Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ В ФЕНОМЕНОЛОГИИ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ И МЕТОДЫ ИХ РЕГУЛИРОВАНИЯ 11
1 1. Роль структурных факторов в феноменологии замедленного разрушения 12
1.2. Традиционные методы регулирования структуры металла сварных соединений 17
1.3. Структурная наследственность конструкционных сталей 18
1.4. Регулирование структуры металла сварных соединений предварительной взрывной обработкой 21
ГЛАВА II. ВЛИЯНИЕ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 24
2.1. Методы экспериментального исследования металла ЗТВ сварки, обработанного взрывом 24
2.1Л. Выбор материала исследований 24
2.1.2. Схемы обработки взрывом 25
2.1.3. Вакуумная высокотемпературная металлография на установке ИМАШ-АЛА-ТОО 28
2.1.4. Методы исследования фазовых превращений стали 14Х2ГМР при сварочном нагреве 31
2.2. Фазовые превращения стали 14Х2ГМР при сварочном нагреве 31
2.3. Влияние обработки взрывом на микромеханические свойства и прочность стали 14Х2ГМР 35
2.4. Особенности мартенситного превращения взрывоупрочненной низколегированной высокопрочной стали 39
2.5. Условия сохранения эффекта взрывного наклепа при
сварочном нагреве 46
ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ВЗРЫВНОЙ ОБРАБОТКИ НА ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 51
3.1. Испытание образцов «Имплант» обработанных взрывом вдоль длинной оси 53
3.2. Испытание образцов «Имплант» с ПВзО направленной перпендикулярно приложенной нагрузке 57
3.3. Испытание плоских образцов-«Имплант» обработанных взрывным нагружением высокого давления 59
3.4. Оценка технологической прочности сварных соединений высокопрочных сталей с ПВзО кромок шва 62
ГЛАВА IV. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ФРАКТОГРАФИЧЕСКИИ АНАЛИЗ
ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 68
4.1. Методика количественных фрактографических исследований образцов «Имплант» 68
4.1.1. Классификация поверхностей разрушения и выбор направлення наблюдения 70
4.1.2. Фрактографические методы исследования на макро и
мезоуровне 71
4.1.3. Расчет стереометрических параметров излома 71
4.1.4. Методы сравнительного анализа профилей излома 73
4.2. Анализ стереометрических параметров образцов "Имплант",
испытанных с ПВзОи в исходном состоянии 75
4.3. Влияние ПВзО на механизм образования холодных трещин в низколегированной высокопрочной стали 84
4.4. Рекомендации по применению способа предварительной взрывной обработки в сварочной технологии 88
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЯ 92
ПРИЛОЖЕНИЯ 101
- Роль структурных факторов в феноменологии замедленного разрушения
- Методы экспериментального исследования металла ЗТВ сварки, обработанного взрывом
- Испытание образцов «Имплант» обработанных взрывом вдоль длинной оси
Введение к работе
Актуальность темы. Для изготовления ответственных конструкций широкое применение находят высокопрочные низколегированные стали. Для придания более высокой прочности такие стали подвергают закалке с последующим отпуском, в результате чего образуется мартенситная структура. С целью обеспечения равнопрочное сварного соединения условия сварки закаленных сталей подбирают таким образом, чтобы в зоне термического влияния (ЗТВ) также образовалась мартенситная структура. Известно, что металл ЗТВ сварки с мартенситной структурой склонен к образованию холодных трещин [29]. Традиционные технологические приемы такие, как предварительный подогрев и способы сварки с повышенным тепловложением, приводят к росту аустенитного зерна, требуют большой затраты электроэнергии и времени. Необходимы новые технологии сварки; разработанные на основе формирования металла ЗТВ сварки с заданными прочностными свойствами.
Тесная связь процесса образования мартенсита с дислокациями позволяет управлять его свойствами предварительным воздействием на дефектную структуру аустенита. Среди перспективных методов изменения дислокационных структур металлов - взрывное нагружение. Высокоскоростная деформация взрывом приводит к резкому возрастанию плотности дефектов кристаллической решетки и ее обогащению дефектами новых типов, причем эти внесенные дефекты расположены более однородно, чем при других способах деформирования. Известно, что комбинирование взрывного нагружения с дальнейшим нагревом дает широкие возможности для воздействия на структуру металлов и повышения их механических свойств. Это обусловлено спецификой протекания процессов возврата, полигонизации и рекристаллизации при нагреве деформированного взрывом материала [13, 18, 53, 59, 78, 81]. В проведенных исследованиях, в основном, рассматривалось сочетание взрывной обработки с последующим отпуском в низкоуглеродистых сталях с феррито-перлитной структурой.
В данной работе исследована возможность повышения технологической прочности сварных соединений низколегированных высокопрочных сталей регулированием структуры металла ЗТВ сварки предварительной взрывной обработкой(ПВзО) кромок свариваемых деталей.
Цель работы - исследование и разработка способов повышения свариваемости низколегированных высокопрочных сталей путем регулирования структуры металла околошовной зоны предварительной взрывной обработкой.
Задачи:
Исследование влияния предварительной взрывной обработки на фазовые превращения и механические свойства металла околошовной зоны сварных соединений низколегированных высокопрочных сталей.
Исследование влияния условий термодеформационного цикла сварки на устойчивость дефектов, внесенных взрывом.
Определение влияния направления и давления предварительного взрывного нагружения на сопротивление металла околошовной зоны сварных соединений низколегированных высокопрочных сталей замедленному разрушению.
Исследование влияния предварительной взрывной обработки на механизм замедленного разрушения высокопрочной стали.
Научная новизна и практическое значение. Впервые в разработке сварочных технологий регулированием структурных факторов металла околошовной зоны использован эффект наследования дислокационной структуры сталей при фазовых перекристалл и з ациях. На основе проведенных экспериментальных исследований показана устойчивость субструктурных образований, сформированных взрывным нагружением, при последующем термодеформационном цикле сварки. Определены условия наследственной передачи дефектной структуры при термодеформационном цикле сварки.
Установлено, что предварительное взрывное нагружение способствует преимущественному выделению отпущенного реечного мартенсита. Разработана методика количественных ([фактографических исследований на основе математической обработки изображений. При этом выявлено, что «хрупкость мартенсита» при замедленном разрушении обусловлена расщеплением по кристаллографическим плоскостям реек при деформации мартенсита. Установлено, что наследование конечным мартенситом субструктурных образований, внесенных взрывом, обеспечивает энергоемкое разрушение. Определена зависимость сопротивления замедленному разрушению сварного соединения от давления и направления взрывного нагружения.
Практическая значимость работы заключается в разработке научных основ повышения свариваемости низколегированных высокопрочных сталей предварительной взрывной обработкой при ремонте карьерной техники и монтаже сварных конструкций. Исследование влияния внесенных устойчивых дефектов на прочностные свойства мартенсита также актуально для оптимизации режимов сварки с использованием других видов импульсных энергий.
Работа выполнена в соответствии с планами научных работ Института физико-технических проблем Севера СО РЛН: по Пост. ГКНТ № 555 от 30.10.85, Расп. АН СССР № 10103 -399 от 05.03,86 г., тема 2.25.2.7. «Исследование и разработка технологических методов с целью повышения износостойкости, хладостойкости элементов конструкций в северном исполнении. Создание хладостойких, износостойких конструкционных материалов для несущих конструкций в северном исполнении», № Гос. регистрации 01.86.0075019; по теме 1.11.5.2 Раздел 2 «Разработка научных основ и способов повышения технологической прочности сварных соединений высокопрочных низколегированных сталей», № Гос. регистрации РК 0190030964. Часть экспериментальных работ выполнена в рамках программы сотрудничества между Российской Академией наук и
Национальной Академией наук Украины по договору о сотрудничестве между Институтом физико-технических проблем Севера (ИФТПС) РАН и Институтом электросварки (ИЭС) им. Е.О. Патона в 2001-2002 гг.
Достоверность полученных результатов обеспечивается: использованием апробированных методик экспериментов по взрывной обработке; применением современных экспериментально-аналитических методов и испытаний; применением оборудования, прошедшего государственную поверку; представительным объемом статистической выборки при анализе параметров изломов, структур стали, микромеханических свойств; расчетом методических погрешностей; совпадением данных количественного и структурного анализа; совпадением результатов экспериментов проведенных в ИФТПС и ИЭС им. Е.О. Патона.
Апробация работы. Основные положения работы представлены: на VIII Всесоюзной конференции «Сварка, резка и обработка материалов взрывом» (Минск, 1990 г,); на X Всесоюзной конференции «Структура и прочность металлов» (Каунас, 1994 г.); на Международной конференции «Физико-технические проблемы Севера» (Якутск, 2000 г.); на II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (Якутск, 2004 г), а также на семинарах ИФТПС СО РАН (Якутск, 1988-2005 гг.).
Публикации. Основное содержание исследований по теме диссертации отражено в 10 публикациях.
Структура и объем работы: Диссертация изложена на 104 машинописных страницах, включая 10 таблиц, 26 рисунков, список использованной литературы из 82 наименований, состоит из введения, 4 глав, заключения и приложений.
Первая глава посвящена анализу феноменологических подходов для описания замедленного разрушения мартенситных сталей и обосновано применение явления структурной наследственности для регулирования структурообразования металла ЗТВ сварки низколегированной высокопрочной стали.
Во второй главе приведено экспериментальное исследование влияния предварительной взрывной обработки на фазовые превращения и механические свойства высокопрочных сталей в процессе имитации термического цикла сварки; показано наследование внесенных взрывом дефектов при определенных условиях сварочных термодеформационных циклов; установлены измельчение и однородность сформированной структуры с применением статистической обработки микромеханических свойств и измеренных линейных параметров. Дилатометрическими исследованиями и высокотемпературной металлографией установлено, что в во взрывоупрочненной стали мартенситная реакция происходит преимущественно в высокотемпературной области распада аустенита с образованием отпущенного реечного мартенсита.
В третьей главе исследовано влияние взрывного нагружения с давлением в плоской и скользящей волне от 10 до 13 ГПа на свариваемость низколегированной высокопрочной стали 14Х2ГМР. Установлено, что взрывное нагружение, направленное перпендикулярно к сварочным растягивающим напряжениям, почти в 2 раза повышает энергоемкость процесса замедленного разрушения, а совпадение направлений взрывной волны и сварочных растягивающих напряжений не приводит к повышению трещи но стой кости. Показано, что предварительная взрывная обработка кромок сварного соединения снижает склонность к водородному охрупчиванию.
В четвертой главе изложены результаты количественного фракто графического анализа влияния структурных факторов, сформированных под воздействием предварительной взрывной обработки на замедленное разрушение высокопрочных сталей. Исследования проведены по методике, разработанной автором на основе математической обработки изображений. Анализ взаимосвязи структурных факторов и параметров излома показал, что замедленное разрушение высокопрочной низколегированной стали 14Х2ГМР начинается деформацией и расщеплением по кристаллографическим границам кристаллов мартенсита. Установлено, что повышение энергоемкости разрушения металла ЗТВ сварки с предварительным взрывным нагружением при замедленном разрушении связано с дисперсностью и субструктурным упрочнением пакетного мартенсита. Даны рекомендации применения предварительной взрывной обработки с целью повышения свариваемости низколегированных высокопрочных сталей с мартенситной структурой.
Полученные результаты исследований, изложенные в диссертационной работе станут научной основой разработки экономичного и эффективного способа повышения свариваемости высокопрочных низколегированных сталей.
Вклад автора в проведенные исследования состоит в обосновании общей концепции работы, постановке задач исследования; в проведении экспериментов по структурным исследованиям, в разработке методики и выполнении количественной фрактографии изломов образцов, испытанных на замедленное разрушение; в обобщении полученных результатов.
Автор приносит глубокую благодарность сотрудникам ИЭС им. Е.О.
Патона: д.т.н. В.Г. Петушкову, д.т.н. Ю.А. Стеренбогену, д.т.н. [Л.Н
Миходуюь к.т.н. Д.А. Васильеву за проведение части экспериментов по взрывной обработке и испытаний на замедленное разрушение и обсуждение результатов; сотрудникам ИФТПС: к.т.н. МН. Сивцеву за проведение совместных испытаний на замедленное разрушение, д.т.н. СП. Яковлевой, к.т.н. В.Е. Михайлову за обсуждение результатов работы. Особая признательность академику [В.П. Ларионову! и руководителю научной работы, д.т.н., профессору О.И. Слепцову за постоянную поддержку и внимание.
Роль структурных факторов в феноменологии замедленного разрушения
По деформационным признакам процесс замедленного разрушения исследователи описывают моделью ползучести [29]. В основе современных представлений замедленного разрушения по модели ползучести лежит развитие пластической деформации структурных элементов металла с различными поворотными модами и трансляциями [21,48]. Поскольку нагрев кратковременный, по всей вероятности, успевает произойти начальная стадия высокотемпературной ползучести, для которой характерны поперечное скольжение, формирование субструктуры и квазивязкое течение [21]. В высокотемпературной области деформирования единственной структурной составляющей является аустенит. Указанные признаки высокотемпературной ползучести формируют границы исходного аустенита, поэтому границы исходного аустенита хорошо выявляются при травлении конечной структуры металла ЗТВ. В сварном соединении высокотемпературная деформация плавно сменяется низкотемпературной деформацией со сменой знаков напряжений. Экспериментальными исследованиями установлено явление низкотемпературного проскальзывания по границам аустенитных зерен при замедленном разрушении закаленных сталей [48, 56, 75]. Как показано в работе [21], деформация со сменой знаков напряжений происходит по тем же линиям скольжения и способствует большей локализации деформации. Локализация деформации в приграничных зонах создает условия к образованию зернограничных трещин. При равномерно распределенной деформации возможна релаксация напряжений путем эстафетной передачи скольжения в соседние зерна (рисЛ,а). При заблокировании скольжения в процессе низкотемпературного деформирования образуется трещина критического размера (трещина Гриффитса), развитие которой происходит самопроизвольно (рис. 1,6) [75],
Предполагается, что очаги холодных трещин образуются в соответствии со схемой Зинера, только относительное смещение соседних зерен обусловлено не вязким течением, а микропластической деформацией в приграничных зонах и по границам зерен [29, 64]. Многие исследователи описывают образование холодных трещин в мартенситиых сталях моделью микроскола [22,23,55,64].
Образование трещин микросколом Ю.Я. Мешков описывает моделью субмикротрещины. На основе условия упругого равновесия между субмикротрещиной и дислокационным скоплением из N дислокаций, он определил, что число дислокаций п, вливающихся в субмикротрещину, составляет в среднем 20% от общего числа дислокаций N (a = n/N = 0,2). Затем используя соотношения А.Н. Стро для размера субмикротрещины, Эшелби-Франка-Набарро для максимального количества дислокаций и Холла-Петча для предела текучести, Ю.Я.Мешков [31]
Методы экспериментального исследования металла ЗТВ сварки, обработанного взрывом
Для выявления наиболее общих тенденций поведения материалов после взрывной обработки, в работе проведена имитация сварочного термодеформационного цикла низколегированной высокопрочной стали. Исходя из поставленных задач исследования, при выборе данного материала руководствовались, чтобы сталь была качественного литья для исключения случайных факторов; в перегретом и закаленном состоянии имела структуру 100% мартенсита и широко применялась в сварных металлоконструкциях. Всем этим требованиям соответствовала термически упрочняемая низколегированная сталь 14Х2ГМР (состав, % масс: Си 0.3, Со 0.01, Мо- 0,27, Сг - 0,59, Ni 0.011, Л1 - 0.036). Для нее характерно выделение при отпуске специальных карбидов в высокодисперсной форме, что может существенно проявиться в процессе нагрева после ПВзО. Сталь 14Х2ГМР применяется в сварных узлах экскаваторов, шахтного оборудования, несущих деталей большегрузных самосвалов. В зависимости от назначения конструкции, данную сталь применяют в закаленном и отпущенном состоянии или закаленным на зернистый бейнит. Сталь обладает склонностью к образованию продольных холодных трещин [29].
Схемы обработки взрывом
Первая часть экспериментов по взрывной обработке проводилась в ИФТПС на опытной площадке, оборудованной на территории Кангаласского угольного разреза. Заготовки образцов в виде темплетов 80x15x4 мм до взрывной обработки закаляли для получения 100% мартенситной структуры. Закаленные темплеты подвергали упрочнению в специальных кондукторах контактным взрывом детонирующими шнурами ДШЭ - 18. При этом на металл воздействует плоская ударная волна с давлением 10 ГПа, которая создает однородно упрочненный слой по всему сечению темплетов [53]. Затем из них вырезались образцы типа «ИМАШ» для термообработок и для имитации сварочных термических циклов на установке «ИМАШ-АЛА-ТО О (рис.2.1а).
Часть образцов «Имплант» обработана вдоль длинной оси (рис.2.1,6). Другая часть образцов «Имплант» упрочнена трубчатыми зарядами насыпного аммонита 6ЖВ в специальных кондукторах для цилиндрических образцов (рис.2,1,в). При данной схеме обработки взрывная волна с давлением 10 ГПа ориентирована перпендикулярно длинной оси образцов. Наибольшая остаточная деформация не превышала 1% [1].
До окончательного размера заготовки образцов доводились после взрывной обработки и на них наносились винтовые надрезы по ГОСТ 26388-84, позволяющие охватить все зоны термического влияния. Обработка взрывом плоских образцов производилась метанием металлической пластины (обработка взрывом образцов «Имплант» проведена в ИЭС им. Е.О. Патона).
Направление взрывной волны было ориентировано перпендикулярно длинной оси плоских образцов. Выбор режима движения нагрузки по плоской поверхности обеспечивается подбором скорости детонации и начального угла установки метаемой пластины-ударника. Выбранный режим обеспечивает движение нагрузки перпендикулярно к обрабатываемым плоским образцам, уложенным под центральной зоной пластины, где поддерживается постоянство параметров режима соударения. Размеры метаемой пластины намного превышают размеры обрабатываемой зоны во избежание краевых эффектов, набор обрабатываемых образцов дополняется до размера метаемой пластины накладками той же толщины, что и образец. Укладка образцов производилась в поперечном направлении по отношению к направлению движения линии контакта соударяющихся пластин. Обрабатываемые образцы с боковыми накладками опираются на массивную плиту и сверху прикрываются защитной пластиной (рис.2.1,г,д). Для эффективного упрочнения закаленной низколегированной высокопрочной стали использовали взрывное иагружеиие плоской и скользящей волнами давлением 13 ГПа, при которых в стали не происходит фазовый переход [51]. Расчет давления взрывной волны проведен по скорости метания пластины. Влияние взрывной обработки при таких давлениях на структуру стали 14Х2ГМР ранее не исследовалось. Для сравнения можно указать известные данные по низкоуглеродистой стали Ст20, которая при нагружении взрывом до давления 1,2 ГПа деформируется дислокационным скольжением [79].
Испытание образцов «Имплант» обработанных взрывом вдоль длинной оси
Эксперименты проводились при следующих условиях сварки образцов: толщина подложки 25 мм, погонная энергия сварки qrior=17 кДж/см; электроды АНП-2; содержание диффузионного водорода, определенное по глицериновому методу, равно 7.0 см3/100 г; температура среды при сварке - 20С. Нагрузка на образец прикладывалась после его охлаждения до 150- 200 С. В каждом режиме испытывались по 3 образца.
По результатам испытаний методом «Имплант» видно, что обе серии образцов - и с ПВзО, и без обработки, имеют почти одинаковые конечные разрушающие напряжения (табл.3.1).
У обработанной серии образцов Ясг в зависимости от уровня нагрузок принимает значения в 1.5-5 раз превышающие показания на контрольных образцах. Кривая развития деформации в контрольных образцах в стадии накопления поврежденности и стадии стабильного роста трещины показывает незначительное удлинение, затем резко переходит в стадию ускоренного развития трещины с окончательным разрушением образца, обуславливая низкоэнергоемкое разрушение.
Взрывоупрочненные образцы во всех стадиях развития трещины показывают равномерное удлинение, намного опережая по удлинению контрольные образцы, хотя время полного разрушения образца по времени не намного больше контрольных.
В применяемой методике испытаний на замедленное разрушение уровень нагрузки, действующей на образец в замкнутой системе, имитирующей реальное сварное соединение, может характеризовать релаксационную способность металла ЗТВ. Параметр релаксации напряжений До характеризует сварное соединение с точки зрения кинетики релаксаций напряжений и способности локализации пластических деформаций во времени [38].
Да = ад /ан, 3.1)
где а„ - начальное напряжение в образце, устанавливаемое в начале эксперимента; од - действующие напряжения.
В проведенных экспериментах зафиксированы различия в характере релаксации напряжений образцов «Имплант» с предварительной ВзО и без обработки.
У контрольных образцов изменение параметра релаксации имеет ступенчатый вид, и по всей вероятности, участкам кривой с разным наклоном соответствуют разные периоды накопления повреждений. В начальной стадии деформирования сталей повышенной прочности является образование на релаксационной кривой так называемого «горба подгружения», появление которого обусловлено появлением пластической зоны перед острием надреза и упрочнением металла в результате релаксационных процессов. Ступенчатый характер релаксации напряжений указывает на поэтапную локализацию напряжений в процессе пластической деформации сварного соединения. Кривые параметра релаксации образцов с ПВзО показывают монотонное снижение действующих напряжений (рис.3.3). По всей вероятности, это указывает на равномерность распределения деформаций.
