Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)

Изучено влияние термических циклов сварки на изменение структуры и механических свойств металла ЗТВ сварных соединений стали C390 (S355 J2). Установлен диапазон допускаемых скоростей охлаждения металла ЗТВ в температурном интервале 600…500°С и выбраны сварочные материалы, обеспечивающие свойства сва...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Автоматическая сварка
Date:2012
Main Authors: Позняков, В.Д., Жданов, С.Л., Максименко, А.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2012
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101258
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2) / В.Д. Позняков, С.Л. Жданов, А.А. Максименко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 7-11. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859866999333584896
author Позняков, В.Д.
Жданов, С.Л.
Максименко, А.А.
author_facet Позняков, В.Д.
Жданов, С.Л.
Максименко, А.А.
citation_txt Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2) / В.Д. Позняков, С.Л. Жданов, А.А. Максименко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 7-11. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Автоматическая сварка
description Изучено влияние термических циклов сварки на изменение структуры и механических свойств металла ЗТВ сварных соединений стали C390 (S355 J2). Установлен диапазон допускаемых скоростей охлаждения металла ЗТВ в температурном интервале 600…500°С и выбраны сварочные материалы, обеспечивающие свойства сварных соединений на уровне требований к основному металлу, а также высокую их сопротивляемость образованию холодных трещин Influence of thermal cycles of welding on the change of structure and mechanical properties of HAZ metal of welded joints on C390 (S355 J2) steel was studied. The range of admissible rates of HAZ metal cooling in the temperature range of 600...500 оC was established, and welding consumables were selected which ensure welded joint properties on the level of requirements to base metal, as well as their high resistance to cold cracking.
first_indexed 2025-12-07T15:49:26Z
format Article
fulltext УДК 621.791.75.052:669.14.018.295 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ СТАЛИ C390 (S355 J2) В. Д. ПОЗНЯКОВ, д-р техн. наук, С. Л. ЖДАНОВ, канд. техн. наук, А. А. МАКСИМЕНКО, инж. (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Изучено влияние термических циклов сварки на изменение структуры и механических свойств металла ЗТВ сварных соединений стали C390 (S355 J2). Установлен диапазон допускаемых скоростей охлаждения металла ЗТВ в тем- пературном интервале 600…500°С и выбраны сварочные материалы, обеспечивающие свойства сварных соединений на уровне требований к основному металлу, а также высокую их сопротивляемость образованию холодных трещин. К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, высокопрочная сталь, строительные металлоконструкции, термический цикл сварки, структура, механические свойства, скорость охлаждения, холодные трещины, диффузионный водород В последние годы в Украине для изготовления строительных сварных металлоконструкций все более широкое применение находит высокопроч- ная сталь C390 (S355 J2) с пределом текучести более 390 МПа. Отечественными металлургичес- кими комбинатами освоен выпуск проката из этой стали в листах толщиной 16…100 мм. В соответ- ствии с ЕN 10025-2:2004 она может поставляться как в нормализированном состоянии, так и после контролируемой прокатки. Сталь имеет следующий химический состав, мас. %: 0,14…0,17 C; 1,42…1,45 Mn; 0,18…0,25 Si; 0,06…0,09 Cr; 0,22…0,24 Ni; ≤ 0,06 Сu; 0,003…0,005 S; 0,013…0,019 P. Меха- нические свойства этой стали характеризуются следующими показателями: σт = 370…420 МПа; σв = 530…570 МПа; δ5 = 28…32 %; ψ = 52…68 %, KCV–20 = 110…210 Дж/см2. В отечественной литературе сведений о фор- мировании структуры и свойствах сварных сое- динений стали C390 в условиях дуговой сварки не имеется, что и явилось предметом исследова- ний, изложенных в настоящей статье. Было изучено влияние термических циклов сварки (ТЦС) на структуру и механические свойс- тва металла ЗТВ сварных соединений стали C390, выполнена оценка их сопротивляемости образо- ванию холодных трещин в зависимости от жес- ткости закрепления и содержания диффузионного водорода в наплавленном металле, определены механические свойства соединений, выполненных ручной дуговой и механизированной сваркой в защитном газе. Для оценки влияния ТЦС на изменение мик- роструктуры и ударной вязкости металла ЗТВ сварных соединений использовали метод валико- вых проб. Наплавку валиков на пластины разме- ром 600×400×20 мм осуществляли автоматичес- кой сваркой под флюсом АН-60 проволокой Св- 10НМА на режимах, обеспечивающих погонную энергию сварки Qсв = 16...54 кДж/см. При этом скорость охлаждения металла ЗТВ в темпера- турном интервале 600…500 °С (w6/5) изменяли от 3 до 50 °С/с. Образцы для анализа структуры, измерения твердости и испытаний на ударный из- гиб металла ЗТВ с острым (V-образным) надрезом вырезали в поперечном направлении по отноше- нию к оси наплавки. Согласно ГОСТ 13585–68 надрезы располагали таким образом, что их вер- шины находились на границе сплавления в учас- тке перегрева металла ЗТВ и на расстоянии 1,5 мм от границы сплавления (участок неполной перек- ристаллизации). Данные о влиянии ТЦС на прочность и плас- тичность металла ЗТВ стали C390 были получены по результатам механических испытаний на ста- тическое растяжение стандартных образцов (тип II по ГОСТ 6996–66). Они изготавливались из мо- дельных образцов размерами 150×13×13 мм, кото- рые в соответствии с ТЦС подвергали нагреву до температуры 1250 °С (скорость нагрева 150 °С/с), а затем охлаждали с разными скоростями. Условия остывания модельных образцов были подобраны таким образом, чтобы в температурном интервале 600…500 °С обеспечить скорость их охлаждения в диапазоне от 20 до 3 °С/с. В ходе металлографических исследований ус- тановлено, что в исходном состоянии сталь ха- рактеризуется тонкодисперсной строчечной фер- ритно-перлитной структурой, в которой по всему объему аустенитного зерна равномерно распре- делены выделения структурно-свободного ферри- та (рис. 1, а). Анализ образцов, изготовленных из валиковых проб, показал, что в зависимости от скорости охлаждения сварных соединений ста- ли S355 J2 структура и твердость металла ЗТВ может существенно изменяться. Основными сос- тавляющими структуры металла на участке пе- регрева металла ЗТВ соединений, которые охлаж- © В. Д. Позняков, С. Л. Жданов, А. А. Максименко, 2012 8/2012 7 дались со скоростью w6/5 = 3 °С/с, являются до- эвтектоидный (по границам зерен) и неравноос- ный (внутри зерен) феррит, а также небольшое количество бейнита пластинчатой и глобулярной морфологии (рис. 1, б). По мере увеличения ско- рости охлаждения сварных соединений от 3 до 50 °С/с количество доэвтектоидного и неравно- осного феррита в структуре уменьшается, а доля бейнита и дисперсность всех структурных сос- тавляющих увеличивается. Это обусловливает по- вышение твердости металла ЗТВ от НV 150 до НV 220 (рис. 2). Как показали результаты испытаний образцов на статический разрыв, структурные изменения в металле ЗТВ, произошедшие под воздействием термических циклов сварки, оказывают влияние на его прочность и пластичность (рис. 3). При увеличении скорости охлаждения w6/5 от 3 до 20 °С/с предел текучести металла на участке пе- регрева ЗТВ повышается по сравнению с исход- ным состоянием от 410 до 550 МПа, а предел прочности от 555 до 725 МПа. В то же время показатели его пластичности (относительное уд- линение и относительное сужение) снижаются со- ответственно от 30 до 24 и от 75 до 62 %. Под воздействием ТЦС изменяются и пока- затели ударной вязкости металла ЗТВ (рис. 4). Резкое их снижение наблюдается на участке пе- регрева металла ЗТВ при температуре испытаний –40 °С (независимо от погонной энергии сварки), а при температуре испытаний 20 и –20 °С в том случае, когда скорость охлаждения w6/5 находится ниже 20 °С/с. Однако несмотря на это, ударная вязкость металла ЗТВ сварных соединений стали С390 остается на уровне требований, предъявля- емых к основному металлу (КСV–20 ≥ 34 Дж/см2). Рис. 1. Микроструктуры (×320) ста- ли C390 (а) и участка перегрева ме- талла ЗТВ сварных соединений при скорости охлаждения w6/5, равной 3 (б), 10 (в), 20 (г) и 50 °С/с (д) Рис. 2. Зависимость твердости металла ЗТВ от скорости ох- лаждения сварных соединений Рис. 3. Зависимость показателей прочности (а) и пластичнос- ти (б) на участке перегрева металла ЗТВ от скорости охлаж- дения модельных образцов 8 8/2012 С увеличением скорости охлаждения до 20 °С/с показатели хладостойкости металла ЗТВ на дан- ном участке сварных соединений возрастают и приближаются к значениям ударной вязкости, по- лученным при испытании образцов, изготовлен- ных из основного металла (рис. 4, w6/5 = = 0 °С/с). Ударная вязкость металла ЗТВ на участке не- полной перекристаллизации независимо от погон- ной энергии сварки сохраняется на уровне ос- новного металла, а в диапазоне скоростей охлаж- дения 10…20 °С/с даже выше этих значений (рис. 4, кривая 4). Склонность стали C390 к замедленному разру- шению в зависимости от содержания диффузион- ного водорода в наплавленном металле оценивали по методу Имплант [1]. Сопротивляемость обра- зованию холодных трещин сварных соединений изучали по результатам испытания жесткозакреп- ленных на массивной плите стыковых соединений шириной 100 и 200 мм [2], а также технологических проб «жесткий тавр» [3]. Содержание диффузион- ного водорода [H]диф в наплавленном металле оп- ределяли методом карандашных проб с использо- ванием в качестве запирающей жидкости смеси гли- церина с дистиллированной водой. При испытании по методу Имплант исполь- зовали образцы-вставки диаметром 6 мм, изго- товленные из стали C390 толщиной 100 мм и вы- резанные вдоль оси Z, с концентратором напря- жений в виде винтового надреза. Сварку образцов, установленных в отверстиях закрепленной в ис- пытательной установке базовой пластины толщи- ной 20 мм, выполняли электродами УОНИ-13/55 на режиме Iсв = 160 А, Uд = 25 В, vсв = 9,5 м/ч. Скорость охлаждения металла ЗТВ варьировали путем изменения исходной температуры базовой пластины (использовали предварительный подог- рев), а также регулированием погонной энергии сварки. Концентрацию диффузионного водорода в наплавленном металле изменяли с помощью электродов с различной влажностью покрытия. Нагружение образцов начинали при достижении после сварки температуры 150…100 °С. За по- казатель сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин принимали кри- тическое напряжение σкр, при котором образец не разрушался на протяжении 24 ч. Технологические пробы из стали C390 толщи- ной 20 мм выполняли ручной дуговой сваркой электродами УОНИ-13/55 диаметром 4 мм, а так- же механизированной сваркой в CO2 проволокой сплошного сечения Св-08Г2С и порошковой про- волокой Megafil 821R диаметром 1,2 мм. Сварку осуществляли на режимах, обеспечивающих погон- ную энергию 11,0…12,5 (ручная дуговая сварка) и 14…17 кДж/см (механизированная сварка). Тем- пературу предварительного подогрева проб Tп.п варьировали от 20 до 90 °С, а содержание диф- фузионного водорода в наплавленном металле — от 1,0 до 5,3 мл/100 г. По результатам испытаний образцов Имплант (рис. 5) установлено, что при малых концентрациях диффузионного водорода ([Н]диф = 1,7 мл/100 г) сталь C390 имеет низкую склонность к замедлен- ному разрушению даже при сварке без предвари- тельного подогрева (σкр ≈ 275 МПа ≈ 0,7σт стали). Увеличение количества диффузионного водорода в наплавленном металле до 3,8 мл/100 г при анало- гичных условиях сварки повышает вероятность образования холодных трещин в металле ЗТВ сварных соединений из данной стали (σкр образ- цов не превышают 180 МПа ≈ 0,45σт стали). Уменьшить риск образования трещин в образцах при данной концентрации водорода возможно за счет предварительного их подогрева до темпера- туры 90 °С (рис. 5, кривая 3). Данные, полученные по результатам испыта- ний образцов Имплант, хорошо согласуются с ре- зультатами исследований технологических проб. Испытания последних показали, что в том случае, когда содержание диффузионного водорода в нап- лавленном металле не превышает 3 мл/100 г об- разование холодных трещин в технологических Рис. 4. Влияние скорости охлаждения на ударную вязкость участка перегрева (1–3) и неполной перекристаллизации (4) металла ЗТВ при температуре испытаний 20 (1), –20 (2, 4) и –40 °С (3) Рис. 5. Влияние диффузионного водорода в наплавленном металле и предварительного подогрева на стойкость стали C390 к замедленному разрушению: 1 — Tп.п = 20; 2 — 60; 3 — 90 °С 8/2012 9 пробах сводится к минимуму даже при сварке без предварительного подогрева, если она выпол- няется при температуре окружающей среды выше 10 °С (табл. 1). С увеличением содержания диффузионного во- дорода в наплавленном металле до 5,3 мл/100 г сварные соединения стали C390 становятся склон- ны к образованию холодных трещин. При сварке без предварительного подогрева трещины в тех- нологических пробах «жесткий тавр» визуально наблюдались на поверхности швов через 2,5, а в жесткозакрепленных стыковых соединениях шириной 100 мм — через 4 ч после формиро- вания соединений. Установлено, что при данной насыщенности швов диффузионным водородом повысить стойкость сварных соединений к обра- зованию холодных трещин можно за счет их пред- варительного подогрева до температуры 60 °С. При таких условиях сварки трещины отсутство- вали как в тавровых, так и в жесткозакрепленных стыковых соединениях. Снизить риск образования холодных трещин в сварных соединениях стали C390 можно за счет уменьшения жесткости их закрепления, что под- тверждают результаты испытания стыковых со- единений шириной 100 и 200 мм. Они показали, что, увеличив базу закрепления b, т. е. ширину соединений, и снизив тем самым в них уровень остаточных напряжений с 350 до 230 МПа, ис- ключить образование холодных трещин в техно- логических пробах удалось даже в том случае, когда содержание [Н]диф в наплавленном металле составляло 5,3 мл/100 г, а сварку осуществляли без предварительного подогрева. С учетом выбранных условий сварки были вы- полнены стыковые соединения стали C390 тол- щиной 16 и 20 мм с V-образной разделкой и тол- щиной 50 мм с Х-образной разделкой кромок (С17 и С25 по ГОСТ 14771–76). Сварку соеди- нений проводили без предварительного подогрева традиционно применяющимися для этого класса сталей электродами УОНИ-13/55 диаметром 4 мм и проволокой Св-08Г2С диаметром 1,2 мм в CO2 и смеси газов (80 % Ar + 20 % CO2), а также порошковой проволокой марки Megafil 821R ди- аметром 1,2 мм в CO2. Режимы сварки обеспе- чивали значения погонной энергии, указанные в табл. 2. Там же приведены результаты механи- ческих испытаний образцов из металла швов на статическое растяжение, из сварных соединений — на статический разрыв и загиб, а также на ударный изгиб. Круглый и острый надрез на об- Та б л и ц а 1. Результаты испытаний технологических проб Тип соединения Способ сварки Сварочный материал Qсв, кДж/см Tп.п, °С [Н]диф, мл/100 г Наличие тре- щин Жесткий тавр МАГ Св-08Г2С 14,0 20 1,0 Нет Megafil 821R 17,0 20 3,0 » ММА УОНИ-13/55 12,5 20 3,0 » 20 5,3 Есть (100 %) 60 5,3 Нет Жесткозакрепленное стыко- вое соединение, b = 100 мм МАГ Св-08Г2С 15,0 20 1,0 » Megafil 821R 15,8 20 3,0 » ММА УОНИ-13/55 14,0 20 3,0 » 20 5,3 Есть (100 %) 60 5,3 Нет Жесткозакрепленное стыко- вое соединение, b = 200 мм УОНИ-13/55 11,0 20 5,3 » Т а б л и ц а 2. Механические свойства металла швов и сварных соединений стали C390 Способ сварки Условие сварки Qсв,кДж/см Металл шва σт, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KСV, Дж/см2, при t, °С 20 –40 –20 МАГ Св-08Г2С, Ar + CO2, δ = 16 мм 14 — — — — 240 90 — Св-08Г2С, Ar + CO2, δ = 50 мм 14 — — — — — 60 — ММА УОНИ-13/55, δ = 20 мм 11 497 596 29 75 166 44 30 МАГ Св-08Г2С, CO2, δ = 20 мм 15 522 601 27,3 71 105 39 24 Megafil 821R, CO2, δ = 20 мм 16 491 605 27,1 62,6 135 61 35 10 8/2012 разцы для ударных испытаний наносили по оси шва и по линии сплавления, а сами испытания проводили при температурах от 20 до –40 °С. Результаты механических испытаний свиде- тельствуют, что показатели прочности и пластич- ности металла швов сварных соединений стали C390, выполненные указанными материалами, со- поставимы с аналогичными характеристиками ос- новного металла и отвечают предъявляемым к ним требованиям. Ударная вязкость металла шва таких соединений также находится на высоком уровне и удовлетворяет требованиям не только отечественных стандартов (KCU–40 ≥ 29 Дж/см2), но и евронорм (KV–20 ≥ 27 Дж или KСV–20 ≥ 34 Дж/см2). Выводы 1. В исходном состоянии сталь C390 характери- зуется тонкодисперсной строчечной ферритно- перлитной структурой, что обеспечивает ей вы- сокую пластичность и ударную вязкость. 2. Под воздействием ТЦС на участке перегрева металла ЗТВ формируется ферритно-бейнитная структура. По мере повышения скорости охлаж- дения w6/5 от 3 до 50 °С/с количество феррита в структуре уменьшается, а доля бейнита и дис- персность всех структурных составляющих уве- личивается. 3. Прочностные показатели металла ЗТВ свар- ных соединений стали C390 по отношению к ос- новному металлу повышаются, а пластичность и ударная вязкость снижаются, но остаются на уров- не требований, предъявляемых к прокату. Наи- более заметное уменьшение показателей ударной вязкости наблюдается при w6/5 < 20 °С/с. 4. Сварные соединения стали C390 отличаются высокой сопротивляемостью образованию холод- ных трещин при условии, если содержание диф- фузионного водорода в наплавленном металле не превышает 3 мл/100 г. 5. Требуемые механические свойства сварных соединений стали C390 достигаются с исполь- зованием традиционно применяемых для сварки сталей этого класса прочности материалов: элек- тродов УОНИ-13/55 и проволоки Св-08Г2С. 1. Гривняк И. Свариваемость сталей: Пер. со слов. Л. С. Гончаренко / Под ред. Э. Л. Макарова. — М.: Машинос- троение, 1984. — 216 с. 2. Риск образования холодных трещин при сварке конс- трукционных высокопрочных сталей / В. И. Махненко, В. Д. Позняков, Е. А. Великоиваненко и др. // Автомат. сварка. — 2009. — № 12. — С. 5–10. 3. Позняков В. Д. Механические свойства металла швов и сопротивляемость образованию холодных трещин тав- ровых соединений стали 13ХГМРБ // Там же. — 2008. — № 2. — С. 20–25. Influence of thermal cycles of welding on the change of structure and mechanical properties of HAZ metal of welded joints on C390 (S355 J2) steel was studied. The range of admissible rates of HAZ metal cooling in the temperature range of 600...500 оC was established, and welding consumables were selected which ensure welded joint properties on the level of requirements to base metal, as well as their high resistance to cold cracking. Поступила в редакцию 18.04.2012 Окончание табл. 2 Способ сварки Условие сварки Сварное соединение σв, МПа αзаг, град KCU KCV Дж/см2, при t, °С 20 –40 20 –20 –40 МАГ Св-08Г2С, Ar + CO2, δ = 16 мм 543 81 205 197 208 197 — Св-08Г2С, Ar + CO2, δ = 50 мм 569 65 — 101 — 70 — ММА УОНИ-13/55, δ = 20 мм — — — — 106 — 70 МАГ Св-08Г2С, CO2, δ = 20 мм — — — — 248 — 166 Megafil 821R, CO2, δ = 20 мм — — — — 219 — 140 8/2012 11
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101258
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 0005-111X
language Russian
last_indexed 2025-12-07T15:49:26Z
publishDate 2012
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
record_format dspace
spelling Позняков, В.Д.
Жданов, С.Л.
Максименко, А.А.
2016-06-01T17:37:24Z
2016-06-01T17:37:24Z
2012
Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2) / В.Д. Позняков, С.Л. Жданов, А.А. Максименко // Автоматическая сварка. — 2012. — № 8 (712). — С. 7-11. — Бібліогр.: 3 назв. — рос.
0005-111X
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101258
621.791.75.052:669.14.018.295
Изучено влияние термических циклов сварки на изменение структуры и механических свойств металла ЗТВ сварных соединений стали C390 (S355 J2). Установлен диапазон допускаемых скоростей охлаждения металла ЗТВ в температурном интервале 600…500°С и выбраны сварочные материалы, обеспечивающие свойства сварных соединений на уровне требований к основному металлу, а также высокую их сопротивляемость образованию холодных трещин
Influence of thermal cycles of welding on the change of structure and mechanical properties of HAZ metal of welded joints on C390 (S355 J2) steel was studied. The range of admissible rates of HAZ metal cooling in the temperature range of 600...500 оC was established, and welding consumables were selected which ensure welded joint properties on the level of requirements to base metal, as well as their high resistance to cold cracking.
ru
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
Автоматическая сварка
Научно-технический раздел
Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
Structure and properties of welded joints on steel S390 (S335 J2)
Article
published earlier
spellingShingle Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
Позняков, В.Д.
Жданов, С.Л.
Максименко, А.А.
Научно-технический раздел
title Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
title_alt Structure and properties of welded joints on steel S390 (S335 J2)
title_full Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
title_fullStr Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
title_full_unstemmed Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
title_short Структура и свойства сварных соединений стали C390 (S335 J2)
title_sort структура и свойства сварных соединений стали c390 (s335 j2)
topic Научно-технический раздел
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101258
work_keys_str_mv AT poznâkovvd strukturaisvoistvasvarnyhsoedineniistalic390s335j2
AT ždanovsl strukturaisvoistvasvarnyhsoedineniistalic390s335j2
AT maksimenkoaa strukturaisvoistvasvarnyhsoedineniistalic390s335j2
AT poznâkovvd structureandpropertiesofweldedjointsonsteels390s335j2
AT ždanovsl structureandpropertiesofweldedjointsonsteels390s335j2
AT maksimenkoaa structureandpropertiesofweldedjointsonsteels390s335j2