen through arc chemistry modifications / J. Du Plessis. MSc dissertation, University of Pretoria, Pretoria, 2006. 68 p.
2. Bollinghaus Th., Hoffmeister H., Dangeleit A.A scatter band for hydrogen diffusion coefficients in micro-alloyed and low carbon structural steels // Welding in the World, 1995. № 35. P. 83-96.
3. Granjon, H. Cold cracking in welding of steels // In Proc. First Internat. Symp. on the Precaution of Cracking of Welded Structures. Japan Welding Soc., 1971. P. IB1.1-IB1.11.
4. Gravile B. Hydrogen Cracking Sensitivity of HSLA Steels // The Metallurgy, Welding and Qualification of Microalloyed (HSLA) Steel Weldments, 1990. P. 127.
5. Use of Martensite Start Temperature for Hydrogen Control / W.W. Wang, R. Wong, S. Liu, D.L. Olson // Welding and Weld Automation in Shipbuilding. TMS. Warren-dale, PA, 1996. P. 17-31.
6. An analysis of microstructure, strain and stress on the hydrogen accumulation in the weld heat-affected zone / N. Yurioka, S. Ohshita, H. Nakamura, K. Asano. IIW-Doc. IX-1161-80. Nippon Steel Corporation, The International Institute of Welding, Japan, 1980. 18 p.
7. Yurioka N. A review of numerical analyses on the hydrogen diffusion in welding of steel // IIW-Doc. IX-1553-89. Nippon Steel Corporation, The International Institute of Welding, Japan, July 1989. 15 p.
8. Гайворонский А. А. Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали // Автоматическая сварка, 2013. № 5. С. 15-21.
9. Диффузия водорода в сварных соединениях конструкционных сталей / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета, 2017. Т. 21. № 6(75). С. 91-102.
10. AWS D1.1:1988: Structural welding code - steel. American Welding Society (AWS), 1988.
11. Wong R. J. Hydrogen Cracking Resistance of High Strength Steels in Single Pass and Multiple pass Weldability Tests // In Welding and Weld Automation in Shipbuilding.; Ed. R. DeNale. The Minerals, Metals & Materials society, 1996. P. 33-46.
12. Martensite Start Temperature as a Weldability Index / D.L. Olson, S. Liu, W. Wang, R. Pieters, S. Ibarra // In Conf. Proc. on «Research Trends in Welding Science and Technology». Gatlinburg, Tennessee, 1995. P. 615-620.
13. Шоршоров М. Х. Металловедение сварки стали и сплавов титана. М.: Изд-во Наука, 1965. 336 с.
14. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, Е.С. Васильева, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2015. Вып. 5. Ч. 2. С. 136-144.
15. Распределение температур и структура в зоне термического влияния для стальных листов после лазерной резки / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, А.Г. Колмаков, И.В. Тихонова, А.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, ДМ. Хонелидзе, Д.В. Малий, И.В. Голышев // Материаловедение, 2016. № 9. С. 3-7.
16. Технология конструкционных, эксплуатационных и инструментальных материалов: учебник 2 изд., доп./ А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, С.Н. Кутепов, А.Д. Бреки. Изд-во ТулГУ, 2018. 406 с.
17. Жидкие и консистентные смазочные композиционные материалы, содержащие дисперсные частицы гидросиликатов магния, для узлов трения управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, В.В. Медведева, Н.А. Крылов, С.Е. Александров, А.Е. Гвоздев, А.Н. Сергеев, Н.Е. Стариков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.В. Малий / под ред. А.Д. Бреки. Тула: Издательство ТулГУ, 2016. 166 с.
18. Разработка прогрессивных технологий получения и обработки металлов, сплавов, порошковых и композиционных наноматериалов: монография / М.Х. Шоршо-ров, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, А.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.Д. Бреки, Н.Н. Сергеев, О.В. Кузовлева, Н.Е. Стариков, Д.В. Малий. Тула: Издательство ТулГУ, 2016. 235 с.
19. On friction of metallic materials with consideration for superplasticity phenomenon / A.D. Breki, A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, N.E. Starikov, D.A. Provotorov, N.N. Ser-geyev, D.M. Khonelidze // Inorganic Materials: Applied Research, 2017. Т. 8. № 1. С. 126129.
20. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых переходов первого рода / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков // Материаловедение. 2015. № 1. С. 15-21.
21. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов // Производство проката. 2015. № 12. С. 9-13.
22. Многоуровневый подход к проблеме замедленного разрушения высокопрочных конструкционных сталей под действием водорода / В. П. Баранов, А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Н.Н. Сергеев, А.Н. Чуканов // Материаловедение. 2017. № 7. С. 11-22.
23. Принятие решений по статистическим моделям в управлении качеством продукции / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, С.В. Сапожников, С.Н. Кутепов, Е.В. Агеев // Известия Юго-Западного государственного университета. 2017. Т. 21, № 5(74). С. 7892.
Сергеев Николай Николаевич, д-р техн. наук, профессор, technology@,tspu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Сергеев Александр Николаевич, д-р пед. наук, профессор, ansergueev@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,
Кутепов Сергей Николаевич, канд. пед. наук, kutepov. sergei@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Гвоздев Александр Евгеньевич д-р техн. наук, профессор, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Клементьев Денис Сергеевич, магистр, denis.klementev. 93amail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Калинин Антон Алексеевич, инженер, antony-akamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFLUENCE OF THE TEMPERATURE OF THE BEGINNING OF MARTENSITIC TRANSFORMATION ON THE NATURE OF HYDROGEN CRACKING OF WELDED JOINTS
N.N. Sergeev, A.N. Sergeev, S.N. Kutepov, A.E. Gvozdev, D.S. Klement'yev, A.A. Kalinin
The article considers the influence of the temperature of the beginning of martensitic transformation on the character of hydrogen cracking of welded joints of structural steels. A model describing the effect of phase transformations as phase transformations in steel welds on the distribution of hydrogen is presented. It is shown that the temperature of the weld metal or the temperature difference between the weld metal and the initial zone of thermal influence (AMs) can be used as an indicator of hydrogen cracking, taking into account the role of the microstructure and phase transformations of the first kind (polymorphic phase transitions).
Key words: hydrogen induced cracking, the temperature of beginning of martensite transformation, heat affected zone, welded joints.
Sergeev Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Sergeev Aleksandr Nikolaevich, doctor of pedagogical science, professor, technolo-gy@tspu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kutepov Sergey Nikolaevich, candidate of pedagogical science, kutepov. sergeiamail. ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Gvozdev Aleksandr Evgen'yevich, doctor of technical science, professor, gwozdew.alexandr2013@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Klement'yev Denis Sergeevich, master, denis.klementev. 93amail.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Kalinin Anton Alekseevich, engineer, antony-aka mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
