НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона

СТЕПАНЮК

Сергій Миколайович

УДК 621.791:669.018.292

ОБОРОТНА ВОДНЕВА КРИХКІСТЬ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ВИСОКОМІЦНИХ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ

05.03.06.

Зварювання та споріднені технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, академік НАН України,

Походня Ігор Костянтинович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

завідувач відділом

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Міходуй Леонід Іванович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

завідувач відділом

кандидат технічних наук

Котик Володимир Трохимович

Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”

доцент

Провідна установа: Український державний морський технічний університет,

м. Миколаїв

Захист дисертації відбудеться “26” 12 2001р. о 10 00 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий “23” 11 2001 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В наш час основним конструкційним матеріалом є сталь, а методом виготовлення конструкцій із сталі — дугове зварювання. Сучасними шляхами розвитку зварних конструкцій є зниження їх маси, енергоємності при виготовленні, підвищення надійності і довговічності. Прогрес в даному напрямку пов’язано з розширенням застосування високоміцних низьколегованих (ВМНЛ) сталей, які створені на основі поліпшених низьковуглецевих сталей з використанням механізмів зміцнення в процесі --перетворення. Такі сталі, разом з високим рівнем міцності (0,2 > 490 Н/мм2), мають високу пластичність ( > 55%). Найважливіша проблема при зварюванні цих сталей є попередження холодного розтріскування зварних з’єднань.

На даному етапі досягнуто значних успіхів в рішенні цієї проблеми. Роботи А.М. Макари, Б.С. Касаткіна, І.К. Походні, Ю.А. Стеренбогена, Л.І. Міходуя і багатьох інших дослідників дозволили виявити характерні особливості і встановити основні закономірності холодного розтріскування. Розроблено відповідні технології зварювання ВМНЛ сталей. Вони передбачають попередній підігрів виробів Т 200 ... 250 С, а також супутній нагрів і післязварювальну термічну обробку. Проте ці енерго- та трудоємні операції різко погіршують умови праці зварників і, крім цього, не завжди попереджують холодне розтріскування зварних з’єднань. Тому проблема боротьби з цим явищем залишається актуальною. Для її вирішення необхідно, на сам перед, встановити роль водню як одного з важливих факторів, пов’язаних з крихким руйнуванням зварних конструкцій.

Для зварювання ВМНЛ сталей характерні малі швидкості пластичної деформації і достатньо низькі концентрації дифузійно-рухомого водню  см3/100г, розчиненого в металі шва. За таких умов розвивається оборотна воднева крихкість (ОВК). Це складне явище пов’язане з впливом водню на механічні і службові властивості металу. Характерна особливість крихкості цього виду — її оборотність: після видалення водню із металу (наприклад, в результаті відпалу) механічні властивості повертаються до вихідних значень, властивих металу без водню.

Дослідження ОВК при зварюванні ВМНЛ сталей проводились в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України в ході виконання планових науково-дослідних робіт: 04.05 “Нові технології зварювання та суміжні процеси”, 4.4/595 “Дослідження механізму водневого окрихчення заліза та його сплавів”, № 10/7 “Проблеми металургії зварювання вуглецевих та низьколегованих корпусних сталей високої міцності, розробка наукових основ зварювальних матеріалів нового покоління” і № 10/12 “Металургійні і технологічні проблеми зварювання високоміцних низьколегованих сталей та створення ефективних зварювальних матеріалів в тому числі низьководневих”.

Мета і завдання роботи. Мета роботи — вивчити особливості ОВК конструкційних сталей і розробити методи попередження цього явища при зварюванні ВМНЛ сталей.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

·

· вдосконалити техніку і методику експериментального дослідження механізму ОВК;

· визначити фактори, які обумовлюють розвиток ОВК, та дослідити їх роль в процесі крихкого руйнування зварних з’єднань із ВМНЛ сталей;

· проаналізувати основні джерела водню при зварюванні ВМНЛ сталей; вивчити вплив енергетичних пасток на перерозподіл водню у зварному з’єднанні;

· розробити заходи зниження окрихчувального впливу водню при зварюванні ВМНЛ сталей.

Об’єкт дослідження — крихке руйнування зварних з’єднань, зумовлене дією розчиненого в металі водню.

Предмет дослідження — оборотна воднева крихкість при зварюванні високоміцних низьколегованих сталей.

Методи дослідження: хроматографія і вакуум-плавлення для кількісного аналізу водню в металі; оптична і електронна металографія для виявлення мікроструктури сталей; мас-спектрометрія при вивченні поведінки водню в зварювальних матеріалах та зварних швах; хімічний, спектральний та рентгенівський електроннозондовий аналізи сталей та металу швів; механічні випробування на одновісний розтяг при вивченні впливу на ОВК температури металу, швидкості деформації та концентрації дифузійно-рухомого водню в металі.

Наукова новизна.

Вдосконалено методику визначення ступеню водневого окрихчення конструкційних сталей, що дозволяє проводити механічні випробування насичених воднем зразків в діапазоні температури від -196 до +400 С.

Вивчено особливості ОВК конструкційних сталей. Встановлено кількісні залежності впливу температури металу, швидкості деформації та концентрації дифузійно-рухомого водню в металі на ступінь водневого окрихчення, які показали, що ОВК проявляється в діапазоні температури від –100 до +250 С, при швидкостях деформації 2104 мм/хв і при концентраціях дифузійно-рухомого водню в металі  ,3 см3/100г.

Досліджена поведінка ВМНЛ сталей після високотемпературного нагріву; показано, що її схильність до холодного розтріскування значно збільшується навіть без утворення гартівних структур та зміни хімічного чи фазового складу металу.

Розроблено методику мас-спектрального аналізу продуктів термодесорбції із зварювальних матеріалів та їх окремих компонентів, яка дозволяє визначати наявність, оцінювати кількість і енергію зв’язку водню, вологи, вуглеводневих сполук.

Розроблено шляхи зниження ОВК при зварюванні ВМНЛ сталей:

а) оптимізація складу покриття зварювального електроду (базується на індивідуальному аналізі компонентів зварювальних матеріалів), в результаті якої знижується кількість водню, який розчиняється в металі шва;

б) введення в метал шва енергетичних пасток водню, що дозволяє досягти майже 50%-го зниження кількості дифузійно-рухомого водню в шві.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень, отриманих результатів і висновків забезпечується проведенням досліджень в сертифікованих лабораторіях на атестованому обладнанні; узгодженням отриманих експериментальних даних з відомими у відповідних літературних джерелах.

Наукове значення роботи полягає в розвитку уявлень про ОВК конструкційних сталей, яка при зварюванні проявляється в вигляді крихкого руйнування зварних з’єднань.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що вони розкривають фізичну сутність явища, яке протікає в зварному з’єднанні за участю розчиненого водню.

Вони можуть бути використані при розробці прогресивних зварювальних матеріалів — низьководневих електродів, а також при вдосконаленні технології зварювання ВМНЛ сталей.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є підсумком експериментальних і теоретичних досліджень, виконаних автором особисто. Постановка задач і обговорення результатів проведені спільно з науковим керівником і співавторами публікацій.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертаційної роботи були представлені на Міжнародних конференціях: “Воднева обробка матеріалів (ВОМ-98)” (Донецьк, 1998р.); Європейська конференція з питань руйнування ECF-12 (Шеффілд, Великобританія, 1998р.); “Зварювання та споріднені технології - в XXI сторіччя” (Київ, 1998р.); “Механіка руйнування матеріалів і міцність конструкцій” (Львів, 1999р.); “Деградація конструкційних матеріалів в агресивному середовищі (EDEM-99)” (Гданськ, Польща, 1999р.); “Благородні та рідкісні метали” (Донецьк, 2000р.); “Високоміцні низьколеговані сталі 2000” (Китай, 2000р.); “Воднева обробка матеріалів (ВОМ-2001)” (Донецьк, 2001р.); “Дугове зварювання. Матеріали і якість на рубежі XXI сторіччя” (Орел, Росія, 2001р.); семінар з безпеки та економіки водневого транспорту “IFSSEHT 2000” (Саров, Росія, 2000р.); а також на Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів “Зварювання та споріднені технології” (Ворзель, 2001р.);.

Публікації. Матеріали дисертації опубліковано в 14 наукових роботах, список яких наведений в заключній частині автореферату, з них 3 статті [1-3] задовольняють вимогам ВАК до публікацій.

Структура та об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури. Загальний обсяг роботи 111 сторінок, що містить 6 таблиць, 26 рисунків, бібліографію 103 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета роботи, відзначені новизна і практичне значення отриманих результатів.

В першому розділі проведено аналіз сучасного стану проблеми крихкого руйнування зварних з’єднань.

Аналіз показав, що холодне розтріскування залежить від структури сталі, від кількості водню в зварному шві, від величини і розподілу внутрішніх напружень, що виникають в зварному з’єднанні після закінчення зварювання, від швидкості деформації; розтріскування відбувається при охолоджуванні до відносно невисоких температур, як правило, нижче 200 С. Спроби пояснити механізм цього явища за допомогою класичних водневої і гартівної гіпотез виявились безрезультатними. Зумовлено це відсутністю ясних уявлень про дію водню в процесі холодного розтріскування.

В другому розділі описані прийнята модель ОВК, критерії оцінки ступеню водневого окрихчення, удосконалення техніки фізичного моделювання.

В умовах реального процесу зварювання одночасно змінюються: температура металу, його структура і напружений стан, вміст водню. Тому для вивчення ролі окремих факторів ОВК застосовували фізичне моделювання.

В роботі прийнято фізичну модель ОВК, розроблену [1*] на основі концепції мікросколу. В цій моделі зародження руйнування заліза і сталей з ОЦК - решіткою розглядається з урахуванням їх реального структурного стану. В якості критичної стадії руйнування вважається перехід до росту по механізму Гріффітса внутрішньозернових зародкових субмікротріщин, які утворюються в локальному полі дислокаційних ансамблів, що виникають в процесі пластичної деформації. При цьому до макроруйнування призводить не будь-яка утворена субмікротріщина, а лише та, яка в сумарному полі, утвореному дислокаційним скупчення і зовнішніми напруженнями, втрачає стійкість в момент свого утворення. Крім внутрішньозернових тріщин, можливе виникнення тріщин усередині часток другої фази чи крихких включень.

При пластичному деформуванні рухомі дислокації ведуть за собою частину розчиненого в металі водню. Таким чином, в процесі зародження субмікротріщини водень потрапляє безпосередньо в об’єм утвореної порожнини, де він хемосорбується на ювенільних поверхнях субмікротріщини у вигляді від’ємних іонів H—. Це призводить до зменшення її поверхневої енергії. В результаті цього знижується критичне напруження руйнування, при досягненні якого, тріщина долає потенційний бар’єр і розповсюджується в силовому полі автокаталітично.

В роботі використано характеристики механіки міцності: Rmc — мінімальне напруження крихкого руйнування (напруження мікросколу) і коефіцієнт в’язкості КВ — показник здатності матеріалу чинити опір мікросколу:

КВ = Rmc т , (1)

де т — межа текучості металу.

На визначенні цих характеристик базується критерій оцінки ступеню водневого окрихчення [2*] — ступінь падіння крихкої міцності, що зумовлена дією водню:

Н= / Rmc , (2)

де — відповідна характеристика металу з воднем.

Для урахування впливу деформації на величину мікросколу замість параметра Rmc підставляли його деформаційний аналог Rmcе, величина якого визначається за формулою:

Rmcе SK (1+b) / (b(1+2/)), (3)

де b=ln(1+/2), =0,92(е - 0,1), е= ln(1/(1-)),

а SK — середнє напруження руйнування в шийці і — відносне звуження.

Вдосконалення техніки фізичного моделювання. Під час механічних випробувань при підвищених температурах (вище нормальної) відбувається інтенсивна десорбція водню із зразка. Для попередження цього ефекту в даній роботі запропоновано методику розчинення водню в зразках, яка базується на використанні гідриду титана в якості джерела водню. Порошок цієї речовини поміщали в порожнину, висвердлену по осі стандартного зразка, яку потім заварювали з торців захватної частини. Перед проведенням механічних випробувань ці зразки прогрівали при температурі 400 С до початку виділення водню назовні.

Дослідження показали, що така методика забезпечує наявність водню в зразках при високих температурах на протязі проміжку часу, що значно перевищує тривалість механічних випробувань.

Для комплексного дослідження водню і його сполук в зварювальних матеріалах було створено газоаналітичну установку на базі однополярного радіочастотного мас-спектрального аналізатора МХ-7304А (рис. 1). Його роздільна здатність на рівні 10 % інтенсивності лінії мас-спектру дорівнює 200 і поріг чутливості до водню не більше 7,510-11Па.

Рис. 1. Схема газоаналітичної установки: 1 — мас-спектральний сенсор, 2 — система контролю, 3 — вакуумна система, 4 — система екстракції і дозування газу.

Установка складається із трьох функціональних частин: вакуумної системи; системи екстракції і дозування газу; аналізатору мас.

Вона дає можливість встановлювати наявність, оцінювати кількість і енергію зв’язку водню в металах і зварних швах, а в компонентах зварювальних матеріалів також гідроксильних груп, вологи, вуглеводневих сполук.

В третьому розділі викладено: дослідження впливу структурних перетворень при високотемпературному нагріванні ВМНЛ сталей на їх схильність до водневої крихкості, а також дослідження впливу температури металу, швидкості деформації і вмісту водню, розчиненого в металі, на ступінь водневого окрихчення.

Вплив структурних перетворень при високотемпературному нагріванні ВМНЛ сталей на їх схильність до водневої крихкості вивчали на зразках із сталі АБ-2Ш. Для порівняння використовували високоміцну мартенситно-старіючу (МС) сталь. Заготовки із цих сталей нагрівали в печі до температури Тнагр: 780, 790 (770 для МС), 850 і 1150 С, за однаковий проміжок часу, необхідний для вирівнювання в них температури. Охолодження зразків проводили на повітрі.

Для механічних випробувань на одновісний розтяг використовували стандартні зразки (тип I по ГОСТ 6996-66). Водень в них розчиняли електролітичним способом (до Ндиф. 3 см3/100г): серію зразків розташовували в 5%-ому розчині сірчаної кислоти з додаванням 0,05% тіосульфату натрію і витримували заданий проміжок часу при щільності струму 10 мА/см2.

Зразки з воднем і без водню випробовували при кімнатній температурі зі швидкістю деформації 5 мм/хв.

Результати зображені на рис. 2 в вигляді залежностей коефіцієнта в’язкості КВ від температури нагрівання Тнагр. Із рис. 2 видно, що обидві сталі без водню мають високий рівень в’язкості (КВ2). Однак зразки із МС сталі, маючи мартенситну структуру, катастрофічно окрихчуються при наявності водню — коефіцієнт в’язкості стає близьким до одиниці (рис. 2б), що свідчить про зниження крихкої міцності металу до рівня межі текучості.

Рис. 2. Залежності коефіцієнта в’язкості КВ від температури нагрівання Тнагр. а — для сталі АБ-2Ш, б — для МС сталі (1 зразки без водню, 2 з воднем).

Сталь АБ-2Ш відноситься до бейнітного класу і в початковому стані має низьку схильність до водневої крихкості (рис. 2а, Тнагр=20 С) — при наявності водню окрихчення незначне. Однак, після високотемпературної обробки сталь стає крихкою (рис. 2а, Тнагр=1150 С), її руйнування відбувається на межі текучості. При цьому, як показав металографічний аналіз, сталь АБ-2Ш зберігає бейнітну структуру.

Зміни, що спостерігаються (рис. 2а), пов’язані, певно, з впливом високих температур на стабільність когерентних виділень спеціальних карбідів в вузлах дислокаційної сітки високої щільності, що сформовані термомеханічною обробкою при виготовленні ВМНЛ сталей.

Таким чином, дослідження показали, що в результаті високотемпературного нагрівання схильність до водневої крихкості у ВМНЛ сталі значно збільшується без зміни хімічного чи фазового складу металу. Тому в ЗТВ зварного з’єднання структура сталей цього класу буде ставати більш схильною до холодного розтріскування навіть без утворення гартівних структур.

При вивченні холодного розтріскування достатньої уваги не приділяється ролі швидкості деформації і температури металу. Однак ці фактори впливають на ОВК. Тому в даній роботі на конструкційних сталях Ст.3, Ст.20 і 17ХГНДСМ провели дослідження впливу швидкості деформації і температури металу на ступінь водневого окрихчування.

Стандартні зразки (тип II по ГОСТ 6996-66) без водню і з воднем випробовували на одновісний розтяг:

а) Ст.3 в діапазоні температури від -196 до +20 С при швидкостях деформації: 2 мм/хв, 2102мм/хв, 2104 мм/хв (рис. 3);

б) Ст.20 і 17ХГНДСМ в діапазоні температури від –196 до +400 С зі швидкістю деформації 5 мм/хв (рис. 4).

Рис. 3. Зміна ступеню падіння крихкої міцності металу Н при різних швидкостях деформації: 1 — 2 мм/хв, 2 — 2102 мм/хв, 3 — 2104 мм/хв.

Для випробовувань при низьких температурах використовували електро-літичний спосіб розчинення водню в зразках, а для високотемпературних — спосіб, що базується на застосуванні гідриду титана.

Із отриманих результатів видно (рис. 3), що ОВК знижується при збільшенні швидкості деформації і повністю зникає при деформаціях зі швидкістю 2104 мм/хв. Крім того, ОВК спостерігається лише в певному діапазоні температури від –100 до +250 С. За межами даного діапазону ця крихкість практично не проявляється (рис. 4).

Такій аномальний вигляд отриманих залежностей (рис. 3, 4) відображає характер взаємодії атомів розчиненого в металі водню з дислокаціями. Оскільки енергія зв’язку у них невелика (20-60 КДж/моль 3*), то при низькій температурі, коли рухливість атомів водню досить мала, дислокації не захоплюють при переміщенні водневі атмосфери (атмосфери Коттрелла), а вириваються з них і вільно переміщуються в металі. З підвищенням температури коефіцієнт дифузії водню збільшується і, коли рухливість атомів водню стає близькою до швидкості руху дислокацій, енергії зв’язку вже достатньо для їх спільного переміщення до місць зародження субмікротріщин. При подальшому збільшенні температури тепловий рух починає руйнувати атмосфери Коттрелла чи сегрегації водню в областях скупчення дислокацій, внаслідок чого ступінь окрихчення знижується. Коли атмосфери Коттрелла руйнуються, ОВК зникає повністю.

Рис. 4. Температурні залежності ступеню падіння крихкої міцності Н а — для сталі Ст20, б — для сталі 17ХГНДСМ.

Отже температурний інтервал, в якому може розвиватися ОВК, обмежений зверху температурою руйнування атмосфер Коттрелла, а знизу температурою, нижче якої дислокації вириваються із атмосфер Коттрелла.

При достатньо великих швидкостях деформації дислокації вириваються із водневих атмосфер у всьому температурному інтервалі існування останніх, і ОВК не спостерігається.

Таким чином, температура металу і швидкість деформації являються факторами, які регулюють ОВК. Холодне розтріскування, зумовлене розчиненим при зварюванні воднем, можливе лише в відповідному діапазоні температури (від –100 до +250 С) і при достатньо низьких швидкостях деформації ( 2104 мм/хв).

Вплив концентрації дифузійно-рухомого водню на ступінь окрихчення досліджували на ВМНЛ сталі з хімічним складом (ваг. %): 0.14 C; 0.25 Si; 0.75 Mn; 1.00; 3.5 Ni; 0.14; 0.012 S; 0.025 P. В стандартних зразках (тип I по ГОСТ 6996-66) із цієї сталі водень розчиняли електролітичним способом до різних рівнів Ндиф.: від 0,3 до 5 см3/100г. Випробовування на одновісний розтяг проводили при кімнатній температурі зі швидкістю деформації 5 мм/хв.

Результати зображені на рис. 5 в вигляді залежності відношення н / від концентрації дифузійно-рухомого водню Ндиф. (н і — відносне звуження зразків з воднем і без нього, відповідно).

Рис. 5. Концентраційна залежність ОВК.

Отримана залежність (рис. 5) має нелінійний вигляд і ілюструє, що малі концентрації дифузійно-рухомого водню здатні спричиняти ефект окрихчення.

Однак, наявність аналогічної кількості водню в зварному з’єднанні не є достатньою умовою для холодного розтріскування. Крім присутності водню, структура металу повинна бути чутлива до водневого окрихчення (рис. 2), швидкість деформації достатньо низька (рис. ), температура металу в межах діапазону виявлення ОВК (рис. 4), а напруження повинні досягти значення зниженої воднем межі міцності.

Проте, з аналізу приведеної концентраційної залежності (рис. 5) виходить, що для зменшення ОВК, і зниження ризику холодного розтріскування при зварюванні конструкцій, в яких виникають високі локальні напруження, необхідно максимально зменшувати кількість дифузійно-рухомого водню, що розчиняється в шві. При цьому, позитивний ефект від зниження концентрації водню для ВМНЛ сталей починає стрімко зростати лише при досягненні Ндиф 3,5 см3/100г.

В четвертому розділі проаналізовано основні джерела водню при зварюванні; досліджено вплив енергетичних пасток на перерозподіл водню в зварному з’єднанні. Відпрацьована методика комплексного аналізу продуктів термодесорбції із зварювальних матеріалів, приведено результати оптимізації складу покриття зварювального електроду.

До основних джерел водню при зварюванні відносяться: адсорбована волога в зварювальних матеріалах (в покритті електроду, у флюсі, в осерді порошкового дроту); пари води в повітрі та захисному газі; водень в присадному та основному металах. Водень може знаходитись також у вигляді гідрооксидів, гідридів, вуглеводневих сполук. Тому точне визначення водню в зварювальних матеріалах — складне завдання. Для його вирішення високотемпературна мас-спектрометрія — найбільш перспективний аналітичний метод.

За допомогою створеної газоаналітичної установки (рис. 1) були виконані дослідження продуктів десорбції при нагріванні покриття зварювального електроду, який застосовується для зварювання ВМНЛ сталей, і окремих його компонентів: плавиково-шпатового концентрату, рутилового концентрату, гематиту, феросиліцію і рідкого скла. Результати дослідження зображені на рис. 6 і 7 у вигляді температурних залежностей виділення вологи, вуглеводневих сполук і двоокисі вуглецю.

Рис. 6. Спектри продуктів термодесорбції із зварювального електроду, який застосовується для зварювання ВМНЛ сталей.

Рис. 7. Спектри продуктів термо-десорбції із компонентів електродного покриття: 1 — рутиловий концентрат, 2 — гематит, 3 — плавиково-шпатовий концентрат, 4 — феросиліцій, 5 — рідке скло (М=3,05).

Із рис. 6 видно, що в покритті електроду волога знаходиться в різних енерге-тичних станах, яким відповіда-ють піки термодесорбції. Її виділення, найбільш інтенсив-не при температурах 150 і 300 С, продовжується і вище 450 С. Крім вологи в покритті містяться вуглеводневі сполу-ки (рис. 6), які також є джере-лом водню при зварюванні. Розкладаються вони при температурах, що перевищують допустимі для прожарювання електроду (400-420 C) і, таким чином, являються джерелом водню, який неможливо повністю вилучити шляхом традиційної термічної обробки готового електроду.

Тому була запропонована методика індивідуального аналізу компонентів зварювальних матеріалів: дослідили продукти термодесорбції із окремих компонентів покриття зварювального електроду (рис. 7), а також вплив модуля і густини рідкого скла на вміст водню в металі шва (Табл. 2). На основі отриманих даних провели підбір компонентів з мінімальним вмістом водневих сполук і визначили оптимальні температури їх термообробки.

Таблиця 2.

Результати оптимізації складу покриття зварювального електроду

№ | модуль

р/скла,

М | густина

р/скла,

г/см3 | в’язкість р/скла, мПа*с (спз) | доза р/скла,

% | тиск опресування,

атм | Ндиф*, см3/100г

напл. мет

Електрод-прототип | 6,3

Нетермооброблені CaF2, SiO2

1 | 2,9-3,0 | 1,469 | 953 | 30 | 200 | 5,0

2 | 1,416 | 97,9 | 24 | 120 | 3,4

3 | 3,3 | 1,396 | 1026 | 30 | 200 | 4,5

4 | 1,358 | 95,3 | 25 | 220 | 3,5

Термооброблені CaF2, SiO2

5 | 2,9-3,0 | 1,469 | 953 | 30 | 260 | 3,5

6 | 1,416 | 97,9 | 24 | 140 | 3,3

7 | 3,3 | 1,396 | 1026 | 30 | 220 | 4,3

8 | 1,358 | 95,3 | 25 | 280 | 3,5

* — середнє значення.

Оптимізація складу покриття електроду для зварювання ВМНЛ сталей дозволила знизити кількість водню, що розчиняється в металі шва, до 3,3 см3/100г наплавленого металу (Табл. 2).

Для зниження долі дифузійно-рухомого водню в зварному шві в роботі запропоновано використовувати енергетичні пастки — області металу, в яких атоми водню мають знижену вільну (потенціальну) енергію в порівнянні з нормальними його позиціями в решітці.

Вплив енергетичних пасток на перерозподіл водню в зварному з’єднанні вивчали, вводячи в метал шва порошок гетера — Zr-Al. Вміст водню в металі шва встановлювали хроматографічним методом (ГОСТ 23338-91). Результати досліджень викладені в Табл. .

Отримані експериментальні дані показали (Табл. 3), що такий напрямок є перспективним. Він дозволяє досягти майже 50%-го зниження кількості дифузійно-рухомого водню в шві. Відбувається це за рахунок збільшення залишкової долі водню в металі шва, що зумовлено утворенням ефективних пасток водню з високою енергією зв’язку — якої достатньо для утримання водню до температур 300 С. Цими пастками є глобулярні виділення, які представляють собою фазу Fe-Zr, масова доля Zr в ній сягає близько 10 %.

Таблиця 3.

Вміст водню в металі шва.

введений гетер | [H]диф.,

см3/100г розпл. мет. | [H]залишк.,*

см3/100г розпл. мет.—

3,9 | 0,5

Zr-Al | 1,9 | 3,2

* — [H]залишк. - нагрів до 900 С

Таким чином, введенням в метал шва певних енергетичних пасток, можемо суттєво знизити кількість водню, відповідального за холодне розтріскування зварного з’єднання. Енергія зв’язку у таких пасток повинна бути вищою, ніж у дислокацій. Це необхідно для того, щоб дислокації не змогли захоплювати водень, який потрапить у такі пастки. Тим самим, водень буде вилучено із дислокаційного механізму транспортування, який є ключовим етапом ОВК. Крім того, введені пастки самі не повинні ініціювати зародження субмікротріщин. В протилежному випадку акумульований в них водень буде задіяно в механізмі холодного розтріскування безпосередньо в металі шва.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

1) Оптимізація складу електродного покриття. За рахунок підвищення активності кремнезему, вибору модуля рідкого скла і компонентів електродного покриття (на основі дослідження продуктів термодесорбції), вдалося знизити вміст дифузійно рухомого водню в металі шва до 3,3 см3/100г наплавленого металу (1,6-1,7 см3/100г розплавленого металу).

2) Введення в метал шва енергетичних пасток водню. Використання, з цією метою, гетера Zr-Al дозволяє досягти майже 50%-го зниження кількості дифузійно-рухомого водню в шві.

Ці заходи знижують ймовірність холодного розтріскування зварних з’єднань.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1*. Походня И. К., Швачко В. И. Физическая природа обусловленных водородом холодных трещин в сварных соединениях конструкционных сталей // Автоматическая сварка. — 1997. — № 5. — С. 3-12.

2*. Новый метод количественного определения чувствительности сталей к водородному охрупчиванию / И.К. Походня, В.И. Швачко, С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 1998. — № . — С. –84.

3*. Колачев Б. А. Водородная хрупкость металлов. — М. : Металлургия, 1985. - 217 с.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

СТЕПАНЮК С.М. Оборотна воднева крихкість при зварюванні високоміцних низьколегованих сталей. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. — “Зварювання та споріднені технології”. — Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена дослідженню механізму оборотної водневої крихкості (ОВК) конструкційних сталей, вивченню особливостей протікання цього процесу при зварюванні високоміцних низьколегованих (ВМНЛ) сталей та розробці на цій основі заходів по зниженню його негативної дії. Дослідження проводили з використанням фізичного моделювання.

Досліджена роль ключових факторів ОВК. Отримані кількісні залежності впливу температури металу, швидкості деформації та концентрації дифузійно-рухомого водню в металі на ОВК для конструкційних сталей. На основі застосування мас-спектрометрії розроблена методика комплексного аналізу продуктів термодесорбції (в тому числі водню і його сполук) із зварювальних матеріалів та компонентів електродного покриття. Приведені результати вдосконалення промислового електроду, що використовується для зварювання ВМНЛ сталей.

Запропоновано спосіб зниження ОВК при зварюванні ВМНЛ сталей шляхом введення в метал шва енергетичних пасток водню з енергією зв’язку вище, ніж у дислокацій.

Ключові слова: дугове зварювання, високоміцні низьколеговані сталі, холодне розтріскування, оборотна воднева крихкість, фізичне моделювання, енергетичні пастки водню.

СТЕПАНЮК С.Н. Обратимая водородная хрупкость при сварке высокопрочных низколегированных сталей. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06. — “Сварка и родственные технологии”. — Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2001.

Диссертация посвящена исследованию механизма обратимой водородной хрупкости (ОВХ) конструкционных сталей, изучению особенностей протекания этого процесса при сварке высокопрочных низколегированных (ВПНЛ) сталей и разработке на этой основе мер по снижению его отрицательного действия. Для проведения детального исследования механизма ОВХ использовался методический подход, основанный на применении физического моделирования.

Усовершенствовано методику определения степени водородного охрупчивания конструкционных сталей. Применение гидрида титана в качестве источника водорода позволяет проводить механические испытания наводороженных образцов в диапазоне температуры от -196 до +400 С.

Изучена роль ключевых факторов ОВХ, получены количественные зависимости влияния температуры металла, скорости деформации и концентрации диффузионно-подвижного водорода в металле на процесс ОВХ для конструкционных сталей. Определены диапазоны температуры металла, скорости деформации и концентрации водорода, в которых охрупчивающее действие водорода проявляется наиболее эффективно. Исследовано влияние высокотемпературного нагрева на склонность ВПНЛ сталей к холодному растрескиванию.

На базе однополярного радиочастотного масс-спектрального анализатора создана газоаналитическая установка. С использованием данной установки разработано методику комплексного анализа продуктов термодесорбции (в том числе водорода и его соединений) из сварочных материалов и компонентов электродного покрытия. Эта методика позволяет проводить подбор компонентов электродного покрытия с минимальным содержанием водородных соединений и определять оптимальные температуры их термообработки. Приводятся результаты усовершенствования промышленного электрода, который используется для сварки ВПНЛ сталей.

Предложен способ снижения ОВХ при сварке ВПНЛ сталей путем введения в металл шва энергетических ловушек водорода с энергией связи выше, чем у дислокаций. Продемонстрирована эффективность данного метода при введении в металл шва геттера на основе сплава Zr-Al.

Ключевые слова: дуговая сварка, высокопрочные низколегированные стали, холодное растрескивание, обратимая водородная хрупкость, физическое моделирование, энергетические ловушки водорода.

S. M. STEPANYUK The reversible hydrogen embrittlement at welding of high strength low alloy steels. — Manuscript.

Thesis for academic degree defending of candidate of technical sciences on speciality 05.03.06 — “Welding and related technologies”. — E. O. Paton Electric Welding Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The present thesis deals with the investigation of mechanism of Reversible Hydrogen Embrittlement (RHE) of structural steels, consideration of it’s peculiarities at welding of High Strength Low Alloy (HSLA) steels and elaboration of measures to decrease the negative action of this process. The investigation was carried out with using of physical modelling.

The role of key factors of RHE is studied. Quantitative dependences of influence of metal temperature, strain rate and diffusible hydrogen concentration on the RHE process for structural steels are obtained. Method of complex analysis of thermodesorption products (hydrogen and it’s compounds) for welding consumables and components of electrode coating is elaborated with using of mass-spectrometry. The results of improvement of electrode for welding of HSLA steels are given.

A way of decreasing of RHE at welding of HSLA steels is proposed. This way is based on the putting of hydrogen energy traps with binding energy, that higher dislocation’s one, into a weldment.

Keywords: arc welding, high strength low alloy steels, cold cracking, reversible hydrogen embrittlement, physical simulation, hydrogen energy traps.