Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали
В работе исследовано влияние диффузионного водорода в наплавленном металле на изменение сопротивляемости и характер замедленного разрушения металла ЗТВ сварных соединений высокопрочной колесной стали марки 2, содержание углерода в которой составляет 0,58 мас. %. С применением метода «карандашной»...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102275 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали / А.А. Гайворонский // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 15-21. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102275 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1022752025-02-09T23:51:59Z Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали Effect of diffusive hydrogen on resistance against delayed fracture of high-carbon steel welded joints Гайворонский, А.А. Научно-технический раздел В работе исследовано влияние диффузионного водорода в наплавленном металле на изменение сопротивляемости и характер замедленного разрушения металла ЗТВ сварных соединений высокопрочной колесной стали марки 2, содержание углерода в которой составляет 0,58 мас. %. С применением метода «карандашной» пробы определено содержание диффузионного водорода в наплавленном металле при сварке в среде углекислого газа порошковой проволокой ПП-АН180МН, количество которого может изменяться в пределах от 0,3 до 2,2 см3/100 г. При испытаниях по методу Имплант оценено влияние диффузионного водорода на изменение показателей критических напряжений при замедленном разрушении соединений колесной стали. Методами растровой электронной микроскопии изучено влияние диффузионного водорода на характер разрушения металла ЗТВ, определены характерные зоны изломов и параметры структурных составляющих. Установлено, что при содержании диффузионного водорода в наплавленном металле на уровне 0,3 см3/100 г сопротивляемость замедленному разрушению соединений наибольшая и в зависимости от структурного состояния металла участка перегрева ЗТВ критические напряжения разрушения составляют 0,35…0,45σ0,2. Разрушение происходит преимущественно хрупко по границам и телу зерен, доля вязкой структурной составляющей не более 20 %. При увеличении содержания диффузионного водорода металл ЗТВ охрупчивается и сопротивляемость замедленному разрушению снижается. Наиболее резкое падение показателей критических напряжений до величины 0,1σ0,2 характерно для металла ЗТВ с мартенситно-бейнитной структурой, количество мартенсита в которой составляет 70 %. Библиогр. 13, табл. 2, рис. 6. 2013 Article Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали / А.А. Гайворонский // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 15-21. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102275 621.791.927.535 ru Автоматическая сварка application/pdf 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. Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали Автоматическая сварка |
| description |
В работе исследовано влияние диффузионного водорода в наплавленном металле на изменение сопротивляемости
и характер замедленного разрушения металла ЗТВ сварных соединений высокопрочной колесной стали марки 2,
содержание углерода в которой составляет 0,58 мас. %. С применением метода «карандашной» пробы определено
содержание диффузионного водорода в наплавленном металле при сварке в среде углекислого газа порошковой
проволокой ПП-АН180МН, количество которого может изменяться в пределах от 0,3 до 2,2 см3/100 г. При испытаниях по методу Имплант оценено влияние диффузионного водорода на изменение показателей критических
напряжений при замедленном разрушении соединений колесной стали. Методами растровой электронной микроскопии изучено влияние диффузионного водорода на характер разрушения металла ЗТВ, определены характерные
зоны изломов и параметры структурных составляющих. Установлено, что при содержании диффузионного водорода
в наплавленном металле на уровне 0,3 см3/100 г сопротивляемость замедленному разрушению соединений наибольшая и в зависимости от структурного состояния металла участка перегрева ЗТВ критические напряжения
разрушения составляют 0,35…0,45σ0,2. Разрушение происходит преимущественно хрупко по границам и телу зерен,
доля вязкой структурной составляющей не более 20 %. При увеличении содержания диффузионного водорода
металл ЗТВ охрупчивается и сопротивляемость замедленному разрушению снижается. Наиболее резкое падение
показателей критических напряжений до величины 0,1σ0,2 характерно для металла ЗТВ с мартенситно-бейнитной
структурой, количество мартенсита в которой составляет 70 %. Библиогр. 13, табл. 2, рис. 6. |
| format |
Article |
| author |
Гайворонский, А.А. |
| author_facet |
Гайворонский, А.А. |
| author_sort |
Гайворонский, А.А. |
| title |
Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| title_short |
Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| title_full |
Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| title_fullStr |
Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| title_full_unstemmed |
Влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| title_sort |
влияние диффузионного водорода на сопротивляемость замедленному разрушению сварных соединений высокоуглеродистой стали |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102275 |
| citation_txt |
Влияние диффузионного водорода на
сопротивляемость замедленному разрушению сварных
соединений высокоуглеродистой стали / А.А. Гайворонский // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 15-21. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT gaivoronskiiaa vliâniediffuzionnogovodorodanasoprotivlâemostʹzamedlennomurazrušeniûsvarnyhsoedineniivysokouglerodistoistali AT gaivoronskiiaa effectofdiffusivehydrogenonresistanceagainstdelayedfractureofhighcarbonsteelweldedjoints |
| first_indexed |
2025-12-01T21:39:31Z |
| last_indexed |
2025-12-01T21:39:31Z |
| _version_ |
1850343607079272448 |
| fulltext |
УДК 621.791.927.535
ВЛИЯНИЕ ДИФФУЗИОННОГО ВОДОРОДА
НА СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
А. А. ГАЙВОРОНСКИЙ
ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
В работе исследовано влияние диффузионного водорода в наплавленном металле на изменение сопротивляемости
и характер замедленного разрушения металла ЗТВ сварных соединений высокопрочной колесной стали марки 2,
содержание углерода в которой составляет 0,58 мас. %. С применением метода «карандашной» пробы определено
содержание диффузионного водорода в наплавленном металле при сварке в среде углекислого газа порошковой
проволокой ПП-АН180МН, количество которого может изменяться в пределах от 0,3 до 2,2 см3/100 г. При ис-
пытаниях по методу Имплант оценено влияние диффузионного водорода на изменение показателей критических
напряжений при замедленном разрушении соединений колесной стали. Методами растровой электронной микрос-
копии изучено влияние диффузионного водорода на характер разрушения металла ЗТВ, определены характерные
зоны изломов и параметры структурных составляющих. Установлено, что при содержании диффузионного водорода
в наплавленном металле на уровне 0,3 см3/100 г сопротивляемость замедленному разрушению соединений наи-
большая и в зависимости от структурного состояния металла участка перегрева ЗТВ критические напряжения
разрушения составляют 0,35…0,45σ0,2. Разрушение происходит преимущественно хрупко по границам и телу зерен,
доля вязкой структурной составляющей не более 20 %. При увеличении содержания диффузионного водорода
металл ЗТВ охрупчивается и сопротивляемость замедленному разрушению снижается. Наиболее резкое падение
показателей критических напряжений до величины 0,1σ0,2 характерно для металла ЗТВ с мартенситно-бейнитной
структурой, количество мартенсита в которой составляет 70 %. Библиогр. 13, табл. 2, рис. 6.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, диффузионный водород, колесная сталь, замедленное разрушение, ЗТВ,
структура
Образование холодных трещин в сварных соеди-
нениях высокопрочных сталей, как известно, про-
исходит по механизму замедленного разрушения.
При этом необходимо наличие закаленной струк-
туры (мартенсит, бейнит) металла с высоким
уровнем внутренних напряжений и диффузион-
но-подвижного водорода, который, скапливаясь в
несплошностях структуры, повышает уровень ло-
кальных напряжений. Диффузионный водород,
тем самым, дополнительно охрупчивает структу-
ру и инициирует образование микротрещин в ме-
талле. В последующем под действием остаточных
напряжений, которые формируются в соединении
при сварке, микротрещины развиваются в мак-
ротрещины [1–5]. При этом большое влияние ока-
зывают геометрические концентраторы в соеди-
нениях, такие как подрезы, несплавления,
непровары в корне, которые являются местами
локализации остаточных напряжений, где наи-
более вероятно образование холодных трещин [6].
Очевидно, что водород является одним из глав-
ных факторов при образовании холодных трещин
в сварных соединениях высокопрочных сталей.
Влияние водорода на процесс замедленного раз-
рушения металла объясняет дислокационная мо-
дель, которая подробно представлена в работах
[5, 7, 8]. Согласно данной модели атомарный во-
дород, который находится в сварном соединении,
скапливается в развивающихся дислокациях и
снижает пластические свойства металла, энергию
зарождения и развития трещин при его разру-
шении под действием внешних нагружений. Так-
же установлено, что влияние водорода усилива-
ется с повышением прочности металла.
Насыщение расплавленного металла шва ато-
марным водородом, изменение его растворимости
в металле в зависимости от температуры описаны
в работе [1]. Так, растворимость водорода в γ-
железе составляет примерно 8,2 см3/100 г при
температуре 1200 °С, а в α-железе при 500 °С
этот показатель составляет всего 0,6 см3/100 г.
Поэтому, когда при охлаждении соединений в ме-
талле шва протекают структурные γ→α-превра-
щения, растворимость водорода резко снижается
и он диффундирует в окружающую среду, вклю-
чая близлежащий участок металла ЗТВ. Экспе-
риментально определить количественное содер-
жание диффузионного водорода в металле ЗТВ
невозможно. В связи с этим большинство иссле-
дователей для сравнительной оценки влияния во-
дорода на сопротивляемость образованию холод-
ных трещин сварных соединений высокопрочных
сталей рассматривают содержание диффузионно-© А. А. Гайворонский, 2013
5/2013 15
го водорода в наплавленном металле. Для этого
чаще всего используют метод «карандашной»
пробы и хроматографический метод [1–3, 9]. Нап-
ример, с применением метода «карандашной»
пробы установлено, что в зависимости от влаж-
ности сварочных материалов содержание диффу-
зионного водорода в наплавленном металле при
сварке проволоками сплошного сечения в среде
защитных газов может достигать 3,0 см3/100 г,
при ручной дуговой сварке 12,0 см3/100 г, а при
сварке под флюсом 8,0 см3/100 г [1, 2].
Оценить содержание водорода в металле ЗТВ
с некоторой степенью приближения возможно с
применением расчетных методов, учитывающих
кинетику структурных превращений в сварном со-
единении. В работе [10] было установлено, что при
исходном содержании диффузионного водорода в
металле шва на уровне 10 см3/100 г локальное ко-
личество атомарного (диффузионного) и молеку-
лярного (остаточного) водорода в металле ЗТВ со-
единений высокопрочной низколегированной стали
при охлаждении по заданному термическому циклу
до температуры 60 °С (погонная энергия сварки
9,1 кДж/см) может быть в пределах соответственно
1,09…1,59 и 0,38…1,68 см3/100 г. При этом его
концентрационные изменения в указанных пре-
делах зависят от структурного состояния металла.
Так, при формировании мартенситно-бейнитной
структуры содержание диффузионного и остаточ-
ного водорода в металле ЗТВ составляет соот-
ветственно 1,30 и 0,79 см3/100 г, а при бейнит-
но-ферритной — 1,49 и 1,68 см3/100 г. Как видно,
расчетные локальные концентрации водорода в
металле ЗТВ соединений отличаются незначи-
тельно при фиксированном его содержании в ме-
талле шва и постоянной погонной энергии сварки.
При этом содержание диффузионного водорода
в металле ЗТВ примерно в 7 раз ниже от исход-
ного в металле шва. Однако даже при таком низ-
ком и примерно одинаковом его количестве в ме-
талле ЗТВ, структура и пластические свойства ко-
торого отличаются в зависимости от условий про-
текания ТДЦС, сопротивляемость замедленному
разрушению соединений высокопрочных низко-
легированных сталей различна.
В случае дуговой сварки высокопрочных ко-
лесных сталей, содержание углерода в которых
превышает 0,50 %, в металле ЗТВ формируются
закалочные структуры с повышенной плотностью
дислокаций. В результате этого прочностные
свойства металла увеличиваются, а пластические
снижаются [11–13]. Можно ожидать, что в этом
случае даже незначительные локальные концен-
трации водорода будут приводить к более сущес-
твенным изменениям свойств металла ЗТВ, чем
при сварке высокопрочных низколегированных
сталей. Однако поскольку исследования сварива-
емости высокопрочных сталей с содержанием уг-
лерода более 0,50 % начали проводиться срав-
нительно недавно, экспериментальных данных о
влиянии водорода на сопротивляемость замедлен-
ному разрушению сварных соединений такого ти-
па сталей нет.
Целью настоящей работы было исследование
влияния содержания диффузионно-подвижного
водорода в наплавленном металле на изменение
сопротивляемости и характер замедленного раз-
рушения металла ЗТВ сварных соединений вы-
сокопрочной колесной стали под действием ста-
тического нагружения. В качестве материала для
исследований использовали высокопрочную ко-
лесную сталь марки 2 (ГОСТ 10791) следующего
состава, мас. %: 0,58 C; 0,44 Si; 0,77 Mn; 0,10 Ni;
0,05 Cr; 0,012 S; 0,011 P.
Количественную оценку сопротивляемости за-
медленному разрушению металла ЗТВ выполняли
с применением метода Имплант [2, 3]. В отличие
от традиционного метода образцы-вставки из ис-
следуемой стали диаметром 6 мм изготавливали
без надреза [13]. В качестве технологических
пластин использовали высокопрочную низколе-
гированную сталь толщиной 20 мм. Образцы пос-
ле сварки и их естественного охлаждения до тем-
пературы 50 °С нагружали постоянно действую-
щей нагрузкой. При проведении сравнительных
испытаний применяли механизированный способ
сварки в среде углекислого газа опытной порош-
ковой проволокой ПП-АН180МН (легирование
металла шва системы 10ХНГСФТ) диаметром
2 мм на режимах: сварочный ток Iсв = 220…250 А,
напряжение на дуге Uд = 26 В. Погонная энергия
при скорости сварки vсв = 16,7 м/ч составляла Qсв =
= 8,9 кДж/см, а при vсв = 11 м/ч — 13,6 кДж/см.
Сварку образцов Имплант выполняли без пред-
варительного подогрева (Tпп = 20 °С). При этом
скорость охлаждения металла ЗТВ в интервале
температур 600…500 °С (w6/5) составляла соот-
ветственно 25…30 и 12…14 °С/с, а время охлаж-
дения от 800 до 100 °С (τ8/1) соответственно 170
и 260 с.
Очевидно, что в зависимости от погонной
энергии сварки и скорости охлаждения соединений
будет изменяться структура металла в участке пе-
регрева ЗТВ. Специально проведенные металлог-
рафические исследования показали, что структура
колесной стали марки 2 в состоянии поставки пред-
ставлена перлитно-ферритной смесью (рис.1, а), раз-
мер зерна D3 = 20…75 мкм и микротвердость НV0,1
— 1990…2450 МПа. По границам зерен распола-
гаются ферритные оторочки размером hот =
= 5…10 мкм. В условиях сварки, когда скорость
охлаждения составляет w6/5 = 25…30 °С/с, в участке
перегрева металла ЗТВ формируется смешанная
мартенситно-бейнитная структура (рис. 1, б), ко-
личество мартенсита в которой 70 %, а микрот-
вердость структурных составляющих НV0,1 —
16 5/2013
4340…6990 МПа. При скорости охлаждения
w6/5 = 12…14 °С/с в участке перегрева металла
ЗТВ также формируется мартенситно-бейнитная
структура (рис. 1, в), но при преобладающей доле
бейнита (80 %) с микротвердостью структурных
составляющих НV0,1 — 3340…3680 МПа. Размер
зерна в участке перегрева металла ЗТВ составляет
D3 = 63…94 мкм (балл 4, 5 по ГОСТ 5639).
При проведении испытаний по методу Имп-
лант содержание водорода в наплавленном ме-
талле регулировали путем изменения температу-
ры прокалки порошковой проволоки и времени
ее вылеживания на воздухе перед сваркой. Для
определения количества диффузионного водорода
[Н]диф в наплавленном металле применяли метод
«карандашной» пробы с использованием в качес-
тве запирающей жидкости смеси глицерина и дис-
тиллированной воды. Содержание [Н]диф в нап-
лавленном металле в зависимости от условий под-
готовки порошковой проволоки ПП-АН180МН
перед сваркой: прокалка при температуре 230 °С,
2,5 ч — 0,3 см3/100 г; прокалка при температуре
230 °С, 1 ч — 0,5; прокалка при температуре
230 °С, 1 ч, вылеживание на воздухе 7 сут —
1,0; прокалка при температуре 230 °С, 1 ч, вы-
леживание на воздухе 14 сут — 1,3; прокалка при
температуре 200 °С, 2,5 ч — 1,5; прокалка при
температуре 150 °С, 2,5 ч — 1,8; без прокалки
— 2,2.
Из приведенных данных следует, что при свар-
ке порошковой проволокой в среде углекислого
газа соединений высокопрочных углеродистых
сталей можно добиться пониженного содержания
диффузионного водорода в металле шва, которое
составляет 0,3 см3/100 г при условии предвари-
тельной прокалки проволоки при температуре
230 °С в течение 2,5 ч. Эта величина [H]диф в
несколько раз ниже, чем при сварке под флюсом
проволоками сплошного сечения. При сварке по-
рошковой проволокой, время прокалки которой сос-
тавляло 1 ч, и вылеживании ее в течение 14 сут
на воздухе (влажность до 75 %), количество [H]диф
в металле шва увеличивается до 1,3 см3/100 г. При
снижении температуры прокалки от 230 до 150 °С
и при сварке проволокой, не подвергающейся тер-
мической обработке, содержание диффузионного
водорода в наплавленном металле наибольшее и
составляет 1,8…2,2 см3/100 г.
На рис. 2 представлены данные об изменении
сопротивляемости замедленному разрушению ме-
талла ЗТВ соединений колесной стали марки 2 в
зависимости от погонной энергии сварки и содер-
жания диффузионного водорода в наплавленном ме-
талле, изменяющегося от 0,3 до 0,5 см3/100 г. Как
видно из приведенного материала, при минималь-
ных значениях [H]диф критические напряжения σкр,
при которых образцы Имплант не разрушаются, на-
ибольшие. При сварке на погонной энергии Qсв =
= 8,9 кДж/см (w6/5 = 25…30 °С/с) они составляют
σкр = 250 МПа, а при Qсв = 13,6 кДж/см (w6/5 =
= 12…14 °С/с) критические напряжения повыша-
ются до 320 МПа.
На изменение показателей сопротивляемости
замедленному разрушению σкр при постоянной
величине [H]диф = 0,3 см3/100 г оказывает влия-
ние структурное состояние металла в участке пе-
регрева ЗТВ. Как было показано выше, при сварке
колесной стали на режимах, когда погонная энер-
гия составляет 13,6 кДж/см в участке перегрева
Рис. 1. Микроструктура (×500, уменьшено в 2 раза) металла ЗТВ колесной стали марки 2: а — основной металл; б — w6/5 =
= 25…30; в — 12…14 °С/с
Рис. 2. Влияние диффузионного водорода на сопротивляе-
мость замедленному разрушению металла ЗТВ колесной ста-
ли марки 2: 1, 2 — [Н]диф = 0,3; 3, 4 — 0,5 см3/100 г; 1, 3 —
Qсв = 13,6; 2, 4 — 8,9 кДж/см
5/2013 17
металла ЗТВ формируется мартенситно-бейнит-
ная структура меньшей твердости. Количество
мартенсита в структуре не превышает 20 %. Ме-
талл становится более пластичным, лучше соп-
ротивляется зарождению и развитию микротре-
щин и критические напряжения разрушения по-
вышаются на 30 %.
Следует также отметить, что при погонной
энергии сварки 13,6 кДж/см металл ЗТВ пребы-
вает более длительное время при охлаждении в
температурном интервале 800…100 °С (τ8/1 выше
в 1,5 раза), чем при 8,9 кДж/см. Это также может
способствовать повышению сопротивляемости за-
медленному разрушению за счет развития про-
цессов диффузии водорода в металле ЗТВ.
При повышении содержания диффузионного
водорода в наплавленном металле до 0,5 см3/100 г
сопротивляемость замедленному разрушению ме-
талла ЗТВ колесной стали снижается. Более ин-
тенсивно это происходит в случае сварки при
Qсв = 8,9 кДж/см (w6/5 = 25…30 °С/с), когда в
структуре металла ЗТВ образуется 70 % мартен-
сита. Критические напряжения разрушения сни-
жаются с 250 до 150 МПа (на 40 %). При сварке
на более высокой погонной энергии (13,6 кДж/см)
и формировании в участке перегрева металла ЗТВ
преимущественно бейнитной структуры σкр по-
нижаются на 20 % до уровня 260 МПа.
Как видно, незначительное повышение диф-
фузионного водорода в наплавленном металле
привело к существенному снижению показателей
сопротивляемости замедленному разрушению ме-
талла ЗТВ. Как показано в работе [13], при сварке
соединений колесной стали, содержание углерода
в которой составляет 0,58 %, в участке перегрева
металла ЗТВ формируется структура, плотность
дислокаций в которой может достигать значений
ρ = 5…8⋅1010 см–2. Поэтому сравнительно неболь-
шое превышение содержания атомарного водо-
рода, который скапливается в дислокациях с та-
ким уровнем плотности в металле повышенной
прочности, приводит к резкому охрупчиванию ме-
талла ЗТВ. Об этом свидетельствуют сравнитель-
ные испытания образцов Имплант, погонная энер-
гия сварки которых составляла 8,9 кДж/см при
величине нагрузки 300 МПа (рис. 1) — время раз-
рушения металла ЗТВ при содержании [H]диф в
металле шва 0,3 и 0,5 см3/100 г соответственно
составляет 60 и 6 мин.
Обобщенные результаты исследований влия-
ния содержания диффузионного водорода в наплав-
ленном металле на показатели сопротивляемости за-
медленному разрушению металла ЗТВ соединений
колесной стали марки 2 (0,58 % C) представлены
на рис. 3. Как видно, последующее увеличение со-
держания [H]диф в шве до 1,0…1,5 см3/100 г при-
водит к снижению сопротивляемости металла ЗТВ
замедленному разрушению, но эти изменения про-
текают плавно. Так, при повышении диффузион-
ного водорода в наплавленном металле на
1,0 см3/100 г (от 0,5 до 1,5 см3/100 г) показатели
σкр для металла ЗТВ соединений колесной стали,
выполненных на режимах с Qсв = 13,6 кДж/см,
Рис. 3. Влияние содержания диффузионного водорода в нап-
лавленном металле на критические напряжения разрушения
металла ЗТВ соединений колесной стали марки 2 при сварке
проволокой ПП-АН180МН: 1 — Qсв = 13,6; 2 — 8,9 кДж/см
Рис. 4. Изломы образцов Имплант колесной стали марки 2 при сварке проволокой ПП-АН180МН на погонной энергии
13,6 кДж/см (×25): а — [H]диф = 0,3; б — 0,5; в — 2,2 см3/100 г
18 5/2013
снижаются еще примерно на 12 % (с 260 до
220 МПа), а при сварке с Qсв = 8,9 кДж/см —
на 24 % (со 150 до 90 МПа). При этом также
проявляется влияние структурного фактора. Ох-
рупчивание более закаленного металла ЗТВ при
увеличении диффузионного водорода происходит
в большей степени.
При увеличении [H]диф до 1,8 см3/100 г соп-
ротивляемость замедленному разрушению металла
ЗТВ соединений колесной стали, сварку которых
выполняли на погонной энергии 8,9 кДж/см, сни-
жается на 6 % до значений σкр = 75 МПа. Это
граничное значение критических напряжений при
данных условиях сварки, которое составляет при-
мерно 0,1 предела текучести металла ЗТВ (σ0,2
около 715 МПа [12]), и при дальнейшем повы-
шении содержания диффузионного водорода в
наплавленном металле до 2,2 см3/100 г этот по-
казатель не изменяется. Суммарное снижение
критических напряжений разрушения металла
ЗТВ соединений колесной стали при Qсв =
= 8,9 кДж/см при увеличении содержания
[H]диф в наплавленном металле от 0,3 до
2,2 см3/100 г составило 70 %.
Несколько иначе изменяется показатель
σкр для металла ЗТВ соединений, сварку ко-
торых выполняли на погонной энергии
13,6 кДж/см, при увеличении [H]диф с 1,5
до 1,8 см3/100 г. Как видно из рис. 3, сни-
жение критических напряжений разруше-
ния составляет 14 % (с 220 до 175 МПа).
Это, по-видимому, связано с тем, что при
данных условиях сварки, когда в участке
перегрева металла ЗТВ соединений колес-
ной стали формируется преимущественно
бейнитная структура, происходит ее пере-
насыщение атомарным водородом и плас-
тические свойства металла снижаются более
резко. При дальнейшем повышении содер-
жания диффузионного водорода в наплав-
ленном металле до 2,2 см3/100 г этот по-
казатель также не изменяется. Суммарное
снижение критических напряжений разру-
шения металла ЗТВ соединений колесной
стали при увеличении содержания [H]диф от
0,3 до 2,2 см3/100 г для данных условий
сварки (Qсв = 13,6 кДж/см) составило 45 %.
Изломы образцов Имплант колесной ста-
ли, сварку которых выполняли при Qсв =
= 13,6 кДж/см с различным содержанием
диффузионного водорода в наплавленном
металле, исследовали методами растровой
электронной микроскопии*.
Использовали сканирующий электрон-
ный микроскоп СЭМ-515 фирмы «Philips»,
оснащенный энергодисперсионным спектромет-
ром системы «LINK». Параметры нагружений при
испытании образцов Имплант колесной стали, ко-
торые были выбраны для исследований поверх-
ности разрушения, приведены в табл. 1.
Изломы образцов Имплант колесной стали
марки 2 представлены на рис. 4. Установлено,
что разрушение происходит в основном хрупко.
На поверхности изломов наблюдаются характер-
ные участки разрушения, которые можно условно
разделить на локальные участки зарождения мик-
Т а б л и ц а 1. Параметры испытаний образцов Имплант
колесной стали для исследований поверхности разруше-
ния (Qсв = 13,6 кДж/см)
[H]диф, см3/100 г σкр, МПа σр, МПа tр, ч
0,3 320 350 1,5
0,5 260 320 0,1
1,5 220 250 4,5
2,2 175 200 4,5
Рис. 5. Фрагменты поверхности разрушения металла ЗТВ на участке
зарождения и замедленного развития микротрещин: а — [H]диф = 0,3;
б — 0,5; в — 2,2 см3/100 г
* Исследования были выполнены Л. И. Маркашо-
вой, Е. Н. Бердниковой, Т. А. Алексеенко.
5/2013 19
ротрещин и их замедленного развития (зона I),
участки ускоренного развития микротрещин до
макроуровня (зона II) и участки долома (зона III).
Распределение зон носит локальный характер, за-
рождение и развитие трещин происходит однов-
ременно в нескольких местах, участки разруше-
ния чередуются. Исследования на микроуровне
показали, что в зависимости от содержания диф-
фузионного водорода в наплавленном металле и
уровня нагружения микрорельеф поверхности
разрушения металла ЗТВ разный. Обобщенные
результаты исследований представлены на рис. 5,
6 и табл. 2.
Установлено, что зарождение микротрещин в
металле ЗТВ соединений колесной стали проте-
кает хрупко по границам зерен. В зоне I изломов,
при всех вариантах сварки, наблюдаются локаль-
ные участки хрупкого межзеренного разрушения,
которые являются местами зарождения мик-
ротрещин (рис. 5, а–в). В дальнейшем, под
действием напряжений микротрещины раз-
виваются как по границам, так и телу зерен
— излом в данной зоне характеризуется как
межзеренный и внутризеренный скол. Раз-
мер фасеток скола Dф составляет примерно
30…100 мкм. В зависимости от содержания
диффузионного водорода в наплавленном
металле изменяется соотношение этих ви-
дов излома. С увеличением содержания
[H]диф от 0,3 до 2,2 см3/100 г объемная доля
Vд межзеренного скола повышается с 20 до
80 %, а доля внутризеренного скола соот-
ветственно уменьшается (табл. 3). В этой
зоне выявлены также вторичные трещины,
длина которых составляет до 250 мкм при
[H]диф = 2,2 см3/100 г.
При достижении своего критического
размера начинается ускоренное развитие
микротрещин в макротрещины. При этом,
наряду с межзеренным и внутризеренным
сколом, по границам некоторых зерен наб-
людаются локальные участки вязкого раз-
рушения с размером фасеток Dф около
0,5…2 мкм (рис. 6, а). При содержании
[H]диф = 0,3 см3/100 г объемная доля вязкого
разрушения составляет до 20 %, при
0,5 см3/100 г — 5 %, а при последующем
увеличении содержания диффузионного во-
дорода в наплавленном металле ускоренное
развитие трещин протекает исключительно
хрупко (рис. 6, б).
На участке долома характер разрушения
и размер структурных элементов отличается
от других зон излома. Это преимущественно
внутризеренное квазихрупкое разрушение с
Рис. 6. Фрагменты поверхности разрушения металла ЗТВ на участках
ускоренного развития микротрещин (а, б) и долома (в, г): а, в —
[H]диф = 0,3; б, г — 2,2 см3/100 г
Т а б л и ц а 2. Структура излома при замедленном разрушении металла ЗТВ колесной стали марки 2
[H]диф,
см3/100 г
Зона I Зона II
Хрупкий
межзеренный
Хрупкий
внутризеренный
Хрупкий
межзеренный
Хрупкий
внутризеренный Вязкий
Vд, % Dф, мкм Vд, % Dф, мкм Vд, % Dф, мкм Vд, % Dф, мкм Vд, % Dф, мкм
0,3 20 30/100 80 50/100 20 60/100 60 40/60 20 0,5/2
0,5 40 50/120 60 50/100 15 50/120 80 40/60 5 0,5/2
1,5 60 50/120 40 50/100 40 50/100 60 50/80 — —
2,2 80 50/100 20 50/80 40 50/100 60 40/80 — —
20 5/2013
размером фасеток Dф примерно 10…20 мкм и при
увеличении [H]диф характер излома практически
не меняется (рис. 6, в, г).
Таким образом, проведенные исследования
позволили установить, что:
– при сварке порошковой проволокой типа ПП-
АН180МН возможно обеспечить пониженное со-
держание диффузионного водорода в наплавлен-
ном металле ([H]диф = 0,3 см3/100 г, метод «ка-
рандашной» пробы), что значительно ниже, чем
при сварке проволоками сплошного сечения в сре-
де защитных газов и под слоем флюса. При такой
величине [H]диф сопротивляемость замедленному
разрушению металла ЗТВ соединений высокоп-
рочной колесной стали, содержание углерода в
которой 0,58 %, наибольшая. Критические нап-
ряжения разрушения, в зависимости от структур-
ного состояния металла участка перегрева ЗТВ,
составляют примерно 0,35…0,45σ0,2. Разрушение
происходит преимущественно хрупко по грани-
цам и телу зерен, доля вязкой структурной сос-
тавляющей не более 20 %;
– при увеличении диффузионного водорода в
наплавленном металле на 0,2 см3/100 г (с 0,3 до
0,5 см3/100 г) металл ЗТВ охрупчивается и соп-
ротивляемость замедленному разрушению свар-
ных соединений резко снижается. Степень этого
влияния определяется структурным состоянием
металла участка перегрева ЗТВ. При формиро-
вании мартенситно-бейнитной структуры повы-
шенной прочности и низкой пластичности (70 %
мартенсита, w6/5 = 25…30 °С/с) критические нап-
ряжения разрушения снижаются на 40 %, когда
образуется преимущественно бейнитная структу-
ра (80 % бейнита, w6/5 = 12…14 °С/с) — на 20 %.
При этом доля вязкой структурной составляющей
в изломе не превышает 5 %;
– при повышении содержания диффузион-
ного водорода в наплавленном металле до
1,8…2,2 см3/100 г происходит дальнейшее ох-
рупчивание металла ЗТВ и критические напря-
жения разрушения снижаются до своих
минимальных значений 0,1…0,25σ0,2. Разрушение
происходит исключительно хрупко по границам
и телу зерен, доля хрупкого межзеренного скола
в зоне зарождения и замедленного развития мик-
ротрещин увеличивается с 20 до 80 %.
1. Козлов Р. А. Водород при сварке корпусных сталей. —
Л.: Судостроение, 1969. — 175 с.
2. Макаров Э. Л. Холодные трещины при сварке легиро-
ванных сталей. — М.: Машиностроение, 1981. — 247 с.
3. Гривняк И. Свариваемость сталей. — М.: Машинострое-
ние, 1984. — 216 с.
4. Касаткин О. Г. Особенности водородного охрупчивания
высокопрочных сталей при сварке // Автомат. сварка. —
1994. — № 1. — С. 3–7.
5. Походня И. К., Швачко И. В. Физическая природа обус-
ловленных водородом холодных трещин в сварных сое-
динениях конструкционных сталей // Там же. — 1997. —
№ 5. — С. 3–12.
6. Махненко В. И. Ресурс безопасной эксплуатации свар-
ных соединений и узлов современных конструкций. —
Киев: Наук. думка, 2006. — 618 с.
7. Швачко И. В., Игнатенко А. В. Модель транспортировки
водорода дислокациями // Автомат. сварка. — 2007. —
№ 2. — С. 27–30.
8. Дислокационная модель водородной локализации плас-
тичности металлов с ОЦК решеткой / А. В. Игнатенко,
И. К. Походня, А. П. Пальцевич, В. С. Синюк // Там же.
— 2012. — № 3. — С. 22–27.
9. Походня И. К., Пальцевич А. П. Хроматографический ме-
тод определения количества диффузионного водорода в
сварных соединениях // Там же. — 1980. — № 1. —
С. 37–39.
10. Махненко В. И., Королева Т. В., Лавринец И. Г. Влияние
микроструктурных изменений на перераспределение во-
дорода при сварке плавлением конструкционных сталей
// Там же. — 2002. — № 2. — С. 7–13.
11. Исследование тепловых процессов и структурообразова-
ния при двухдуговой наплавке колес вагонов на основе
компьютерного моделирования / С. Н. Киселев, Н. Н.
Воронин, Г. Д. Кузьмина и др. // Свароч. пр-во. — 2000.
— № 3. — С. 3–8.
12. Влияние термодеформационного цикла наплавки на
структуру и свойства железнодорожных колес повышен-
ной прочности при их восстановлении / А. А. Гайворон-
ский, В. Д. Позняков, В. А. Саржевский и др. // Автомат.
сварка. — 2010. — № 5. — С. 22–26.
13. Влияние состава наплавленного металла на структуру и
механические свойства восстановленных железнодорож-
ных колес / А. А. Гайворонский, В. Д. Позняков, Л. И.
Маркашова и др. // Там же. — 2012. — № 8. — С. 18–24.
Поступила в редакцию 06.03.2013
Уважаемые читатели!
Во втором квартале 2013 г. выйдет в свет монография «Детерминированный хаос в нелинейных
цепях с электрической дугой» (Сидорец В. Н., Пентегов И. В. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона НАН
Украины, 2013. — 288 с. Мягкий переплет, формат 70×100/16).
В монографии изложены результаты исследования фундаментальных свойств электрической
дуги как нелинейного элемента электрических цепей. Описаны выявленные закономерности и
механизмы возникновения детерминированного хаоса в этих цепях и сценарии его развития. Особое
внимание уделено оригинальным математическим методам исследования нелинейных динами-
ческих систем.
Заказы на монографию просьба направлять в редакцию журнала «Автоматическая сварка»
5/2013 21
|