НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Фізико-технологічний інститут металів та сплавів

ГРИГОРЕНКО

Світлана Георгіївна

УДК 699.018.62:(621.791.44:669.15 – 194.2)

СТРУКТУРНА НЕОДНОРІДНІСТЬ З'ЄДНАНЬ МАЛОВУГЛЕЦЕВИХ НИЗЬКОЛЕГОВАНИХ ТРУБНИХ СТАЛЕЙ, ВИКОНАНИХ ЗВАРЮВАННЯМ ТИСКОМ З НАГРІВОМ

Спеціальність 05.16.01.“

Металознавство та термічна обробка металів”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Харченко Геннадій Костянтинович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України

Ошкадьоров Станіслав Петрович

завідувач відділу інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова

доктор технічних наук, професор

Кіндрачук Мирослав Васильович

Національний технічний університет України“

Київський політехнічний інститут”

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевіча НАН України, відділ фазових перетворень, м. Київ

Захист відбудеться “ 11 ” 04 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.232.01 в Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, 03680, м. Київ-142, пр - т Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України, 03680 м. Київ-142, пр - т Вернадського, 34/1.

Автореферат розісланий “ 06 ” 03 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук А.В. Чорновіл

Загальна характеристика роботи.

Актуальність теми. Україна нафто- і газодобувна держава і займається транспортуванням цих продуктів через свою територію. Тому для промисловості України становлять інтерес прогресивні високопродуктивні способи зварювання, що забезпечують зниження енергоємності, матеріалоємності і собівартості будівництва трубопроводів. У результаті багаторічних і всебічних досліджень були створені і вже успішно використовуються принципово нові технології та гама машин для контактного стикового зварювання беззупинним оплавленням неповоротних стиків труб діаметром 114 – 1420 мм. Контактне стикове зварювання оплавленням – один з різновидів зварювання тиском, при якому зўєднання деталей відбувається в процесі взаємної деформації торців, попередньо нагрітих до температури плавлення матеріалів, що зварюються. Деформація торців відбувається на великій швидкості. Основними процесами, що визначають структуру зўєднання, є рекристалізація і дифузія. На макро- і мікрошліфах, по лінії зўєднання, спостерігається широка світла смуга. У центрі світлої смуги переважає структура фериту. Існує думка, що світла смуга не пов'язана з появою феритної складової, а виявляється на мікроструктурі за рахунок різного травлення деформованого шару металу. Дослідники відзначають, що більшість дефектів, що зустрічаються при контактному стиковому зварюванні оплавленням, формуються в межах світлої смуги. Незважаючи на велике число досліджень, немає однозначної думки про причини утворення феритної смужки, немає пояснення виникненню світлої смуги. Неясна роль дифузійних і фізико-хімічних процесів та їхнього впливу на структурну і хімічну неоднорідність у зоні з'єднання при контактному стиковому зварюванні оплавленням. Оскільки структурний стан зварного зўєднання багато в чому визначає його механічні властивості, а роботи з використанням контактного стикового зварювання оплавленням розвиваються не тільки в Україні, але і знаходять попит за кордоном, то питання якості зварного зўєднання є дуже актуальними.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася по темі № 4.4/548 /Ф4/372-97/ фонду фундаментальних досліджень “Вивчення особливостей масопереносу при зварюванні металів тиском”, по пошукових темах № 22,26/7 “Вивчення особливостей утворення феритної смужки при зварюванні низьковуглецевих сталей у вакуумі і на повітрі” і № 22,26/9-П “Вивчення особливостей формування структури металу шва при зварюванні низьковуглецевих сталей тиском у твердій фазі з використанням вуглеводневих речовин”, по відомчій темі № 22/17 “Розробити наукові основи підвищення експлуатаційних властивостей зварних зўєднань і захисних покрить шляхом вивчення їхньої тонкої структури, хімічної неоднорідності і визначення параметрів оптимізації структурно-фазового складу”.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є встановлення закономірностей утворення структурних неоднорідностей, що виявляються в з'єднаннях, отриманих зварюванням тиском з нагрівом маловуглецевих низьколегованих високоміцних трубних сталей класу Х60 – Х70.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

1. Вивчити вплив параметрів зварювання на формування структури в зоні зўєднання.

2. Оцінити вплив попередньої підготовки контактуючих поверхонь на утворення феритної смужки.

3. Дослідити особливості процесу масопереносу при формуванні зўєднання в умовах швидкісної пластичної деформації та вивчити його вплив на утворення феритної смужки.

4. Дослідити фізичну, хімічну і структурну неоднорідність світлої смуги на зўєднаннях, отриманих контактним стиковим зварюванням оплавленням.

Наукова новизна. Установлено механізм утворення феритної смужки (ФС), яка виявляється на зўєднаннях, отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих сталей. Утворення ФС обумовлене комплексом процесів, які можна позначити як дифузійні і рекристалізаційні. Дифузійні процеси – самоочищення контактуючих поверхонь від оксидів (взаємодія вуглецю металу з киснем оксидних плівок) і прискорений масоперенос у зоні контакту, що відбувається при швидкісній пластичній деформації. Рекристалізаційні процеси – утворення спільних зерен у зўєднанні і фазова перекристалізація металу при охолодженні його після зварювання. Усе це приводить до глибокого зневуглецювання у вузькій зоні з утворенням чисто феритної структури.

Виявлено природу світлої смуги (СС). СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний зі зневуглецюванням на значну глибину приконтактних обўємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки, в залежності від вмісту вуглецю, мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

Практичне значення. У даній роботі було визначено вплив параметрів зварювання на формування структури в зоні з'єднання. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації режимів ударного зварювання у вакуумі (УЗВ), дифузійного зварювання у вакуумі (ДЗВ), контактного стикового зварювання (КСЗ) опором і оплавленням. Показано, що ФС не може бути причиною зниження ударної в'язкості зварних зўєднань, виконаних зварюванням тиском. Відомості про вплив вуглецевовмісних речовин, які вводяться перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, на зміни в структурі зварного зўєднання, можуть бути використані, якщо потрібно уникнути появи ФС, не змінюючи склад основного металу.

На захист виносяться наступні положення:

- на стадії попереднього нагрівання перед зварюванням, у герметичних мікрообўємах стику, йдуть процеси автовакуумування і самоочищення від оксидів, що приводить до зневуглецювання приконтактних обўємів;

- при УЗВ і КСЗ опором у зоні стику спостерігається аномальне прискорення рухливості атомів;

- механізм утворення ФС є сукупністю дії дифузійних і рекристалізаційних процесів, що приводять до зневуглецювання приконтактних обўємів і формування в зоні зўєднання феритних зерен при охолодженні;

- ФС складається з фериту двох типів: аналогічного за структурою фериту основного металу і перетвореного зміцненого, котрий є продуктом трансформації вихідного перліту в процесі зневуглецювання й у зв'язку з термодинамічною нестійкістю перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень;

- СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний зі зневуглецюванням на значну глибину приконтактних обўємів, у результаті чого змінюються ступінь травлення, шорсткість поверхні і відбивання світла;

- результати дослідження впливу параметрів УЗВ і КСЗ оплавленням на формування структури в зоні зўєднання і рекомендації з їхньої оптимізації;

- ФС не є причиною зниження ударної в'язкості зварних зўєднань, виконаних зварюванням тиском;

- при підвищеному вмісті вуглецю в сталі, а також при введенні вуглецевовмісних речовин у стик перед УЗВ і КСЗ опором зразків з низьковуглецевої сталі, ФС не утворюється.

Особистий внесок здобувача. При особистій участі автора були розроблені методики пошарового аналізу зварних зўєднань на вміст вуглецю методом емісійної спектроскопії і дослідження масопереносу при зварюванні тиском методом авторадіографії. Особисто автором були проведені дослідження структурних перетворень і зміни фазового складу зўєднань, отриманих УЗВ, ДЗВ, КСЗ опором і оплавленням. При його особистій участі вивчено масоперенос і мікронеоднорідність у зоні контакту зварних зўєднань. Аналіз і узагальнення результатів роботи проводилися як самостійно, так і за участю співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на міжнародній науково-практичній конференції “Восстановление и упрочнение деталей – современный способ повышения надежности машин” (Москва, МДЗ, 1997 р.), на міжнародній конференції “Прогресивна технологія машинобудування і зварювального виробництва” (Київ, НТУУ “КПІ”, 1998 р.), на I Всеукраїнської науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів “Зварювання та суміжні технології” (Київ, 2001 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 5 статей у наукових журналах і тези 4-х доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з введення, чотирьох розділів, загальних висновків і списку використаної літератури з 76 найменувань. Робота викладена на 114 сторінках машинописного тексту, включаючи 14 таблиць і 60 малюнків.

Основний зміст роботи.

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі, які необхідно вирішити в процесі досліджень, наведені наукові і практичні результати роботи.

Сучасний стан проблеми утворення структурної неоднорідності в стику при зварюванні сталей тиском з нагріванням. Перший розділ присвячено аналізу відомих раніше робіт, у яких вивчали структурну неоднорідність зўєднань, отриманих при різних видах зварювання тиском. Розглянуто існуючі гіпотези утворення ФС і СС. Приведено літературні дані про поводження поверхневих оксидних плівок на металі при його нагріванні у вакуумі, а також про явище мимовільного очищення поверхонь зразків у період попереднього нагрівання. На основі літературного огляду обґрунтовані доцільність і необхідність подальших досліджень.

Матеріали, апаратура, методики. Виходячи з мети і поставлених задач і приймаючи до уваги результати аналізу наявних даних по досліджуваній проблемі, були визначені матеріали, апаратура і підібрано методики для подальших досліджень.

Як матеріал для досліджень були обрані маловуглецеві низьколеговані сталі класу міцності Х60, Х65, Х70, одержані способом контрольованої прокатки. Ці сталі використовують для виготовлення труб, що можуть працювати під високим тиском в складних кліматичних умовах.

Зразки для дослідження зўєднань, отриманих у вакуумі, виготовляли способами УЗВ і ДЗВ на установці У–394М оснащеною вакуумною камерою. Виготовлення зразків КСЗ опором і оплавленням, виконувані на повітрі, проводили на установці МСГУ–500.

Для виявлення структури використовували хімічний, електролітичний і іонний методи травлення.

Для дослідження структури і фазового складу отриманих зўєднань використовували металографічний аналіз, рентгеноспектральний аналіз, електронно-растрову мікроскопію, просвітчасту електронну мікроскопію, диференціальний термічний аналіз. Вивчення мікроструктури з'єднань проводили за допомогою оптичного мікроскопа Neophot–32 (НДР) і растрового електронного скануючого мікроскопа JSM–840, фірми “JEOL” (Японія). Мікрорентгеноспектральний аналіз розподілу елементів проводили на установці “Comebax” SX50 (Франція). Прямі електронно-мікроскопічні дослідження на просвіт структурно-фазового стану зони з'єднання проводили на трансмісійному електронному мікроскопі JEM–200СХ, фірми “JEOL” (Японія). Вміст газів у металі визначали на газоаналізаторах TN–114, RO–316 і RH–2, RH–3, фірми “LECO” (США). Товщину окисного шару вимірювали на приладовому комбайні для тривимірного дослідження поверхневих шарів LAS – 2000, фірми “Riber” (Франція). Вміст елементів у металі визначали спектральним аналізом на приладі “Spectrovac–1000”, фірми “BAIRD”. Дослідження дифузійних процесів у зоні контакту проводили разом з відділом дифузії Інституту металофізики НАН України за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії.

Дослідження умов формування феритної смужки в зоні зўєднання зразків, отриманих зварюванням тиском у вакуумі.

Вплив термодеформаційних параметрів зварювання на формування структури в зоні зўєднання. Зразки для досліджень виготовляли двома способами зварювання, що проводяться у вакуумі, але відрізняються по виду навантаження і швидкості осадки – УЗВ і ДЗВ (рис. 1).

Також, перед зварюванням, контактуючі поверхні мали різну попередню підготовку. Досліджували структури, що утворюються на стадії нагрівання й осадки. Стадія нагрівання ідентична для УЗВ і ДЗВ. Структура зони контакту нагрітих зразків являє собою ділянки схоплювання і непроварів. Уздовж лінії контакту зразків, що були попередньо окислені, потім нагріті й охолоджені у воді, ФС не утворюється. Але структура в цій зоні має більш світле травлення. Після повільного охолодження нагрітих зразків з аналогічною підготовкою поверхонь, уздовж лінії контакту видна чітка ФС, (рис. 2). Дослідження зони контакту загартованого зразка з використанням електронного растрового мікроскопа показало, що в самому мікрообўємі знаходяться залишки роздробленої оксидної плівки. У металі, біля оксидної плівки, що залишилася в стику, розташовані складні мілкодисперсні оксиди легуючих елементів, що утворюються в результаті

внутрішнього окислення. Зона внутрішнього окислення при наступному нагріванні попередньо окисленої поверхні утворюється внаслідок дифузії кисню з поверхні зразка в глиб металу, а легуючих елементів – з металу до зони контакту (рис. 3). Мікрорентгеноспектральний аналіз показав, що концентрація кисню в ділянці непровару майже в два рази більша, ніж у ділянках схоплювання; піки в розподілі вмісту марганцю і кремнію спостерігаються в області виділення оксидів. Характер розподілу вуглецю виявити цим методом не вдається в зв'язку з низькою чутливістю приладу до його малого вмісту. З огляду на отримані результати, можна зробити висновок, що на стадії нагрівання окислених поверхонь протікає процес відновлення оксидної плівки вуглецем металу, що приводить до зневуглецювання приконтактних обўємів, а також взаємодія кисню з Mn і Si у зоні внутрішнього окислювання, що обумовлює утворення в зоні зўєднання мілкодисперсних неметалічних включень (MnО2, SiО2) і складних більш великих оксидів (Mn2SiO4). При повільному охолодженні відбувається фазова перекристалізація й у стику утворюється ФС.

Стадію осадки процесів ДЗВ і УЗВ розглядали окремо. ФС по всій лінії зўєднання, отриманого ДЗВ, утворюється тільки після повільного охолодження зразків, одна з поверхонь, що зварюються, якого була попередньо окислена. По центру ФС спостерігаються неметалічні включення, що, за даними мікрорентгеноспектрального аналізу, являють собою комплексні оксиди легуючих елементів, що входять до складу сталі. На зразках, отриманих УЗВ, по лінії зўєднання, у всіх випадках, утворюється ФС (рис. 4). Ширина її змінюється від декількох до 30 мкм у залежності від мікрорельєфу поверхонь, їх чистоти, а також від швидкості охолодження. Чим нижче швидкість охолодження зразків, тим ширше ФС. Чим більш якісно підготовлені поверхні перед зварюванням, тим тонше ФС, а якщо поверхні попередньо полірували, то ФС відсутня. Також на утворення ФС впливає температура нагрівання зразків. При нагріванні до 900 °С (нижче температури б-г переходу) ФС не утвориться, а лінія зўєднання складається з ланцюжка дрібних оксидів. При нагріванні до 1000 °С і вище (вище б-г) по лінії зўєднання формується ФС. При зварюванні сталей з більш високим вмістом вуглецю (сталь 45 – 0,43% С) чи при введенні перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, вуглецевмісних речовин, ФС не утвориться. Зўєднання має рівномірну структуру зі спільними зернами, і лінія контакту не спостерігається.

Результати виконаних досліджень дозволяють припустити, що утворення ФС при зварюванні сталей у твердій фазі з нагріванням у вакуумі обумовлено комплексом процесів, що протікають на стадіях нагрівання, осадки та охолодження. Ці процеси можна позначити як дифузійні і рекристалізаційні. Дифузійні – самоочищення контактуючих поверхонь від оксидів, масоперенос у контакті і взаємодія елементів, що входять до складу сталі, з киснем. Рекристалізаційні - утворення спільних зерен у зоні зўєднання і фазова перекристалізація при охолодженні після зварювання.

Дослідження тонкої структури феритної смужки. Досліджували зўєднання, отримані УЗВ. Комплекс методів включав оптичну, аналітичну растрову, а також просвітчасту мікродифракційну електронну мікроскопію. З огляду на малі розміри ФС, використовувалася методика прицільного стоншування досліджуваних об'єктів. Металографічні дослідження ФС показали, що в зоні зварювання активно протікає процес формування спільних зерен, що супроводжується проростанням міжзеренних границь крізь феритний прошарок (рис. 5). Електронно-мікроскопічне дослідження на просвіт показало наступне.

Зерна, що сформувалися безпосередньо в зоні зўєднання, практично цілком є феритними (ФС, що спостерігається оптично). Але їх можна розділити на два типи, що істотно відрізняються по декількох ознаках. Ферит першого типу характеризується порівняно невисокою щільністю дислокацій ((4...6)·109 см-2) і відсутністю сегрегаційних контрастів, що підтверджується чітким зображенням окремих одиничних дислокацій і їхніх комплексів (рис. 6). Також у системах ковзання, на різних стадіях формування суб- і міжзеренних границь, спостерігаються сліди руху дислокацій, що дозволяє вважати ферит першого типу аналогічним фериту матриці. Мікродифракційні відображення від цих зерен досить чіткі, тобто структура більш-менш релаксована і не має значних внутрішніх напружень. Зерна фериту другого типу характеризуються високою щільністю ультрадисперсних фазових виділень карбідного типу; високою щільністю дислокацій ((1010…1011) см-2); наявністю щільного сегрегаційного контрасту на окремих дефектах кристалічної ґратки, що створює, як правило, нечіткість зображення дислокацій і маючого орієнтацію, що повторює орієнтацію пластин цементиту, що розчинилися, (рис. 7). Усе це сприяє зміцненню фериту другого типу. Мікродифракційні відображення від дисперсних фазових виділень показують, що їх склад в більшому ступені відповідає сполуці Fe3C. Таким чином, у ферито-перлітній структурі металу, що зварюється, у міру наближення до зони зўєднання, відбуваються зміни, що переважно зв'язані з перетворенням перлітного цементиту. Цей процес являє собою різні стадії розчинення цементитних пластин у внутрішніх обўємах перлітних зерен. Як відомо, розчинення цементиту багато в чому визначається процесом глибокого зневуглецювання поверхневого шару сталей, що зварюються. На значній відстані від поверхні контакту також спостерігається розчинення цементитних пластин в окремих ділянках перліту. Як правило, у ділянках подібного типу структура характеризується наявністю областей з високим рівнем локальних внутрішніх напружень, про що свідчать інтенсивне генерування дислокацій і висока активність дислокаційних ковзань. Очевидно, у визначених умовах первинна структура, чи її окремі фрагменти, стають термічно хитливими. Причому такого виду нестійкість виникає переважно уздовж локальної області контактної взаємодії поверхонь, що зварюються, де, як відомо, реалізується найбільш високий рівень пластичної деформації. На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що на утворення ФС при зварюванні тиском ферито-перлітних сталей, впливають наступні умови: наявність в області зварювання поверхневих оксидних плівок, реакції відновлення яких активізують процеси розпаду цементитних пластин і дифузію в зону відновлення вільного вуглецю; термодинамічна нестійкість перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень.

Дослідження впливу процесу масопереносу в стику на утворення феритної смужки. Дослідження впливу спрямованої пластичної деформації на формування з'єднання вивчали методом радіоактивних ізотопів. Досліджували взаємозв'язок між швидкістю масопереносу вуглецю і шириною ФС при зварюванні тиском у вакуумі. Неоднорідність розподілу вуглецю в зоні зўєднання зразків вивчали за допомогою ізотопу 14С. Досліджували зўєднання, виконані УЗВ (тому що при такому способі зварювання в процесі осадки в зоні зўєднання виявляється ефект аномально прискореної міграції атомів). Зварні зўєднання досліджували за допомогою авторадіографії. Радіографічні відбитки фотометрували, а отримані концентраційні криві аналітично обробляли на ЕОМ. Отримана авторадіограма представлена на рис. 8. У табл. 1 приведено результати розрахунку коефіцієнта масопереносу, а на рис. 9 представлено характерний вид концентраційних кривих розподілу ізотопу вуглецю 14С в центрі (1) і на периферії (2) зони зўєднання. Аналізуючи отримані результати, можна вивести, що рухливість атомів при імпульсному деформуванні на кілька порядків вище рухливості атомів в умовах ізотермічного відпалу, а на периферії зўєднання коефіцієнт масопереносу атомів вуглецю в кілька разів перевищує відповідну величину в центрі. Таке збільшення коефіцієнта масопереносу вуглецю може пояснюватися тим, що на периферії з'єднання більш інтенсивно, чим у центрі, діють зсувні деформації.

Таблиця 1.

Масоперенос ізотопу 14С на різних ділянках зўєднання

Умови експерименту Температура, °С Коефіцієнт масопереносу, см2/с Ділянка зварного зўєднання

Ізотермічний відпал 1000 ~ 10-7 ——

УЗВ 1000 ~ 2,5 Ч 10-3 Центр

~ 6,5 Ч 10-3 Периферія

Таким чином, спостерігається чіткий взаємозв'язок між величиною коефіцієнта масопереносу вуглецю і шириною ФС. Чим більша кількість вуглецю розташованого в приконтактних обўємах металу вступить у взаємодію з киснем оксидної плівки в період деформації, тим більш широкою буде ФС у зоні контакту. Ріст коефіцієнта масопереносу в 2,5 рази приводить до росту ФС у стільки ж раз.

Також були проведені дослідження процесу масопереносу з використанням радіоактивного ізотопу нікелю 63Ni. Зварні зўєднання досліджували по тій же методиці, що й у попередньому випадку.

Результати дослідження показують, що аномальне прискорення рухливості атомів, виявлене при УЗВ у випадку застосування ізотопу вуглецю 14С, спостерігається також і у випадку застосування ізотопу нікелю 63Ni. При цьому також спостерігається неоднорідність проникнення ізотопу нікелю в метал у центрі зўєднання і на його периферії (коефіцієнт масопереносу в центрі ~ 3Ч10-3 см2/с, на периферії ~ 7,1Ч10-3 см2/с).

Фізична, хімічна і структурна неоднорідності зони з'єднання ферито-перлітних сталей при контактному стиковому зварюванні.

На відміну від УЗВ і ДЗВ, КСЗ виконується на повітрі. Цей вид зварювання тиском розділяють на зварювання опором і оплавленням

Контактне стикове зварювання опором. Дослідження зварних зўєднань, отриманих КСЗ опором, показало, що по лінії контакту утворюється ФС. У центрі ФС розташовані мілкодисперсні оксиди легуючих елементів. Імовірно, однією з причин зневуглецювання приконтактної зони є те, що в умовах зварювання на повітрі, крім оксидних плівок на поверхнях, що зварюються, існує практично необмежена кількість кисню, що також вступає в реакцію з вуглецем.

Дослідження процесу масопереносу при КСЗ опором за допомогою радіоактивного ізотопу нікелю 63Ni показало, що аномальне прискорення рухливості атомів, виявлене при УЗВ, спостерігається також і у випадку КСЗ опором. Коефіцієнт масопереносу ізотопу 63Ni складає ~ 2,2 Ч 10-3 см2/с.

Контактне стикове зварювання оплавленням. (Структурна неоднорідність при контактному стиковому зварюванні оплавленням). Металографічне дослідження зразків, отриманих КСЗ оплавленням показало, що при травленні в зоні зўєднання виявляється структурна неоднорідність у вигляді СС шириною 800 – 1200 мкм (рис. 10). Дослідження мікроструктури СС показало, що вона складається з зони повного зневуглецювання, що знаходиться в центрі, і прилеглих до неї з двох сторін зон часткового зневуглецювання. Лінія первісного контакту не помітна. Залишки литої структури в стику не виявляються. Структурна неоднорідність найбільш чітко виявляється після додаткового відпалу зўєднання з наступним повільним охолодженням. Зразок нагрівали і витримували протягом 1-єї години при температурі 950 °С, а потім повільно охолоджували в печі зі швидкістю 120 – 150 °С/год. Дослідження на оптичному мікроскопі показало, що після термічної обробки отриманий зразок має ферито-перлітну текстуровану структуру, тому, що вихідний метал до зварювання мав високу ступінь деформації, а також ФС по лінії зўєднання. Ширина ФС складає від 40 до 120 мкм. Одержуючи після КСЗ оплавленням широку світлотравиму зону, ми не можемо визначити, у якому саме місці знаходиться лінія зўєднання зразків. Таким чином, провівши додаткову термообробку, ми не тільки відновили вихідну структуру металу, але і чітко виявили лінію первісного контакту (рис. 11).

Вивчення впливу величини осадки проводили на зразках, що були виготовлені на тих же режимах, що й у попередньому випадку, але осадка складала 2 мм. Потім зразки, для виявлення лінії контакту, піддавали високотемпературному відпалу і повільно охолоджували в печі. Оптичне дослідження показало, що структура зони зўєднання таких зразків ідентична структурі зразків, отриманих з осадкою 10 мм. Це текстура і ФС по лінії зўєднання. Але крім цього по лінії первісного контакту спостерігається лінза розплаву, що закристалізувався, з литою структурою. Навколо лінзи так само мається ФС (рис. 12). Це свідчить про те, що утворення ФС не пов'язане з величиною осадки. Рентгеноспектральний аналіз, проведений у різних ділянках такого зразка, показав, що помітних змін у вмісті елементів, у будь-якій з областей зўєднання, не відбувається.

(Дослідження фізичної і хімічної неоднорідності світлої смуги). Одержуючи після КСЗ оплавленням широку зону з більш світлим травленням, а після відпалу – ФС набагато ширше, ніж при інших досліджуваних видах зварювання, ми змогли підібрати методику для визначення в цій області кількості вуглецю (С%), марганцю (Mn%) і кремнію (Si%), а також дослідити зміну густини металу в стику. Особливість методу полягала в тому, що дослідження проводили не в площині шліфа, де ширина світлої зони складає 0,8 – 1,2 мм, а послідовно по площинах, паралельних площині первісного контакту. Вміст елементів визначали спектральним аналізом (табл. 2). Для визначення питомої ваги застосовували метод гідростатичного зважування (ГОСТ 18898 – 73).

Таблиця 2

Вміст вуглецю, марганцю і кремнію в зоні зўєднання

Спосіб зварювання д, мм Вміст, %

C Mn Si

S1 S2 S1 S2 S1 S2

КСЗо (охол. на повітрі) о.м. 0,65 0,50 0,35 0,176 0,106 0,103 0,100 0,176 0,154 0,150 0,140 1,56 1,54 1,49 1,41 1,56 1,55 1,41 1,44 0,49 0,44 0,44 0,46 0,49 0,49 0,51 0,46

КСЗо (охол. на повітрі) о.м. 0,88 0,75 0,35 0,178 0,141 0,100 0,090 0,178 0,170 0,131 0,110 1,50 1,47 1,49 1,36 1,50 1,51 1,48 1,38 0,36 0,39 0,35 0,31 0,36 0,36 0,38 0,35

КСЗоп. (з вуглецем) о.м. 2,45 0,35 0,115 0,111 0,319 0,115 0,117 0,325 1,85 1,74 1,81 1,85 1,82 1,82 0,36 0,35 0,36 0,36 0,37 0,35

КСЗо* (охол. у воді) о.м. 0,6 0,4 0,2 0,1 центр 0,084 0,080 0,079 0,074 0,067 0,060 1,54 1,56 1,55 1,55 1,52 1,49 0,300 0,299 0,303 0,303 0,293 0,290

КСЗо* (с посл. відпалом) о.м. 0,80 0,30 0,20 0,10 центр 0,088 0,081 0,078 0,079 0,079 0,065 1,54 1,57 1,51 1,51 1,50 1,44 0,300 0,291 0,298 0,296 0,286 0,282

* - виміри проводили, потоншуючи зразок з однієї сторони

Аналізуючи дані, які представлені в таблиці, можна вивести, що в зоні, яка на мікрошліфах має світле травлення, йде зниження вмісту вуглецю. Максимальне зниження (на 30-40%) спостерігається в центрі ФС, а також в центрі СС і на ділянці, що примикає до нього на відстані 0,10 – 0,15 мм. Вміст марганцю і кремнію практично не змінюється. Так само в цій області відбувається зниження питомої ваги (зниження зростає з наближенням до лінії контакту). Введення перед зварюванням між поверхнями, що стикуються, вазеліну з 15%-ми вуглецю веде до появи темної смуги на мікроструктурі, а так само, як видно з таблиці, до підвищення вмісту вуглецю в зоні зўєднання. Після відпалу такі зразки мають текстуровану структуру. У зоні зўєднання ні СС, ні ФС не утворюються, а видний вигин волокон, що свідчить про глибоку деформацію нагрітого металу. Після зварювання зразків, між поверхнями яких вводили чистий вазелін, на травлених шліфах зона зўєднання не помітна.

Таким чином, СС спостерігається на зразках в результаті оптичного ефекту, що пов'язаний з зневуглецюванням на значну глибину приконтактних обўємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки в залежності від вмісту вуглецю мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

Виявлення місця руйнування зўєднань виконаних контактним стиковим зварюванням оплавленням при випробуваннях на ударну в'язкість. Результати досліджень, отримані в попередніх підрозділах, дають підстави припустити, що при випробуваннях зразків на ударну в'язкість руйнування відбудеться в зоні з найменшим вмістом вуглецю (ФС можна розглядати як ділянку з мінімальним вмістом вуглецю). Для того щоб визначити, чи є лінія зўєднання найбільш небезпечним місцем, партію зразків, виготовлених КСЗ оплавленням, випробували на ударну в'язкість при різних низьких температурах. Потім випробувані зразки піддавали високотемпературному відпалу для виявлення лінії контакту і місця руйнування. Тому що на світлотравимій смужці, отриманої після зварювання, неможливо точно виявити місце стику, то в більшості випадків надріз на зразках був зроблений з деяким зсувом. Це виявляється тільки після відпалу. На рис. 13 представлені структури зруйнованих зразків після випробувань і відповідної термічної обробки. У табл. 3 приведені результати випробувань і металографічних досліджень.

Проаналізувавши дані табл. 3 і оптичних досліджень, можна зробити висновок, що на зразках, з різною додатковою термічною обробкою після зварювання чи без неї, випробуваних при різних температурах, руйнування завжди відбувалося поза лінією контакту. Навіть у тих випадках, коли надріз попадав точно по центру зўєднання, лінія руйнування, на деякий відстані, зміщувалась убік від стику (див. рис. 13, б). Отже, зона зўєднання, де після зварювання мінімальний вміст вуглецю і мінімальна питома вага, а після відпалу формується ФС, не є місцем руйнування при випробуваннях зразків на ударну в'язкість.

Таблиця 3.

Відстань від лінії зўєднання зразків до місця руйнування після випробування їх на ударну в'язкість.

Температура випробувань, °С Додаткова термообробка після зварювання Товщина ФС, мкм Місце руйнування (відстань від ФС), мкм

- 10 — 80 160 – 400

- 10 — 100 800 – 1200

- 10 — 40 200

- 60 охол. у воді, дод. нагрівання й охол. у воді 110 1400

- 40 — 120 400

- 60 охол. у воді, дод. нагрівання й охол. у воді 120 800

- 40 охол. у воді 110 1400

- 10 короткочасне нагрівання й охол. на повітрі 80 200 – 800

- 40 охол. у воді 120 400 – 600

- 10 — 80 200 – 600

Загальні висновки

1. Установлено, що при зварюванні маловуглецевих низьколегованих сталей тиском з нагріванням у вакуумі (УЗВ, ДЗВ) і на повітрі (КСЗ опором і оплавленням) на мікрошліфах по лінії зўєднання виявляється феритна смужка (ФС) шириною від декількох до 120 мкм. При КСЗ оплавленням на макрошліфах виявляється світла смуга (СС) шириною 800 – 1200 мкм. Дослідження мікроструктури СС показало, що вона складається з зони повного зневуглецювання, що знаходиться в центрі, і прилеглих до неї з двох сторін зон часткового зневуглецювання.

2. Установлено механізм утворення ФС, що виявляється на з'єднаннях отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих сталей. Утворення ФС обумовлене комплексом дифузійних і рекристалізаційних процесів, що йдуть на стадіях нагрівання, осадження й охолодження, і приводять до зневуглецювання приконтактних обўємів і формування в зоні зўєднання феритних зерен. ФС складається з ферита двох типів: аналогічного за структурою фериту основного металу і перетвореного зміцненого, котрий є продуктом трансформації вихідного перліту в процесі зневуглецювання й у зв'язку з термодинамічною нестійкістю перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень.

3. Виявлено природу світлої смуги. СС спостерігається на полірованих і протравлених зразках у результаті оптичного ефекту, що зв'язаний з зневуглецюванням приконтактних обўємів внаслідок взаємодії перегрітого металу з киснем оксидних плівок і повітря. Ділянки зўєднання, у залежності від вмісту вуглецю, мають різний ступінь травлення, відрізняються по шорсткості і по-різному відбивають світло.

4. Установлено, що на формування зневуглецьованої зони по лінії зўєднання впливає наявність і товщина оксидних плівок на стикуємих поверхнях. На стадії попереднього нагрівання перед осадкою, у герметичних мікрообўємах стику, йдуть процеси автовакуумування і самоочищення від оксидів, що приводить до зневуглецювання приконтактних обўємів. При зварюванні на повітрі вуглець металу взаємодіє не тільки з киснем оксидних плівок, але і з киснем повітря.

5. При УЗВ і КСЗ опором, на стадії осадження, у зоні стику спостерігається аномальне прискорення рухливості атомів. Причому коефіцієнт масопереносу на периферії стику в кілька разів перевищує аналогічну величину в центрі. Співвідношення ширини ФС на периферії й у центрі зўєднання має одну величину зі співвідношенням коефіцієнтів масопереносу вуглецю на зазначених ділянках.

6. Досліджені фізична і хімічна неоднорідності зони зўєднання отриманого КСЗ оплавленням. Встановлено, що в області СС і ФС зменшується питома вага металу, вміст вуглецю знижується на 30 – 40%, а вміст марганцю і кремнію майже не змінюється.

7. Установлено взаємозв'язок попередньої підготовки контактуючих поверхонь і параметрів зварювання з формуванням структури в зоні зўєднання. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації режимів ударного зварювання у вакуумі, дифузійного зварювання у вакуумі, контактного стикового зварювання опором і оплавленням.

8. При підвищенні вмісту вуглецю в сталі, а також при введенні вуглецевовмісних речовин у стик перед УЗВ і КСЗ опором зразків з низьковуглецевої сталі, ФС не утвориться.

9. Показано, що руйнування при випробуваннях на ударну в'язкість зразків з гострим надрізом при низьких температурах відбувається поза лінією контакту (за межами ФС). Отже, ФС не може бути причиною зниження ударної в'язкості зварних зўєднань виконаних зварюванням тиском.

Основний зміст дисертації відображений у публікаціях:

1. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Самоочистка от оксидов стыкуемых поверхностей при сварке в твердой фазе с нагревом (Аналитический обзор) // Автомат. сварка. – 1998. – №2. – С. 16 – 23.

2. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Харченко Г.К., Арсенюк В.В., Григоренко С.Г., Богайчук И.Л. Структура ферритной полоски, формирующейся в зоне соединения ферритно-перлитных сталей при сварке давлением в вакууме // Автомат. сварка. – 2000. – №5. – С. 15 – 20.

3. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Таранова Т.Г., Григоренко С.Г. Особенности образования ферритной полоски при сварке стали давлением в вакууме // Автомат. сварка. – 1000. – №6. – С. 11 – 17.

4. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Григоренко С.Г., Мазанко В.Ф., Филатов А.В. О неоднородности массопереноса в зоне соединения при ударной сварке стали в вакууме // Металлофизика и новейшие технологии. – 2000. – Т.22. – №10. – С. 63 – 66.

5. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Григоренко Г.М., Фальченко Ю.В., Таранова Т.Г., Грицкив Я.П., Григоренко С.Г., Загадорчук В.Ф. Неоднородность соединений трубных сталей, выполненных контактной стыковой сваркой оплавлением // Автомат. сварка. – 2002. – №2. – С.3 – 6.

6. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Григоренко С.Г. Особенности образования ферритной полоски при сварке стали в твердой фазе // Труды Междунар. конф. “Восстановление и упрочнение деталей – современный эффективный способ повышения надежности машин”. – М.: МДЗ. – 1997. – С. 68 – 69.

7. Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Некоторые вопросы сварки сталей в твердой фазе с нагревом // Труды Междунар. конф. “Восстановление и упрочнение деталей – современный эффективный способ повышения надежности машин”. – М.: МДЗ. – 1997. – С. 70 – 72.

8. Кучук-Яценко С.И., Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Никитин А.С., Григоренко С.Г. Особенности формирования соединения при сварке давлением с нагревом // Труды Междунар. конф. “Прогрессивная технология машиностроения и сварочного производства”. – Киев: НТТУ “КПИ”. – 1998.

9. Григоренко С.Г. Химическая неоднородность соединений малоуглеродистых низколегированных сталей полученных контактной стыковой сваркой оплавлением // Труды I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов “Сварка и родственные технологии”. – Киев. – 2001. – С. 37.

АНОТАЦІЯ

Григоренко С.Г. Структурна неоднорідність зўєднань низьколегованих маловуглецевих трубних сталей, виконаних зварюванням тиском з нагрівом. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01. – Металознавство і термічна обробка металів. –Фізико-технологічний інститут металів і сплавів НАН України, Київ, 2002.

Робота присвячена встановленню закономірностей утворення структурних неоднорідностей, у зўєднаннях, отриманих зварюванням тиском з підігрівом маловуглецевих низьколегованих трубних сталей класу міцності Х60 – Х70. Вивчено вплив зовнішнього середовища, термодеформаційних параметрів зварювання, підготовки контактуючих поверхонь і оксидних плівок на формування структури в зоні зўєднань, отриманих зварюванням тиском у вакуумі і на повітрі. Феритна смужка (ФС) утворюється по лінії зўєднання в результаті зневуглецювання прилеглих до поверхні шарів металу, що зварюється, зв'язаним з наявністю поверхневих оксидних плівок, і термодинамічної нестійкості перлітного цементиту в полях високих внутрішніх напружень. ФС, що формується після КСЗ оплавленням, знаходиться в центрі світлої смуги, що спостерігається на макрошліфах у результаті оптичного ефекту. У зоні, що на шліфах має світле травлення, вміст вуглецю знижується на 30–40%. Встановлено механізм формування ФС як сукупність дії дифузійних і рекристалізаційних процесів. Показано взаємозв'язок розмірів ФС з інтенсивністю масопереносу вуглецю в зоні контакту. При введенні в стик перед зварюванням вуглецевовмісних речовин, ФС не утворюється.

Дослідження зразків, випробуваних на ударну в'язкість показало, що руйнування завжди відбувається за межами ФС.

Ключові слова: зварювання тиском, вакуум, феритна смужка, світла смуга, структурна неоднорідність, зневуглецювання, оксидна плівка, дифузія, рекристалізація, масоперенос, ударна в'язкість.

АННОТАЦИЯ

Григоренко С.Г. Структурная неоднородность соединений низколегированных малоуглеродистых трубных сталей, выполненных сваркой давлением с нагревом. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01. – Металловедение и термическая обработка металлов. – Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертационная работа посвящена установлению закономерностей образования структурных неоднородностей, выявляемых в соединениях, полученных сваркой давлением с подогревом малоуглеродистых низколегированных высокопрочных трубных сталей класса Х60 – Х70. С использованием современных методов физического металловедения проведены систематические исследования химической, физической и структурной неоднородностей, наблюдаемых в соединениях. Изучено влияние внешней среды, термодеформационных параметров сварки, предварительной подготовки контактирующих поверхностей и роль оксидных пленок на формирование структуры в зоне соединения. Исследования проводили на образцах, полученных методами сварки давлением в вакууме (ударная сварка – УСВ, диффузионная