Научная статья на тему 'Влияние термического цикла сварки на трансформацию неметаллических включений в зоне термического влияния при сварке стали 16Г2АФ'

Влияние термического цикла сварки на трансформацию неметаллических включений в зоне термического влияния при сварке стали 16Г2АФ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
320
116
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ / ЗОНА ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ / ТЕРМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ СВАРКИ / СКОРОСТЬ ОХЛАЖДЕНИЯ / МАЛОЦИКЛОВАЯ УСТАЛОСТЬ / СТРУКТУРА / NONMETALLIC INCLUSIONS / ZONE OF THERMAL INFLUENCE / WELDING THERMAL CYCLE / COOLING SPEED / LOW-CYCLE FATIGUE / STRUCTURE

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Кривоносова Екатерина Александровна, Лодягина Татьяна Валерьевна

Рассмотрена трансформация оксисульфидных включений в структуре высокопрочной стали 16Г2АФ при различных скоростях охлаждения, имитирующих различные сварочные процессы. Проанализировано влияние формы и размера неметаллических включений на усталостные характеристики образцов, охлаждаемых с различной скоростью.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Кривоносова Екатерина Александровна, Лодягина Татьяна Валерьевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

INFLUENCE OF THE WELDING THERMAL CYCLE ON THE TRANSFORMATION OF NONMETALLIC INCLUSIONS IN THE ZONE OF THERMAL INFLUENCE AT WELDING THE STEEL 16G

Transformation of oxide-sulphide inclusions in structure of high-strength steel 16G2AF at various speeds of cooling, imitating various welding processes is considered. Influence of form and amount of nonmetallic inclusions on fatigue characteristics of the samples, cooled with a various speed, are analyzed.

Текст научной работы на тему «Влияние термического цикла сварки на трансформацию неметаллических включений в зоне термического влияния при сварке стали 16Г2АФ»

УДК 621.791

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ НА ТРАНСФОРМАЦИЮ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В ЗОНЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ СТАЛИ 16Г2АФ

© 2013 Е.А. Кривоносова, Т.В. Лодягина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Поступила в редакцию 01.11.2013

Рассмотрена трансформация оксисульфидных включений в структуре высокопрочной стали 16Г2АФ при различных скоростях охлаждения, имитирующих различные сварочные процессы. Проанализировано влияние формы и размера неметаллических включений на усталостные характеристики образцов, охлаждаемых с различной скоростью.

Ключевые слова: неметаллические включения, зона термического влияния, термический цикл сварки, скорость охлаждения, малоцикловая усталость, структура

Высокопрочная сталь 16Г2АФ за счет комплексного микролегирования и специальной обработки (контролируемой прокатке) обладает высокой прочностью, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью и используется при сооружении таких сварных конструкций, как резервуары высокого давления, железнодорожные и автомобильные мосты, магистральные трубопроводы [1, 2]. Надежность и долговечность указанных конструкций во многом будет определяться физико-химическими процессами и структурными превращениями, происходящими в металле в процессе сварки [3-12]. Под действием сварочного источника тепла в металле происходит изменение структуры и трансформация сульфидов и оксидов железа и марганца [13-16]. Появление в стали 16Г2АФ структуры бейнита и мартенсита при скоростях охлаждения свыше 20°С/с приводит к уменьшению ударной вязкости участка зоны термического влияния (ЗТВ) [17], а также влияет и на характер распространения трещины. Так как оксисульфид-ные включения являются главными концентраторами напряжений в структуре, их форма и размеры также существенно влияют на зарождение и траекторию движения трещины [13].

Разрушение сварных конструкций чаще всего происходит именно в ЗТВ, структура и свойства которой зависят от параметров термического цикла сварки (например, скорости охлаждения ю65 в интервале критических температур 600-500°С). Также следует отметить, что наиболее опасным участком ЗТВ является участок полной перекристаллизации (максимальная температура нагрева достигает 1350°С), так как в зависимости от режимов сварки и, соответственно, реализуемых скоростей

Кривоносова Екатерина Александровна, доктор технических наук, профессор кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов». Email: [email protected]

Лодягина Татьяна Валерьевна, старший преподаватель кафедры «Сварочное производство и технология конструкционных материалов». E-mail: [email protected]

охлаждения на этом участке возможно образование как ферритных, так и бейнитных и мартенситных структур [18, 19]. Кроме того, под действием источника тепла в металле протекают физико-химические процессы, влияющие на форму и размеры неметаллических включений. В связи с малой протяженностью опасного участка ЗТВ реального сварного соединения для исследования использовалась методика имитации термических циклов сварки, позволяющая воспроизводить на образцах структуру любой точки ЗТВ за счет достижения различных скоростей охлаждения [20].

После определения микротвердости и металлографического анализа имитированных образцов из стали 16Г2АФ были выявлены их структура и изменение формы и размеров неметаллических включений в зависимости от скорости охлаждения ю65. Высокий комплекс свойств основного металла стали 16Г2АФ закладывается при контролируемой прокатке, которая способствует получению мелкодисперсной ферритно-перлитной структуры с наличием вытянутых вдоль направления прокатки оксисульфидных строчечных включений (рис. 1). На рис. 1 представлены фотографии микроструктуры и неметаллических включений исследованных образцов. При анализе формы и размеров неметаллических включений внимание уделялось трансформации строчечных неметаллических включений (в виде пленок), так как именно такая форма ответственна за низкую пластичность металла [13].

Таким образом, термический цикл сварки значительно влияет на форму и размеры строчечных оксисульфидных неметаллических включений в зоне полной перекристаллизации стали 16Г2АФ (рис. 1б). Процесс трансформации неметаллических включений в ходе термической обработки связан с их частичным оплавлением, растворением в матрице, последующим перемещением к границе вновь сформированных зерен, выделением в виде дисперсных или пленочных образований и коалес-ценцией вследствие диффузии [13, 14, 21].

Рис. 1. Результаты металлографического анализа образцов стали 16Г2АФ, прошедших имитацию термического цикла сварки при различных скоростях охлаждения ю65: а - микроструктура (х150); б

неметаллические включения (х500)

Так, при быстрых скоростях охлаждения (ю65 = 95°С/с) неметаллические включения не успевают полностью раствориться в матрице. С уменьшением скорости охлаждения, когда металл более длительное время находится при высоких температурах, наблюдается более полное растворение включения (ю65 = 65°С/с). При средних скоростях охлаждения (ю65 = 43°С/с) происходит полное растворение строчечных включений и выделение их в виде мелкодисперсных цепочек. При дальнейшем

уменьшении скорости охлаждения происходит коалесценция включений с образованием сначала более крупных частиц, расположенных в строчку (ю65 = 25°С/с), а затем и сплошных строчечных включений (ю65 = 15°С/с).

Конструкции из рассматриваемой стали, например, магистральные трубопроводы, работают как при статических, так и при знакопеременных нагрузках [18, 22], и целесообразным становится оценивать влияние неметаллических

включений на малоцикловую усталость стали 16Г2АФ. В табл. 1 приводятся сведения о результатах испытания на малоцикловую усталость исследуемых образцов. Испытание имитированных образцов с V-образным концентратором глубиной 1,5 мм на малоцикловую усталость проводились следующим образом. В процессе испытания кон-сольно-закрепленный образец подвергался плоскому изгибу по отнулевому циклу нагружения. В ходе циклического нагружения фиксировалось расстояние, на которое удалилась трещина от концентратора по высоте образца, и соответствующее число циклов нагружения. Образцы доводились до разрушения. После обработки результатов испытания

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы о влиянии формы и размеров неметаллических включений на сопротивление стали малоцикловой усталости. При ю65=15°С/с наблюдается малая длительность периода до зарождения трещины даже при наличии в структуре небольшой доли феррита (пластичной структурной составляющей) и малой объемной доле неметаллических включений (табл. 1). Вероятно, это связано с тем, что в данном случае под действием термического цикла сварки успевают образоваться оксисульфидные включения в виде пленок достаточной протяженности и толщины (рис. 1б), которые и будут являться главными концентраторами напряжений в процессе зарождения усталостной трещины. При средних скоростях охлаждения 25 и 43°С/с в структуре образуются бей-нит и мартенсит при одинаковой объемной доле неметаллических включений. Однако при ю65=25°С/с наблюдаются более крупные частицы, расположенные в строчку, чем при ю65=43°С/с, что приводит к малой длительности периода как до зарождения трещины, так и до разрушения образцов.

Выводы:

1. В зоне полной перекристаллизации стали 16Г2АФ под действием термического цикла сварки наблюдается трансформация неметаллических включений. На форму и размеры включений оказывает влияние скорость охлаждения в интервале температур 600-500°С как параметр термического цикла сварки.

2. Форма и размеры оксисульфидных включений оказывают заметное влияние на характеристики сопротивления стали 16Г2АФ малоцикловой усталости. Независимо от количества неметалли-

были определены такие параметры усталостного разрушения, как теоретическая длительность периода до появления трещины N0 и длительность периода до разрушения N (долговечность) при скоростях охлаждения образцов ю65, достигнутых при имитации термических циклов сварки. Объемная доля неметаллических включений в структуре образцов оценивалась с помощью программного комплекса для обработки и анализа изображения «ВидеоТест-Металл 1.0» при осреднении результата в результате обработки 10 фотографий для каждого имитированного образца.

ческих включений наличие феррита замедляет процесс зарождения трещины; при наличии бей-нитно-мартенситной структуры неметаллическую включения ускоряют как процесс зарождения, так и процесс распространения усталостной трещины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Гольдштейн, М.И. Специальные стали: учебник для вузов /М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. -М.: Металлургия, 1985. 408 с.

2. Березин, В.Л. Сварка трубопроводов и конструкций: учебник для вузов / В.Л. Березин, А.Ф. Суворов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1983. 328 с.

3. Язовских, В.М. Структурные факторы хладостойкости сварных швов / ВМ. Язовских, Е.А. Кривоносова, В.И. Шумяков и др. // Сварочное производство. 2002. № 1. С. 12-14.

4. Krivinosova, E.A. Mathematical model of the kinetics of growth of titanium nitride particles in a welded joint / E.A. Krivonosova, V.M. Yazovskikh, V.V..Utochkin, V.I. Shumyakov // Welding International. 2002. Vol. 16, N 12. P. 974-979.

5. Кривоносова, Е.А. Влияние режима сварки на структуру и свойства зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением / Е.А. Кривоносова, ВМ. Язовских, О.А. Рудакова, Г.В. Встовский // Тяжелое машиностроение. 2009. № 7. С. 23-27.

6. Кривоносова, Е.А. Мультифрактальный анализ структурного состава зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова, Г.В. Встовский // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. № 6. С. 26-31.

7. Кривоносова, Е.А. Исследование вазимосвязи между структурным составом зоны термического влияния и коррозионной стойкостью стали ЭП-56 различных плавок / Е.А. Кривоносова, Е.А. Синкина, О.А. Рудакова // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. 2011. Т. 13, №1. С. 32-41.

8. Синкина, Е.А. Влияние типа покрытия электрода на коррозионную стойкость металла шва стали

Таблица 1. Результаты исследования структуры и сопротивления малоцикловой усталости стали 16Г2АФ в зависимости от скорости охлаждения ю65

<65, °С/с 15 25 43 65 95

структура феррит, бейнит, мартенсит бейнит, мартенсит бейнит, мартенсит мартенсит мартенсит

N0, шт. 6820 9037 25140 18240 57840

Nh, шт. 206000 85800 135400 141600 176700

доля включений, об. % 0,17 0,22 0,22 0,18 0,12

08Х18Н10Т / Е.А. Синкина, Е.А. Кривоносова // Вестник ПГТУ. Машиностроение и материаловедение. 2011. Т. 13, №2. С. 79-85.

9. Кривоносова, Е.А. Структурные особенности деформирования сварных швов высоколегированных сталей / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова, Е.С. Саломатова, А.И. Горчаков // Сварка и диагностика. 2011. № 3. С. 14-17.

10. Кривоносова, Е.А. Влияние структуры отдельных слоев сварных швов стали 10Г2ФБЮ на сопротивление усталостному разрушению / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова // Сварочное производство. 2012. №11. С. 6-9.

11. Кривоносова, Е.А. Анализ критериев оценки усталостных свойств металла сварных швов (часть 1) / Е.А. Кривоносова, А.И. Горчаков // Тяжелое машиностроение. 2013. № 3. С. 29-33.

12. Кривоносова, Е.А. Анализ критериев оценки усталостных свойств металла сварных швов (часть II) / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова, А.И. Горчаков, Ю.В. Щербаков // Тяжелое машиностроение. 2013. № 8. С.

35-38.

13. Металлы и сплавы. Анализ и исследование. Физико-аналитические методы исследования металлов и сплавов. Неметаллические включений: Справочник / Б.К. Барахтин, АМ. Немец; Под ред. Б.К. Барахтина. -СПб.: НПО «Профессионал», 2006. 490 с.

14. Ольшанская, Т.В. Термодинамическая оценка условий трансформации неметаллических включений в околошовной зоне сварных соединений низколегированных сталей // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. 2010. Т. 12, № 1. С. 92-102.

15. Кривоносова, Е.А. Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова, А.И. Горчаков, Ю.В. Щербаков // Тяжелое машиностроение. 2003. № 12. С.

36-39.

16. Кривоносова, Е.А. Структурные аспекты усталостного разрушения металла сварных швов / Е.А. Кривоносова, В.М. Язовских, Н.Н. Вассерман // Тяжелое машиностроение. 2005. №9. С. 20-23.

17. Кривоносова, Е.А. Влияние режима сварки на структуру и свойства зоны термического влияния сталей с карбонитридным упрочнением / Е.А. Кривоносова, В.М. Язовских, Н.Н. Вассерман // Тяжелое машиностроение. 2009. №7. С. 23-27.

18. Гумеров, А.Г. Трещиностойкость металла труб нефтепроводов / А.Г. Гумеров, КМ. Ямалаев, Г.В. Журавлев, Ф.И. Бадиков. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2001. 231 с.

19. Шоршоров, МХ. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке: Атлас / МХ. Шоршоров, В.В. Белов. - М.: «Наука», 1972. 220 с.

20. Ольшанская, Т.В. Разработка методики исследования влияния параетров режима сварки на свойства зоны термического влияния микролегированных сталей 16Г2АФ и 10Г2ФБ / Т.В. Ольшанская, О.А. Рудакова, Т.В. Лодягина // Перспективные технологии и материалы. Материалы межд. научно-техн. конф. г. Пермь, 24 ноября 2008 г. - Пермь, ПГТУ, 2008. С. 45-51.

21. Ольшанская, Т.В. Влияние термического цикла сварки на кинетику изменения формы и размеров неметаллических включений в зоне термического влияния низколегированных сталей / Т.В. Ольшанская, Е.М. Федосеева, М.Н. Игнатов // Вестник ПГТУ. Машиностроение, материаловедение. 2011. Т. 13, № 1. С. 20-27.

22. Кривоносова, Е.А. Определение характеристик сопротивления усталости многослойных сварных швов стали 10Г2ФБЮ / Е.А. Кривоносова, О.А. Рудакова // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2012. Т. 14, № 2. С. 29-36.

INFLUENCE OF THE WELDING THERMAL CYCLE ON THE TRANSFORMATION OF NONMETALLIC INCLUSIONS IN THE ZONE OF THERMAL INFLUENCE AT WELDING THE STEEL 16G2AF

© 2013 E.A. Krivonosova, T.V. Lodyagina

Perm National Research Polytechnical University

Transformation of oxide-sulphide inclusions in structure of high-strength steel 16G2AF at various speeds of cooling, imitating various welding processes is considered. Influence of form and amount of nonmetal-lic inclusions on fatigue characteristics of the samples, cooled with a various speed, are analyzed.

Key words: nonmetallic inclusions, zone of thermal influence, welding thermal cycle, cooling speed, low-cycle fatigue, structure

Ekaterina Krivonosova, Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department "Welding Production and Technology of Constructional Materials ". E-mail: [email protected] Tatiana Lodyagina, Senior Teacher at the Department "Welding Production and Technology of Constructional Materials". E-mail: [email protected]

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.