Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой
С помощью методов моделирования исследовано влияние структурно-фазового состава и диффузионного водорода на сопротивляемость хрупкому разрушению металла зоны термического влияния высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65 %. Показано, что для достижения сравнительно высокой сопротивляемо...
Gespeichert in:
| Datum: | 2016 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2016
|
| Schriftenreihe: | Автоматическая сварка |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146914 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, Е.Н. Бердникова, В.А. Ящук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 9 (756). — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-146914 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1469142019-02-13T01:24:28Z Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Бердникова, Е.И. Ящук, В.А. Научно-технический раздел С помощью методов моделирования исследовано влияние структурно-фазового состава и диффузионного водорода на сопротивляемость хрупкому разрушению металла зоны термического влияния высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65 %. Показано, что для достижения сравнительно высокой сопротивляемости соединений развитию трещин необходимо обеспечить в металле зоны термического влияния формирование бейнитно-мартенситной структуры, в которой отсутствует верхний бейнит, а объемная доля мартенсита не превышает доли нижнего бейнита. При насыщении металла зоны термического влияния водородом, который диффундирует из наплавленного металла в процессе дуговой сварки или наплавки, склонность к хрупкому разрушению резко увеличивается. Для уменьшения охрупчивания металла необходимо применять специальные способы сварки, при которых насыщение водородом минимально (менее 0,2 мл/100 г), или специальные технологические приемы, позволяющие повысить пластические свойства металла зоны термического влияния. Modeling methods were used to study the influence of structural-phase composition and diffusible hydrogen on brittle fracture resistance of HAZ metal of high-strength steel with carbon content of 0.55–0.65 %. It is shown that to achieve comparatively high resistance of the joints to crack propagation, it is necessary to ensure formation in the HAZ metal of bainitic-martensitic structure, in which upper bainite is absent, and martensite volume fraction does not exceed lower bainite fraction. At saturation of HAZ metal with hydrogen, which diffuses from deposited metal during arc welding or surfacing, its brittle fracture susceptibility increases markedly. To reduce metal embrittlement, it is necessary to apply special welding techniques, at which hydrogen saturation is minimum (less than 0.2 ml/100 g), or special technological methods, allowing improvement of ductile properties of HAZ metal. 2016 Article Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, Е.Н. Бердникова, В.А. Ящук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 9 (756). — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.09.01 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146914 621.791.927.535 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Бердникова, Е.И. Ящук, В.А. Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой Автоматическая сварка |
| description |
С помощью методов моделирования исследовано влияние структурно-фазового состава и диффузионного водорода на сопротивляемость хрупкому разрушению металла зоны термического влияния высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65 %. Показано, что для достижения сравнительно высокой сопротивляемости соединений развитию трещин необходимо обеспечить в металле зоны термического влияния формирование бейнитно-мартенситной структуры, в которой отсутствует верхний бейнит, а объемная доля мартенсита не превышает доли нижнего бейнита. При насыщении металла зоны термического влияния водородом, который диффундирует из наплавленного металла в процессе дуговой сварки или наплавки, склонность к хрупкому разрушению резко увеличивается. Для уменьшения охрупчивания металла необходимо применять специальные способы сварки, при которых насыщение водородом минимально (менее 0,2 мл/100 г), или специальные технологические приемы, позволяющие повысить пластические свойства металла зоны термического влияния. |
| format |
Article |
| author |
Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Бердникова, Е.И. Ящук, В.А. |
| author_facet |
Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Бердникова, Е.И. Ящук, В.А. |
| author_sort |
Гайворонский, А.А. |
| title |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| title_short |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| title_full |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| title_fullStr |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| title_full_unstemmed |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| title_sort |
сопротивляемость хрупкому разрушению металла зтв соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2016 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/146914 |
| citation_txt |
Сопротивляемость хрупкому разрушению металла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержанием углерода 0,55...0,65 %, выполненных дуговой сваркой / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, Е.Н. Бердникова, В.А. Ящук // Автоматическая сварка. — 2016. — № 9 (756). — С. 3-9. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT gajvoronskijaa soprotivlâemostʹhrupkomurazrušeniûmetallaztvsoedinenijvysokopročnyhstalejssoderžaniemugleroda055065vypolnennyhdugovojsvarkoj AT poznâkovvd soprotivlâemostʹhrupkomurazrušeniûmetallaztvsoedinenijvysokopročnyhstalejssoderžaniemugleroda055065vypolnennyhdugovojsvarkoj AT markašovali soprotivlâemostʹhrupkomurazrušeniûmetallaztvsoedinenijvysokopročnyhstalejssoderžaniemugleroda055065vypolnennyhdugovojsvarkoj AT berdnikovaei soprotivlâemostʹhrupkomurazrušeniûmetallaztvsoedinenijvysokopročnyhstalejssoderžaniemugleroda055065vypolnennyhdugovojsvarkoj AT âŝukva soprotivlâemostʹhrupkomurazrušeniûmetallaztvsoedinenijvysokopročnyhstalejssoderžaniemugleroda055065vypolnennyhdugovojsvarkoj |
| first_indexed |
2025-07-11T00:53:56Z |
| last_indexed |
2025-07-11T00:53:56Z |
| _version_ |
1837309879498309632 |
| fulltext |
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
3 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
УДК: 621.791.927.535
СопротивляемоСть хрУпКомУ разрУшению
металла зтв СоеДинений выСоКопрочных Сталей
С СоДержанием УглероДа 0,55...0,65 %,
выполненных ДУговой СварКой
А. А. ГАЙВОРОНСКИЙ, В. Д. ПОЗНЯКОВ, Л. И. МАРКАШОВА, Е. Н. БЕРДНИКОВА, В. А. ЯЩУК
иЭС им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
С помощью методов моделирования исследовано влияние структурно-фазового состава и диффузионного водорода на
сопротивляемость хрупкому разрушению металла зоны термического влияния высокопрочной стали с содержанием
углерода 0,55...0,65 %. показано, что для достижения сравнительно высокой сопротивляемости соединений развитию
трещин необходимо обеспечить в металле зоны термического влияния формирование бейнитно-мартенситной структу-
ры, в которой отсутствует верхний бейнит, а объемная доля мартенсита не превышает доли нижнего бейнита. при на-
сыщении металла зоны термического влияния водородом, который диффундирует из наплавленного металла в процессе
дуговой сварки или наплавки, склонность к хрупкому разрушению резко увеличивается. Для уменьшения охрупчивания
металла необходимо применять специальные способы сварки, при которых насыщение водородом минимально (менее
0,2 мл/100 г), или специальные технологические приемы, позволяющие повысить пластические свойства металла зоны
термического влияния. Библиогр. 14, табл. 1, рис. 10.
К л ю ч е в ы е с л о в а : высокопрочная углеродистая сталь, дуговая сварка, ЗТВ, структура, диффузионный водород,
хрупкое разрушение, излом
одним из главных факторов, определяющих уро-
вень сопротивляемости сварных соединений вы-
сокопрочных сталей хрупкому разрушению, явля-
ется структурное состояние стали и металла зоны
термического влияния (зтв), которое формирует-
ся в процессе термодеформационного цикла свар-
ки (тДЦС). в значительной мере это состояние за-
висит от содержания углерода в стали и скорости
охлаждения металла зтв сварного соединения [1,
2]. известно также, что на охрупчивание металла
существенно влияет диффузионный водород. Ска-
пливаясь в несплошностях структуры, он способ-
ствует повышению локальных напряжений и, как
следствие, сопротивляемость металла хрупкому
разрушению снижается. С повышением содер-
жания углерода в стали влияние водорода усили-
вается, что приводит к более резкому снижению
пластических свойств металла, в результате чего
процессы зарождения и развития трещин интен-
сифицируются [3–5].
при дуговой сварке и наплавке высокопроч-
ных сталей, содержание углерода в которых со-
ставляет более 0,50 %, в участке перегрева зтв
формируется закаленная бейнитно-мартенситная
структура с повышенной плотностью дислокаций.
временное сопротивление разрыву такого ме-
талла составляет более 1060 мпа, а относитель-
ное удлинение не превышает 9,3 % [6, 7]. мож-
но предположить, что при сварке высокопрочных
углеродистых сталей даже незначительные ло-
кальные концентрации водорода будут приводить
к существенным изменениям сопротивляемости
металла зтв хрупкому разрушению.
Целью данной работы было определение вли-
яния структурно-фазового состава и диффузи-
онного водорода на сопротивляемость хрупкому
разрушению метала зтв сварных соединений вы-
сокопрочных углеродистых сталей.
в качестве материала для исследований ис-
пользовали высокопрочные углеродистые ста-
ли следующих составов, мас. %: колесная сталь
марки 2 (ДСтУ гоСт 10791) — 0,58 С; 0,44 Si;
0,77 Mn; 0,10 Ni; 0,05 Cr; 0,012 S; 0,011 P; угле-
родистая конструкционная сталь 65г (гоСт
1050) — 0,65 С; 0,19 Si; 0,91 Mn; 0,18 Ni; 0,16 Cr;
0,017 S; 0,010 P.
Методы исследований. оценку сопротивля-
емости металла хрупкому разрушению выполня-
ли согласно стандартному методу испытаний при
трехточечном изгибе [8–10]. применяли образцы
из исследуемых сталей размером 100×20×10 мм
с надрезом по центру глубиной 7 мм, в вершине
которого предварительно, путем циклического на-
гружения изгибом (напряжение цикла 120 мпа,
частота 35 гц), была выращена усталостная тре-
щина длиной 3 мм. Скорость нагружения образца
при статическом изгибе составляла 1 мм в мину-
ту. за критерий оценки сопротивляемости метал-
ла хрупкому разрушению принимали критический
коэффициент интенсивности напряжений К1С.
© а. а. гайворонский, в. Д. позняков, л. и. маркашова, е. н. Бердникова, в. а. ящук, 2016
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
4 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
Для оценки сопротивляемости хрупкому разру-
шению металла зтв использовали аналогичный
по размерам образец, который обрабатывали по
тДЦС, после чего в нем выращивали усталостную
трещину. Для моделирования тДЦС жестко закре-
пленные образцы нагревали проходящим током до
температуры 1250 °С (скорость нагрева 150 °С/с),
а затем охлаждали по заданному циклу. Скорость
охлаждения образцов (w6/5) в интервале темпера-
тур 600…500 °С выбирали из условий формирова-
ния характерных структур в металле зтв сварных
соединений. Для колесной стали марки 2 скорость
охлаждения равна 6 °С/с, когда в участке перегре-
ва металла зтв формируется структура бейнита,
13,5 °С/с — бейнитно-мартенситная структура и
20 °С/с — мартенситно-бейнитная структура. ис-
следования на стали 65г выполняли при скорости
охлаждения 6 и 13,5 °С/с, когда формируются со-
ответственно бейнитно-мартенситная и мартен-
ситная структуры.
насыщение диффузионным водородом [н]диф
образцов с усталостной трещиной выполняли элек-
тролитическим способом (плотность тока 10 а/см2)
непосредственно перед их статическим нагру-
жением. Для этого использовали электролитиче-
ский раствор серной кислоты H2SO4 в дистилли-
рованной воде с добавлением тиосульфата натрия
Na2S2O2 в соотношении 0,05 грамм на 1 литр. Ко-
личество [н]диф изменяли в пределах 0,2…1,5 мл
на 100 грамм металла за счет времени пребывания
образцов в электролитическом растворе. при этом
руководствовались данными работы [11], где показа-
но, что содержание диффузионного водорода в зтв
может достигать 1,5 мл/100 г при его исходном ко-
личестве в наплавленном металле до 10 мл/100 г.
Структуру металла зтв изучали методами оп-
тической металлографии. изломы образцов по-
сле испытаний исследовали методами растровой
электронной микроскопии на сканирующем ми-
кроскопе СЭм-515 фирмы «Philips», оснащенно-
го энергодисперсионным спектрометром системы
«LINK».
Результаты исследований и их обсуждение.
на начальном этапе исследований с использова-
нием подходов и критериев механики разрушения
было определено влияние структурного состояния
стали на критический коэффициент интенсивно-
сти напряжений. обобщенные результаты испыта-
ний, которые выполняли при температуре 20 °С,
представлены на рис. 1. Как видно из приведен-
ных данных, сопротивляемость хрупкому разру-
шению стали в исходном состоянии существенно
зависит от ее структуры и содержания углерода.
Для стали 65г критический коэффициент интен-
сивности напряжений примерно в 1,4 раза выше,
чем для колесной стали марки 2 (соответствен-
но 72 и 52 мпа√м). Эта разница, вероятнее все-
го, связана с особенностями фазового состава
металла и параметрами структуры. металлогра-
фические исследования показали, что структу-
ра колесной стали марки 2 представлена перлит-
но-ферритной смесью (рис. 2, а) с размером зерна
16…32 мкм. микротвердость структурных со-
ставляющих находится в пределах НV0,1 —
1990…2450 мпа, а общая интегральная твер-
дость металла составляет НV10 — 2300 мпа. по
границам зерен располагаются ферритные отороч-
ки шириной 5…10 мкм. Структура конструкцион-
ной стали 65г в состоянии поставки представле-
на преимущественно бейнитом (рис. 2, б), размер
зерна 16…24 мкм, микротвердость структурных
составляющих 2570…2730 мпа, интегральная
твердость металла 2760 мпа.
Как видно, высокоуглеродистая сталь с бейнит-
ной структурой имеет более высокую сопротивля-
емость хрупкому разрушению при трехточечном
изгибе, чем с перлитно-ферритной структурой.
Следует также отметить, что аналогичные резуль-
таты были получены авторами работы [12] при ис-
рис. 1. Сопротивляемость хрупкому разрушению металла
зтв стали 65г (1) и колесной стали марки 2 (2)
рис. 2. микроструктура колесной стали марки 2 (а, ×500) и
стали 65г (б, ×200) в исходном состоянии
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
5 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
пытаниях высокоуглеродистой стали в условиях
циклического нагружения.
Дальнейшие исследования показали, что
структурные изменения в металле, которые про-
исходят под воздействием термодеформацион-
ного цикла сварки, также существенно влияют
на его сопротивляемость хрупкому разрушению.
при этом определяющее влияние оказывает со-
держание углерода в стали. на рис. 3 приведены
диаграммы превращения переохлажденного ау-
стенита в металле зтв исследуемых сталей, а на
рис. 4 — характерная микроструктура металла
[13, 14]. проанализируем эти данные в сравнении
с изменениями показателей К1С.
в условиях сварки, когда скорость охлаждения
w6/5 составляет 6 °С/с, в металле зтв колесной
стали марки 2 (0,58 % С) формируется структу-
ра верхнего бейнита (рис. 3, а) с большим раз-
мером зерна (63…94 мкм) и микротвердостью
2640...3090 мпа (рис. 4, а). интегральная твер-
дость металла с такой структурой составляет
3140 мпа. известно, что верхний бейнит, форми-
рующийся по диффузионному механизму, в отли-
чие от других структур металла, имеет более низ-
кую пластичность [1]. поэтому сопротивляемость
такого металла хрупкому разрушению резко сни-
жается. Это подтверждают результаты испытаний
образцов с трещиной на трехточечный изгиб. они
показали, что по сравнению со сталью в исходном
состоянии показатель К1С для металла зтв снижа-
ется в 2,3 раза (с 52 до 23 мпа√м — рис. 1, кри-
вая 2).
при скорости охлаждения 13,5 °С/с в металле
зтв колесной стали марки 2 формируется бейнит-
но-мартенситная структура с микротвердостью
3340...4320 мпа, в которой преобладает ниж-
ний бейнит (80 %) (рис. 4, б). такие изменения в
структуре, по сравнению с металлом со структу-
рой верхнего бейнита, способствовали тому, что
его сопротивляемость хрупкому разрушению по-
высилась на 22 % (до 28 мпа√м).
при 20 °С/с в участке перегрева металла
зтв формируется структура примерно с рав-
ным количеством мартенсита и нижнего бейни-
та (соответственно 46 и 54 %). микротвердость
структурных составляющих металла повыша-
ется до 3780...4560 мпа (интегральная твер-
рис. 3. Диаграмма превращения переохлажденного аустенита
в металле зтв колесной стали марки 2 (а) и стали 65г (б) при
дуговой сварке (Тmax = 1250 °С, tнагр = 6 с) [13, 14]
рис. 4. микроструктура (×500) металла в участке перегрева зтв колесной стали марки 2: а — 6; б — 13,5; в — 20 °С/с
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
6 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
дость 3920 мпа), а размер зерна уменьшается до
32…47,5 мкм (рис. 4, в). С такой структурой пока-
затель К1С наибольший и составляет 35 мпа√м.
но даже при таких условиях, по сравнению с ис-
ходным состоянием колесной стали, сопротивля-
емость металла зтв хрупкому разрушению при-
мерно в 1,5 раза ниже.
в отличие от колесной стали марки 2, в стали
65г (0,65 % С) при скорости охлаждения w6/5 = 6 °С/с
формируется бейнитно-мартенситная структура,
которая содержит 70 % нижнего бейнита и 30 %
мартенсита (рис. 3, б). микротвердость нижнего
бейнита составляет 3220...3800 мпа, а мартенси-
та 5600...6130 мпа, размер зерна изменяется от 63
до 94 мкм (рис. 5, а). Как показали механические
испытания, показатель К1С металла зтв с бейнит-
но-мартенситной структуры понижается по отно-
шению к исходному состоянию стали на 28 % (с
72 до 52 мпа·√м — рис. 1, кривая 1).
при повышении скорости охлаждения до
13,5 °С/с в металле образуется в основном мар-
тенситная структура (98 %) с микротвердостью
более 6130 мпа (рис. 5, б). при данной скорости
охлаждения нижний бейнит (2 %) локально рас-
пределен на границах зерен. размер зерна при
этом существенно не изменился. при образова-
нии преимущественно мартенситной структуры
(w6/5 = 13,5 °С/с) показатель К1С резко снижается
до 23 мпа√м. по сравнению с исходным состоя-
нием стали, сопротивляемость металла зтв хруп-
кому разрушению при данной скорости охлажде-
ния примерно в 3,1 раза ниже.
Сравнивая приведенные результаты испытаний
можно констатировать, что для повышения сопро-
тивляемости хрупкому разрушению металла зтв
высокопрочной стали при содержании углерода
0,55...0,65 % необходимо обеспечить условия, когда
в нем будет сформирована структура, состоящая из
нижнего бейнита и мартенсита. при этом объемная
доля мартенсита не должна превышать 50 %. при
формировании в зтв преобладающей структуры
верхнего бейнита или мартенсита склонность метал-
ла к хрупкому разрушению резко возрастает.
Существенное влияние на сопротивляемость
высокоуглеродистой стали хрупкому разруше-
нию оказывает диффузионный водород. при на-
сыщении образцов сталей в исходном состоянии
водородом величина К1С уменьшается (рис. 6).
Степень снижения показателя К1С зависит от со-
держания углерода в стали. Для колесной стали
марки 2 с содержанием углерода 0,58 % наличие
в металле водорода на уровне 0,2 мл/100 г приво-
дит к снижению К1С на 23 % (с 52 до 40 мпа√м
— кривая 2). при увеличении концентрации водо-
рода до 1,5 мл/100 г коэффициент интенсивности
напряжений понижается до 30 мпа√м. таким об-
разом, сопротивляемость колесной стали разви-
тию трещины, при наличии диффузионного водо-
рода в металле, снижается примерно в 1,7 раза.
Более резкое охрупчивание при наличии во-
дорода происходит в стали, в которой содержа-
ние углерода составляет 0,65 %. при минималь-
ном насыщении стали 65г водородом показатель
К1С снижается на 42 % (с 72 до 42 мпа√м — кри-
вая 1), а при максимальном его содержании в 2,1
раза (до 35 мпа√м).
рис. 5. микроструктура (×500) металла в участке перегрева
зтв стали 65г: а — 6; б — 13,5 °С/с
рис. 6. влияние водорода на сопротивляемость хрупкому раз-
рушению стали 65г (1) и колесной стали марки 2 (2)
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
7 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
при наличии диффузионного водорода в ме-
талле зтв исследуемых сталей его сопротивля-
емость хрупкому разрушению также снижается
(рис. 7). Уровень этого снижения зависит от со-
держания углерода, которое определяет степень
закалки металла под действием тДЦС. Более рез-
кие изменения свойств характерны для металла
зтв стали 65г. наличие в нем водорода на уров-
не 0,2 мл/100 г приводит к снижению показателя
К1С в 2,4…3,2 раза (рис. 7, а). Для металла зтв
колесной стали — в 1,1…1,2 раза (рис. 7, б). при
последующем увеличении в металле [н]диф до
1,5 мл/100 г показатель К1С для металла зтв ста-
ли 65г постепенно понижается до двух раз, и на
40 % для колесной стали марки 2. таким обра-
зом, наличие водорода в структуре приводит к об-
щему снижению сопротивляемости металла зтв
хрупкому разрушению в 6,5 раз для стали 65г
(соответственно 52 и 8 мпа·√м при w6/5 = 6 °С/с
— рис. 7, а, кривая 1), и в 1,5 раза для колесной
стали марки 2 (35 и 23 мпа·√м при 20 °С/с —
рис. 7, б, кривая 3).
Как показали фрактографические исследова-
ния, под воздействием термодеформационного
цикла сварки и при наличии диффузионного водо-
рода изменяются не только значения К1С, но и ха-
рактер разрушения образцов. на поверхности из-
ломов образцов наблюдаются характерные зоны
разрушения (рис. 8): зона I — участок зарождения
и развития трещины усталости, образовавшейся
в результате циклического нагружения изгибом,
зона II — участок развития магистральной трещи-
ны и участок долома (зона III) при трехточечном
изгибе. характерные изломы образцов металла
зтв, которые не насыщились водородом, приве-
дены на рис. 9.
зарождение трещины усталости в металле
зтв высокоуглеродистой стали, не зависимо от
его структурного состояния, происходит хрупко
по границам зерен (рис. 9, а). развитие трещины
усталости проходит также хрупко, но преимуще-
ственно по телу зерен (рис. 9, б). отличительные
особенности развития трещин усталости в зависи-
мости от состава стали и структурного состояния
металла следующие. в металле зтв колесной ста-
ли со структурой верхнего бейнита (w6/5 = 6 °С/с)
размер фасеток хрупкого излома составляет
30…100 мкм, а с бейнитно-мартенситной струк-
турой (13,5 °С/с) 30…70 мкм. Для этой зоны раз-
рушения характерно наличие вторичных трещин
по границам зерен. причем в колесной стали мар-
ки 2 со структурой верхнего бейнита эти трещины
имеют размер 50…100 мкм, а при формировании
в зтв структуры нижнего бейнита и мартенсита
их протяженность уменьшается до 60 мкм. анало-
гичные размеры фасеток наблюдались и на изло-
мах образцов стали 65г. однако длина вторичных
трещин в ней увеличивается до 200 мкм.
в зоне магистрального развития трещины в ме-
талле зтв колесной стали излом хрупкий внутри-
зеренный (хвз), соответствует структуре приве-
денной на рис. 9, в, г. при скорости охлаждения
6 °С/с имеют место вторичные трещины длиной
до Lвт = 40 мкм, а при 13,5 °С/с их длина не пре-
вышает 5 мкм. в металле зтв стали 65г тре-
щина развивается также хрупко, но разрушение
идет как по границам (хмз), так и по телу зе-
рен (хвз). протяженность в нем вторичных тре-
щин увеличивается до 60 мкм (рис. 9, д, е). в зоне
долома разрушение происходит вязко для всех
образцов.
рис. 7. влияние скорости охлаждения и диффузионного во-
дорода на сопротивляемость металла зтв стали 65г (а) и ко-
лесной стали марки 2 (б) хрупкому разрушению: 1, 5 — w6/5 =
= 6; 2, 4 — 13,5; 3 — 20 °С/с
рис. 8. зоны излома образца после испытаний: I — трещи-
на усталости; II — магистральная трещина; III — участок
долома
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
8 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
при наличии водорода в металле зтв увеличи-
вается доля хмз в изломе при развитии трещин.
обобщенные результаты исследований изломов
приведены в таблице, а на рис. 10 характерные из-
ломы наводороженных образцов.
анализ приведенных данных показывает, что
при насыщении металла зтв высокопрочных
углеродистых сталей диффузионным водородом
доля хмз в изломах существенно повышается.
особенно резкие изменения структуры излома
рис. 9. характерный излом металла зтв колесной стали марки 2 (а–г) и стали 65г (д, е) при отсутствии диффузионного во-
дорода (×1010): а, б — зона І (а — 6, б — 13,5 °С/с); в, г — зона ІІ (в — 6, г — 13,5 °С/с); д, е — зона ІІ (д — 6, е — 13,5 °С/с)
рис. 10. излом при развитии магистральной трещины (зона ІІ) в металле зтв стали 65г (13,5 °С/с) при наличии водорода
(×1010): а — 0,2 мл/100 г; б — 0,5 мл/100 г
Характер излома металла ЗТВ в зоне магистрального развития трещины
[н]диф,
мл/100 г
Колесная сталь марки 2 Сталь 65г
6 оС/с 13,5 оС/с 6 оС/с 13,5 оС/с
хвз,%
Lвт, мкм
хмз,%
Lвт, мкм
хвз,%
Lвт, мкм
хмз,%
Lвт, мкм
хвз,%
Lвт, мкм
хмз,%
Lвт, мкм
хвз,%
Lвт, мкм
хмз,%
Lвт, мкм
0 100/40 - 100/5 - 95/30 5/30 80/60 20/60
0,2 80/100 20/100 70/40 30/40 50/150 50/150 30/220 70/220
0,5 70/120 30/120 65/60 35/60 40/170 60/170 20/250 80/250
НАУ НО-ТЕ НИ ЕСКИ РАЗДЕЛ
9 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА
характерны для стали 65г. при скорости охлаж-
дения w6/5 = 6 °С/с, когда в металле зтв форми-
руется бейнитно-мартенситная структура (70/30),
присутствие водорода на уровне 0,2 мл/100 г, при-
водит к увеличению доли хмз до 50 %. при этом
показатель К1С понижается в 3,2 раза. повышение
доли хмз в изломе при наличии водорода харак-
терно также и для металла зтв колесной стали
марки 2. однако вследствие формирования более
пластичных структур сопротивляемость хрупкому
разрушению снижается всего на 20 %. при этом
с повышением содержания водорода протяжен-
ность вторичных трещин в изломе образцов ме-
талла зтв колесной стали марки 2 увеличивается
в 3 раза, в стали 65г — более чем в 3,5…6 раз.
проведенные исследования показали, что при
сварке и наплавке высокопрочных углеродистых
сталей для обеспечения сравнительно высокой со-
противляемости металла зтв хрупкому разруше-
нию необходимо выполнить два главных условия.
во-первых, в металле зтв должна быть сформиро-
вана бейнитно-мартенситная структура с объемной
долей мартенсита не более 50 %. а во-вторых, кон-
центрация диффузионного водорода в наплавленном
металле должна быть не более 1,5 мл/100 г (соот-
ветственно насыщение металла зтв водородом на
уровне 0,2 мл/100 г). С увеличением содержания
углерода влияние диффузионного водорода на ох-
рупчивание металла зтв возрастает.
Выводы
1. Сопротивляемость хрупкому разрушению вы-
сокопрочных сталей с содержанием углерода
0,55...0,65 % существенно зависит от ее структур-
ного состояния и содержания углерода. Сопро-
тивляемость развитию трещин стали с бейнитной
структурой в 1,4 раза выше, чем стали с перлит-
но-ферритной структурой.
2. при насыщении колесной стали марки 2
(0,58 % С) водородом в количестве 1,5 мл/100 г кри-
тический коэффициент интенсивности напряжений
при развитии трещины снижается в 1,7 раза. Сопро-
тивляемость хрупкому разрушению стали с содер-
жанием углерода 0,65 % при аналогичном количе-
стве водорода понижается в 2,1 раза.
3. в процессе сварки соединений высокопроч-
ных углеродистых сталей в участке перегрева зтв
формируется закаленная структура, фазовый со-
став которой зависит от содержания углерода в
металле и скорости его охлаждения. Для дости-
жения сравнительно высокой сопротивляемости
соединений развитию трещин необходимо обе-
спечить в металле зтв формирование бейнит-
но-мартенситной структуры, в которой отсутству-
ет верхний бейнит, а объемная доля мартенсита не
превышает доли нижнего бейнита.
4. водород, диффундирующий из наплавленно-
го металла, способствует резкому охрупчиванию
металла зтв высокопрочных углеродистых ста-
лей. Для повышения сопротивляемости хрупкому
разрушению металла зтв необходимо применять
способы сварки, при которых в наплавленном ме-
талле содержание [н]диф ≤ 1,5 мл/100 г, или специ-
альные технологические приемы, позволяющие
удалить диффузионный водород из металла зтв.
1. шоршоров м. х. металловедение сварки стали и спла-
вов титана / м. х. шоршоров. – м.: наука, 1965. – 336 с.
2. грабин в. Ф.металловедение сварки низко- и среднеле-
гированных сталей / в. Ф. грабин, а. в. Денисенко. – К.:
наукова думка, 1978. – 272 с.
3. Касаткин о. г. особенности водородного охрупчивания
высокопрочных сталей при сварке / о. г. Касаткин // ав-
томатическая сварка. – 1994. – № 1. – С. 3–7.
4. Дислокационная модель водородной локализации пла-
стичности металлов с оЦК решеткой / а. в. игнатенко,
и. К. походня, а. п. пальцевич [и др.] // автоматическая
сварка. – 2012. – № 3. – С. 22–27.
5. гайворонский а. а. влияние диффузионного водорода
на сопротивляемость замедленному разрушению свар-
ных соединений высокоуглеродистой стали / а. а. гай-
воронский // автоматическая сварка. – 2013. – № 5. –
С. 15–21.
6. влияние технологических факторов на структуру и свой-
ства металла зтв при ремонтно-восстановительной на-
плавке гребней цельнокатаных вагонных колес / в. а.
Саржевский, а. а. гайворонский, в. г. гордонный [и др.]
// автоматическая сварка. – 1996. – № 3. – С. 22–27, 33.
7. влияние состава наплавленного металла на структуру и
механические свойства восстановленных железнодорож-
ных колес / а. а. гайворонский, в. Д. позняков, л. и.
маркашова [и др.] // автоматическая сварка. – 2012. –
№ 8. – С. 18–24.
8. новые методы оценки сопротивляемости металлов хруп-
кому разрушению; под ред. ю. н. роботнова. – м.: мир,
1972. – 439 с.
9. шоршоров м. х. испытания металлов на свариваемость
/ м. х. шоршоров, т. а. чернышова, а. и. Красовский. –
м.: металлургия, 1972. – 240 с.
10. гоСт 25.506. методы механических испытаний ме-
таллов. определение характеристик трещиностойкости
(вязкости разрушения) при статическом нагружении.
11. махненко в. и. влияние микроструктурных изменений
на перераспределение водорода при сварке плавлением
конструкционных сталей / в. и. махненко, т. в. Коро-
лева, и. г. лавринец // автоматическая сварка. – 2002.
– № 2. – С. 7–13.
12. Influence of the mode of thermal treatment and load ratio
on the cyclic crack-growth resistance of wheel steels / O. P.
Ostash, I. M. Andreiko, V. V. Kulyk [et al.] // Materials
Science. – 2009. – 45, № 2. – P. 211–219.
13. Структурные изменения в участке перегрева металла
зтв колесной стали при дуговой наплавке / а. а. гайво-
ронский, в. в. жуков, в. г. васильев [и др.] // автомати-
ческая сварка. – 2014. – № 1. – С. 17–23.
14. гайворонский а. а. Свариваемость высокопрочной угле-
родистой стали 65г / а. а. гайворонский, в. в. жуков,
а. С. шишкевич // Сварка и диагностика. – 2014. – № 5.
– С. 50–54.
поступила в редакцию 06.04.2016
|