Содержание к диссертации
Введение
1. УСЛОВИЯ РЕЛАКСАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В МЕТАЛЛЕ ШВА 9
1.1. Методы снижения остаточных напряжений и деформаций .. 9
1.2. Особенности пластичности металла при фазовом -превращении. 11
1.3. Требования к присадочному материалу, обеспечивающему снижение остаточных напряжений 15
1.4. Влияние легирующих элементов на структуру, свойства и релаксационную способность мартенсигностареющих сталей. 16
1.5. Выводы и постановка задач исследований 21
2. ИССЛВДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРШЦИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФОНДИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ 24
2.1. Материалы и методика исследований 24
2.2. Влияние легирующих элементов на положение критических точек М^, М^ и структуру наплавленного металла 30
2.3. Влияние легирования на формирование термических напряжений в наплавленном металле 35
2.4. Релаксация напряжений в интервале температур мартен-ситного превращения 44
Выводы 53
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПРИСАДОЧНОГО МЕТАЛЛА НА ОСТАТОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ 56
3.1. Методика определения остаточных напряжений 56
3.2. Остаточные напряжения в шве и основном металле 59
3.3. Влияние присадочного материала на величину остаточных перемещений 68
Выводы 77
4. СТОЙКОСТЬ МЕТАЛЛА ШВА ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩН
4.1. Методики и материалы исследований 78
4.2. Влияние легирующих элементов на образование горячих трещин 81
4.3. Повышение стойкости металла шва против образования горячих трещин 88
Выводы 94
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ШВА... 96
5.1. Исследование структуры сварных швов с различным содержанием никеля 96
5.2. Исследование механических свойств металла шва и сварного соединения 102
5.3. Фракгографические исследования изломов ударных образцов 105
Выводы. 121
6. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ИХ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ 123
6.1. Состав порошковых проволок для сварки в углекислом газе и под флюсом 123
6.2. Опытно-промышленная сварка трубных заготовок 129
6.3. Нанесение промежуточного слоя при наплавке цилиндров гидропрессов. 133
Выводы. 137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138
ЛИТЕРАТУРА 141
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Методы снижения остаточных напряжений и деформаций
- Материалы и методика исследований
- Методика определения остаточных напряжений
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС отмечалось, что дальнейшее развитие промышленности возможно лишь на основе ускорения научно-технического прогресса, улучшения качества выпускаемой продукции, снижения материалоемкости, повышения производительности груда и эффективности производства. Решение этих задач требует разработки и скорейшего внедрения в производство новых материалов, прогрессивных технологических процессов, повышения надежности и долговечности технологического оборудования. Одним из условий надежной работы оборудования и машин, их высокой производительности и экономичности является обеспечение равнопрочности сварного соединения,
В современном производстве для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях интенсивного нагружения, применяются высокопрочные стали, при сварке которых в металле и околошовной зоне возникают значительные остаточные напряжения и деформации. Остаточные растягивающие напряжения достигают предела текучести, что иногда приводит к изменению формы конструкции и даже к частичному или полному ее разрушению. Как правило, коробление при сварке увеличивает трудоемкость изготовления, а возникающие напряжения снижают несущую способность конструкции.
Эффективным способом повышения прочности сварного соедине- J ния, его качества и эксплуатационной надежности является сниже- ние остаточных напряжений и деформаций. В последнее время проведены обширные исследования и конструкторские разработки по повышению надежности и долговечности машин и аппаратов за счет улучшения напряженного состояния сварных соединений, снижения остаточных напряжений и деформаций. Но все существующие методы снижения остаточных напряжений требуют дополнительного оборудова ния, трудоемки, а зачастую малоэффективны.
Одним из эффективных способов снижения уровня остаточных напряжений и деформаций является использование специальных присадочных материалов. Рациональный выбор и способ использования присадочных материалов невозможны без всестороннего изучения влияния легирования металла шва на остаточные напряжения. Отсутствие конкретных данных по применению присадочного материала с целью снижения уровня остаточных напряжений и деформаций определило необходимость проведения исследований влияния присадочного материала на уровень остаточных напряжений и деформаций.
Данная работа посвящена разработке методики оценки влияния \ присадочных материалов на релаксацию напряжений в сварном соединении, исследованию влияния различных легирующих добавок на уровень остаточных напряжений и разработке составов электродных материалов, обеспечивающих повышенную работоспособность сварного / соединения.
Решение поставленных задач достигалось путем изучения влияния композиции присадочного материала и легирующих элементов на г свойства металла шва и сварного соединения. Получены данные о влиянии некоторых легирующих элементов на структуру металла шва и критические температуры flT- oc-превращения, установлены рациональные концентрации легирующих элементов.
Изучено влияние легирующих элементов на релаксацию напряжений в интервале температур $Г+ос -превращения и определено их влияние на величину и характер формирования остаточных напряжений.
Исследовано влияние легирующих элементов и технологии сварки на механические свойства и технологическую прочность металла шва и сварного соединения.
На основании экспериментальных данных предложена методика выбора состава металла шва, обеспечивающего необходимые свойства сварного соединения, С использованием ее обоснован состав присадочного материала и технология сварки сталей перлитного и ферри-го-перлигного классов.
Производственное опробование разработанных материалов для сварки трубных заготовок производилось в содружестве с Уральским научно-исследовательским институтом трубной промышленности на Челябинском трубопрокатном заводе. Технология нанесения промежуточного слоя при наплавке цилиндров гидропрессов с целью снижения остаточных напряжений внедрена на Каменск-Уральском заводе по обработке цветных металлов и на Таджикском алюминиевом заводе.
Работа выполнялась в рамках важнейшей научно-технической проблемы 0.72.01 "Разработать высокоэффективные технологические процессы сварки, наплавки, пайки, термической резки и создать для них высокопроизводительное оборудование, сварочные материалы,средства контроля и управления" на I98I-I985 годы, утвержденной постановлением ГК СССР по науке и технике и Госплана СССР от 12 декабря 1980 года $ 472/248 (приложение 15). Уральский политехнический институт им.С.М.Кирова является головной организацией по заданию 01.36 "Разработать и внедрить технологию и новые материалы для наплавки деталей металлургического и горного оборудования с целью повышения их надежности и срока эксплуатации, а также изделий, работающих в условиях сложного нагружения и агрессивных средах".
Методы снижения остаточных напряжений и деформаций
Изменения объема металла вследствие неравномерного нагрева, охлаждения и структурных превращений являются основными причинами, вызывающими появление остаточных напряжений и деформаций при п сварке. Остаточные напряжения, складываясь с рабочими, могут их усиливать или ослаблять. Как правило, наиболее опасны растягивающие остаточные напряжения /1,2/, так как они, складываясь с на-/ пряжениями, обусловленными внешними нагрузками, вызывают разру- v шение металла, /wu... У/-...)-.
Остаточные растягивающие напряжения в сварных конструкциях приводят иногда к серьезным авариям. Разрушения сварных мостов и цельносварных судов, магистральных трубопроводов часто связывают с проявлением больших остаточных напряжений, близких к раз- ] рушающим/2-4/. s
Особенно опасны объемные растягивающие напряжения, поскольку в этом случае касательные напряжения, обусловливающие пластическое течение, малы, а поэтому создаются условия для хрупкого разрушения. Остаточные напряжения опасны также в изделиях из ма-лопласгичных металлов и сплавов, имеющих высокий порог хладноломкости.
Растягивающие остаточные напряжения в поверхностных слоях особенно опасны в деталях, работающих при знакопеременных нагрузках, гак как способствуют усталостному разрушению /4,5/ и межкристаллигной коррозии /6/.
Известны три пути воздействия на напряжения и деформации при сварке /I/:
- уменьшение величины пластической деформации металла при нагреве, а также уменьшение объема металла, подверженного пластической деформации;
- увеличение пластической деформации металла (удлинения)при остывании в тех зонах, где нагрев сопровождался укорочением. Если удлинение будет равно возникшему при нагреве укорочению,то остаточные напряжения и деформации будут отсутствовать или будут минимальны;
- компенсация возникающих деформаций за счет симметричного расположения швов, предварительных обратных деформаций и т.п.
Таким образом, снижение сварочных напряжений может быть обеспечено технологией, предотвращающей их возникновение или последующим их снятием /2/ механическим или термическим воздействием. К первым относятся различные виды деформации: приложение продольных внешних сил, поверхностная пластическая деформация, создающая в поверхностных слоях металла сжимающие напряжения (проковка, обкатка роликами и т.д.). К последнему - отжиг, нормализация, высокий отпуск.
Наибольшее распространение в промышленности получил высокотемпературный отпуск сварных конструкций, поскольку он обеспечивает снятие напряжений на 85...90$ во всей конструкции /I/. Однако из-за конструктивных особенностей или больших габаритов общая термическая обработка сварной конструкции не всегда осуществима. Остаточные напряжения могут быть существенно (на 30...40$) снижены предварительным или сопутствующим подогревом при сварке /I/.
Таким образом, для снижения или предотвращения напряжений, в процессе сварки либо после нее, создается пластическая деформация, уменьшающая остаточные укорочения. Естественно, чем выше пластичность металла шва в интервале fl - -ос -превращения, прогекающего с увеличением объема, тем меньше будут остаточные напряжения и деформации в сварном соединении.
Материалы и методика исследований
Наплавленный металл охлаждали на воздухе. При изготовлении образцов (рис.2.1) отбирали стружку на химический анализ. В соответствии с рекомендациями /53/ готовили шлифы для металлографических исследований.
Описанная в /54/ методика определения термических напряжений, возникающих в процессе охлаждения, нами не могла быть использована, поскольку необходимый образец длиной 400 мм изготовить из наплавленного металла весьма сложно. Поэтому нами для указанных целей была использована модернизированная установка ИМАШ 9-66 /55,56/. После нагрева до Ю00С образец жестко закрепляется /8/ и при последующем охлаждении растягивает упругий элемент (рис.2.2) с тензодатчиками. Сигнал рассогласования фиксируется прибором ВД-62М с погрешностью + 1,5$ от измеряемой величины. Уменьшение длины образца при охлаждении компенсируется соответствующей упруго-пластической деформацией, близкой по величине ( 2%) к деформации сварного шва /54/.
По мере протекания в образцах мартенсигного превращения,термические напряжения в образце падают в связи с увеличением объема и повышением пластичности при фазовом р ос -переходе /8,19,23, 57/. После завершения превращения напряжения в образце снова возрастают. По перегибам на кривой в координатах "температура-напряжения" можно определить температуры начала и конца f oc -превращения (рис.2.3), а также изучить влияние превращения на термические напряжения.
Из работ /58,59/ следует, что пластические деформации при температурах выше мартенситной точки могут активизировать мартен-ситное превращение, повышать температуру его начала и увеличивать количество ос -фазы. Поскольку предложенная методика в известной степени имитирует гермодеформационный цикл при сварке, определяемые при этом критические температуры Мн и Мк должны быть несколько выше найденных в условиях нормального охлаждения. Поэтому, в дальнейшем, найденные нами значения будем обозначать Мц и M,J, а напряжения, возникшие при охлаждении образца до температуры Мн будем обозначать бм , оставшиеся после завершения превращения - (Эм , напряжения, измеренные при охлаждении образца до комнатной температуры - (50Ст (рис.2.3).
Поскольку, по данным дилатометрических измерений, температура окончания oc f -превращения в рассматриваемых сталях не превышала 850С, максимальная температура нагрева образцов составляла Ю00С. Таким образом, все образцы в начале испытания находились в -состоянии, что исключало влияние структурной неоднородности исследуемых сталей. Контроль и поддержание температуры в заданных пределах осуществляли регулирующим самопишущим потенциометром ПОР 1-01 с погрешностью + 0,5$ от измеряемой величины посредством платино-платйнородиевой термопары, приваренной к средней части образца /60/.
Методика определения остаточных напряжений
Экспериментальное определение напряжений в металле может быть выполнено методами, использующими фогоупругость, лазерную голографию, отражение рентгеновских лучей, магнитную проницаемость, перемещения при снятии напряжений /68/. Наибольшее распространение при определении остаточных напряжений получили так называемые механические методы, основанные на измерении перемещений с помощью датчиков при полном или частичном освобождении металла от остаточных напряжений.
Механические методы определения остаточных напряжений различаются применяемыми для измерения деформаций тензометрами и способами освобождения металла-разрезка "гребенкой", на поперечные полосы, на "квадратики", осверловка, обтачивание, строжка и т.д. /1,68,69/. Применяемые тензометры могут быть электрические: тензодатчики сопротивления (проволочные, фольговые, полупроводниковые), индуктивные, емкостные, и деформометры механического типа. На первых этапах исследования нами применялся механический тензометр /70/, но из-за недостаточной точности и больших разбросов показаний, в дальнейшем применяли тензодатчики сопротивления.
В качестве основы методики определения остаточных напряжений в сварном стыковом соединении приняли способ, описанный в работах /1,71/, ввиду его надежности и относительной простоты. Выбор аппаратуры, тензодатчиков, их наклейка и защита, проведение измерений осуществлялись согласно рекомендациям /72-74/.
Тарировка тензодагчиков состояла в определении масштаба измерений для конкретного комплекса приборов с выбранными датчиками. Датчики одной партии имеют небольшой разброс значений коэффициента тензочувствигельносги, в пределах 0,3...2% при условии одинаковой наклейки. Датчики одной партии наклеивались на сваренную пластину, а часть (5% от числа измерительных) на тарировоч-ную балку. Для устранения погрешности, обусловленной колебаниями температуры, рядом с исследуемой пластиной с рабочими датчиками помещали пластину с компенсационными датчиками.
Наклейка тензодатчиков производилась клеем Щ-93І (ГОСТ 10402-75), а влагозащита датчиков осуществлялась бакелито-фе-нольным клеем БФ-2 (ГОСТ 12172-74), которые считаются надежными клеящим средством и покрытием для датчиков, имеют широкий интервал рабочих температур от -60 до +180С и малую ползучесть.
На предварительно сваренные и подготовленные образцы размером 350x300x22 мм из стали І5ХСНД наклеивали тензодатчики по схеме (рис.3.І) в направлении главных осей деформаций. Для предотвращения ползучести, производили тепловую обработку приклеенных датчиков по режиму:
нагрев до 70С, выдержка I час;
нагрев до 140С, выдержка 2 часа;
нагрев до 180С, выдержка 2 часа; охлаждение с печью.
После "нулевого" замера электросопротивления датчиков, металл с наклеенными датчиками освобождали от окружающих связей методом вырезания столбиков диаметром 20 мм. Для предотвраще- у ния возникновения дополнительных напряжений, столбики вырезали электроэрозионным способом /69/. Остаточные напряжения определяли по остаточным упругим деформациям. Их измеряли в двух направлениях: вдоль ( Ех) и поперек (у) оси шва. Величины остаточных напряжений рассчитывали по закону Гука для двухосного напряженного состояния:
Деформации измеряли тензодатчиками марки 2ФКПА 5-50Б с базой измерения 5 мм. Для обеспечения постоянства термических циклов при сварке проволоками различного химического состава, режим сварки и погонную энергию (12,5+0,1 кДж/см) выдерживали неизменными, а после каждого прохода сварное соединение охлаждали на воздухе до комнатной температуры. Для предотвращения угловой деформации соединения, пластины перед сваркой закрепляли в специальном приспособлении. Остаточные напряжения определяли в состоянии после сварки.
Релаксацию напряжений оценивали по остаточным напряжениям, определяемым тензометрированием сварных стыковых соединений после их разделки на элементы; по остаточным перемещениям (по прогибу пластины при наплавке валика на ее кромку и по угловой деформации стыковых соединений).
