Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ
При изготовлении сварных металлоконструкций корпусов машин специального назначения широко используются термоупрочненные среднеуглеродистые и углеродистые легированные стали со средней, повышенной и высокой твердостью. С учетом требований обеспечения равнопрочности сварного соединения соответствующим...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2015 |
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112964 |
| 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 термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ / В.Д. Позняков, В.А. Костин, А.А. Гайворонский, И.А. Моссоковская, В.В. Жуков, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 8-15. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859620510196826112 |
|---|---|
| author | Позняков, В.Д. Костин, В.А. Гайворонский, А.А. Моссоковская, И.А. Жуков, В.В. Клапатюк, А.В. |
| author_facet | Позняков, В.Д. Костин, В.А. Гайворонский, А.А. Моссоковская, И.А. Жуков, В.В. Клапатюк, А.В. |
| citation_txt | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ / В.Д. Позняков, В.А. Костин, А.А. Гайворонский, И.А. Моссоковская, В.В. Жуков, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 8-15. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | При изготовлении сварных металлоконструкций корпусов машин специального назначения широко используются термоупрочненные среднеуглеродистые и углеродистые легированные стали со средней, повышенной и высокой твердостью. С учетом требований обеспечения равнопрочности сварного соединения соответствующими значениями предела текучести должен обладать и металл зоны термического влияния. Однако в отличие от стали, которая приобретает необходимый комплекс механических свойств в результате исходной термической обработки (закалка + отпуск), механические свойства металла зоны термического влияния обеспечиваются путем формирования определенного комплекса микроструктур, формирующихся в процессе его охлаждения (режимов сварки). Формирование в металле зоны термического влияния сварных соединений данных сталей преимущественно мартенситных структур и насыщение этой области диффузионным водородом приводит к повышению их склонности к образованию холодных трещин. В связи с этим в настоящей работе представлены результаты исследований, цель которых заключалась в изучении влияния термических циклов сварки на характер структурных превращений, твердость, статическую прочность и сопротивляемость образованию холодных трещин металла ЗТВ высокопрочной среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием углерода 0,31 и 0,36 %. Для этого с использованием современных методов физического материаловедения путем моделирования фазовых превращений на установке «Gleeble 3800» была изучена структура и кинетика превращения переохлажденного аустенита. Установлено, что в диапазоне скоростей охлаждения w6/5 = 2,5…30,0 °С/с распад аустенита в образцах металла зоны термического влияния стали типа 30Х2Н2МФ, не зависимо от содержания в ней углерода, происходит преимущественно в области мартенситного превращения. Показано, что твердость и статическая прочность металла зоны термического влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,36 % обеспечиваются во всем рассмотренном интервале скоростей охлаждения. Подобные свойства металла зоны термического влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,31 % могут быть достигнуты при условии, когда они охлаждаются в температурном интервале 600…500 °С со скоростью не менее 10 °С/с. Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации режимов сварки специальной техники и дальнейшего совершенствования режимов термической обработки стали.
Thermostrengthened alloyed medium-carbon and carbon steels of average, increased and high hardness are widely used in manufacture of welded metal structures for car bodies. HAZ metal should also have corresponding values of yield strength considering the requirements necessary for providing of welded joint full-strength. However, mechanical properties of HAZ metal obtained by means of formation of specific complex of microstructures, generated in process of its cooling (welding modes), in contrast to steel, which acquires necessary complex of mechanical properties as a result of initial heat treatment (quenching and tempering). Preferred formation of martensite structures in HAZ metal of welded joints from given steels and saturation of this area by diffusible hydrogen result in increase of their susceptibility to cold crack formation. In this connection, this work represents the results of investigations aimed at study of effect of welding thermal cycles on nature of structural transformations, hardness, static strength and cold crack resistance of HAZ metal of high-strength alloyed medium-carbon steel of the 30Kh2N2MF type with 0.31 and 0.36 % carbon content. Structure and kinetics of transformation of undercooled austenite was investigated using current methods of physical materials science by means of simulation of phase transformations on Gleeble 3800 machine. It is determined that austenite decomposition in the samples of 30Kh2N2MF steel HAZ, independent on carbon content in it, takes place mainly in area of martensite transformation at cooling rate w6/5= 2.5-30 °C/s. It is shown that hardness and static strength of HAZ metal in steel with 0.36%C are provided for the whole studied range of cooling rates. Similar properties of HAZ metal in steel with 0.31 % C can be achieved under condition of cooling at 600-500 °C and rate not less than 10°C/s. The results of investigations can be used for optimizing welding modes of special equipment and further improvement of modes of steel heat treatment.
|
| first_indexed | 2025-11-29T01:26:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
8 2/2015
УДК 621.791.735.052.011
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ
НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА ЗТВ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ
ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ТИПА 30Х2Н2МФ
В.Д. ПОЗНЯКОВ, В.А. КОСТИН, А.А. ГАЙВОРОНСКИЙ, И.А. МОССОКОВСКАЯ,
В.В. ЖУКОВ, А.В. КЛАПАТЮК
ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. Е-mail: office@paton.kiev.ua
При изготовлении сварных металлоконструкций корпусов машин специального назначения широко используются тер-
моупрочненные среднеуглеродистые и углеродистые легированные стали со средней, повышенной и высокой твердо-
стью. С учетом требований обеспечения равнопрочности сварного соединения соответствующими значениями предела
текучести должен обладать и металл зоны термического влияния. Однако в отличие от стали, которая приобретает
необходимый комплекс механических свойств в результате исходной термической обработки (закалка + отпуск), ме-
ханические свойства металла зоны термического влияния обеспечиваются путем формирования определенного ком-
плекса микроструктур, формирующихся в процессе его охлаждения (режимов сварки). Формирование в металле зоны
термического влияния сварных соединений данных сталей преимущественно мартенситных структур и насыщение этой
области диффузионным водородом приводит к повышению их склонности к образованию холодных трещин. В связи с
этим в настоящей работе представлены результаты исследований, цель которых заключалась в изучении влияния терми-
ческих циклов сварки на характер структурных превращений, твердость, статическую прочность и сопротивляемость
образованию холодных трещин металла ЗТВ высокопрочной среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ
с содержанием углерода 0,31 и 0,36 %. Для этого с использованием современных методов физического материалове-
дения путем моделирования фазовых превращений на установке «Gleeble 3800» была изучена структура и кинетика
превращения переохлажденного аустенита. Установлено, что в диапазоне скоростей охлаждения w6/5 = 2,5…30,0 °С/с
распад аустенита в образцах металла зоны термического влияния стали типа 30Х2Н2МФ, не зависимо от содержания
в ней углерода, происходит преимущественно в области мартенситного превращения. Показано, что твердость и ста-
тическая прочность металла зоны термического влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,36 %
обеспечиваются во всем рассмотренном интервале скоростей охлаждения. Подобные свойства металла зоны термиче-
ского влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,31 % могут быть достигнуты при условии, когда
они охлаждаются в температурном интервале 600…500 оС со скоростью не менее 10 °С/с. Результаты исследований
могут быть использованы для оптимизации режимов сварки специальной техники и дальнейшего совершенствования
режимов термической обработки стали. Библиогр. 15, рис. 7, табл. 4.
К л ю ч е в ы е с л о в а : высокопрочные легированные стали, зона термического влияния, термические циклы сварки,
термокинетические диаграммы распада аустенита, структура металла, твердость металла
В настоящее время при изготовлении сварных уз-
лов и корпусов колесной техники специального
назначения широко применяются термоупрочнен-
ные высокопрочные стали, легированные хромом,
никелем, молибденом, с содержанием углерода
от 0,25 до 0,50 %. Иногда такие стали микроле-
гируют ванадием, алюминием и бором. В зависи-
мости от назначения стали могут иметь среднюю
(HB ≥ 2850 МПа), повышенную (HB ≥ 3350 МПа)
и высокую (HB ≥ 3630 МПа) твердость, которую
они приобретают после соответствующей терми-
ческой обработки, состоящей из закалки и отпуска
[1–4].
Одно из основных требований, которое предъ-
является к сварным соединениям из данных ста-
лей, заключается в том, что твердость металла
зоны термического влияния (ЗТВ) соединений
должна быть не ниже твердости основного метал-
ла. Поскольку после сварки конструкции из ука-
занных сталей не закаливаются, а лишь подверга-
ются низкотемпературному отпуску, то становится
очевидным, что необходимые показатели твердо-
сти металл ЗТВ должен приобретать в состоянии
после сварки.
Известно [5, 6], что механические свойства ме-
талла определяют его структурный состав, кро-
ме того, формирование структуры в металле ЗТВ
сварных соединений зависит не только от химиче-
ского состава сталей, но и от термических циклов
сварки. При определенных условиях, когда металл
после нагрева охлаждается с малой скоростью, он
может разупрочняться. С повышением скорости
охлаждения его твердость и статическая проч-
ность, как правило, увеличиваются.
© В.Д. Позняков, В.А. Костин, А.А. Гайворонский, И.А. Моссоковская, В.В. Жуков, А.В. Клапатюк, 2015
92/2015
Сварные соединения высокопрочных среднеу-
глеродистых легированных сталей склонны к об-
разованию холодных трещин. Это связано с фор-
мированием в металле ЗТВ закалочных структур
и остаточных растягивающих напряжений [7–10].
При наличии диффузионного водорода в металле
вероятность образования холодных трещин воз-
растает, а сам процесс становится более интенсив-
ным [11, 12]. Для уменьшения риска образования
холодных трещин в сварных соединениях сред-
неуглеродистых высокопрочных сталей исполь-
зуют их подогрев. С одной стороны, это позво-
ляет управлять кинетикой фазовых превращений
и формировать структуры с повышенной стойко-
стью к образованию холодных трещин, а с дру-
гой — создавать условия для активной десорбции
водорода из сварного соединения.
В связи с этим цель настоящей работы заклю-
чалась в изучении влияния термических циклов
сварки на характер структурных превращений,
твердость, статическую прочность и сопротив-
ляемость образованию холодных трещин метал-
ла ЗТВ высокопрочной среднеуглеродистой леги-
рованной стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием
углерода 0,31 и 0,36 %.
В качестве объекта исследований были выбра-
ны образцы высокопрочной среднеуглеродистой
стали типа 30Х2Н2МФ, суммарное содержание
легирующих элементов ориентировочно состав-
ляло 4 % (табл. 1).
Механические свойства образцов в состоянии
после термообработки (закалка + низкотемпера-
турный отпуск) представлены в табл. 2.
Методики исследований. Химический ана-
лиз образцов проводили в соответствии с ГОСТ
18895–97 на оптическом эмиссионном спектроме-
тре «Спектровак-1000» (фирма «Baird», США).
Для выявления микроструктуры в образцах ис-
пользовали метод химического травления в 4 %
спиртовом растворе азотной кислоты. Образцы
для исследований изготавливали по стандартным
методикам с применением алмазных паст различ-
ной дисперсности.
Структурный анализ осуществляли с помощью
светового микроскопа «Neophot-32» при увеличе-
ниях 200 и 500. Цифровое изображение регистри-
ровали с помощью цифровой камеры «Olympus».
Микротвердость структурных составляющих и
интегральную твердость металла ЗТВ измеряли
на твердомере M-400 фирмы «LECO» при нагруз-
ках соответственно 100 г (НV 0,1) и 1 кг (HV 10)
по ГОСТ 2999–59.
Характер структурных превращений в метал-
ле ЗТВ образцов стали типа 30Х2Н2МФ изучали
методом имитации термодеформационного цик-
ла сварки (ТДЦС) с использованием комплекса
«Gleeble 3800», оснащенного быстродействую-
щим дилатометром [13]. Исследования выполня-
ли с применением цилиндрических образцов ди-
аметром 6,0 мм и длиной 80 мм, изготовленных
из листового проката толщиной 12 и 20 мм. В со-
ответствии с разработанной в ИЭС им. Е.О. Па-
тона методикой образцы нагревали в вакуумной
камере до температуры 1250 °С, а затем охлажда-
ли. При этом достаточно точно воспроизводились
параметры термического цикла сварки (тепловые
и временные) в металле ЗТВ соединений при ме-
ханизированной сварке в среде защитных газов
проволокой сплошного сечения диаметром 1,2 мм
с использованием разных режимов сварки. Ско-
рость нагрева образцов от 20 до 1250 °С составля-
ла 210 °С/с (время нагрева 6 с), скорость охлажде-
ния в температурном интервале 600…500 °С w6/5
изменяли в диапазоне 2,5…30,0 °С/с.
При изучении кинетики распада аустенита тем-
пературы начала и конца превращения определяли
по методике, представленной в работе [14].
Механические свойства металла ЗТВ (пре-
дел текучести, временное сопротивление разры-
ву, относительное удлинение и относительное су-
жение) определяли по результатам испытания на
статическое растяжение при температуре +20 оС
стандартных образцов (тип II по ГОСТ 6996–66).
Образцы изготавливали из предварительно об-
работанных по термическому циклу сварки за-
готовок стали размерами 12×12×150 мм. Во вре-
мя термической обработки заготовки нагревали
Т а б л и ц а 1 . Химический состав образцов стали типа 30Х2Н2МФ, %
№ образца С Si Mn Cr Ni Mo Cu V Al Ti S P
Х 0,31 1,16 0,74 1,66 2,26 0,30 0,080 0,20 0,040 0,024 0,010 0,016
Н 0,36 1,32 0,81 1,65 2,34 0,50 0,062 0,20 0,037 0,025 0,010 0,019
Т а б л и ц а 2 . Механические свойства образцов стали типа 30Х2Н2МФ
№ образца σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % KCU+20, Дж/см2 KCU-40, Дж/см2 HB, МПа
Требования ТЗ 1470…1660 1750…1960 ≥7 ≥15 ≥68,6 ≥29,4 3880…4990
Х 1426…1434 1673…1680 11,9…12,8 54,1…57,5 109…118 100…108 4150…4490
Н 1470…1486 1787…1802 10,2…10,7 46,6…49,2 78…86 74…85 4400…4490
10 2/2015
проходящим током до температуры 1250 оС (ско-
рость нагрева 150 оС/с), а затем охлаждали та-
ким образом, чтобы в температурном интерва-
ле 600…500 оС обеспечить скорость охлаждения
2,5…30,0 оС/с, которую регулировали путем изме-
нения интенсивности обдува заготовок аргоном.
Склонность стали к образованию холодных
трещин изучали по методу Имплант [15] с исполь-
зованием образцов-вставок диаметром 6,0 мм без
винтового надреза.
За показатель, характеризующий сопротивляе-
мость металла ЗТВ сварных соединений образо-
ванию холодных трещин, принимали критическое
напряжение sкр, при котором образец не разруша-
ется в течение 24 ч.
Содержание водорода в наплавленном метал-
ле оценивали с использованием метода «каран-
дашных проб». В качестве запирающей жидко-
сти применяли смесь дистиллированной воды с
глицерином.
Результаты исследований. Металл образца Х
в состоянии поставки (без термической обработ-
ки) имеет структуру, состоящую из смеси верхне-
го и нижнего бейнита с преобладанием структуры
верхнего бейнита (рис. 1, а). После термической
обработки структура стали трансформируется в
смесь мартенсита и нижнего бейнита (рис. 2, а).
Наблюдающиеся светлые полосы в структуре об-
разца Х связаны с характером химической микро-
неоднородности (прежде всего по углероду, сере и
фосфору), образующейся в процессе производства
стали. Используемая термическая обработка не-
сколько снижает степень химической неоднород-
ности, но полностью не устраняет полосчатость
структуры.
Исследования показали, что под действием
ТДЦС структура металла изменяется. Термоки-
нетическая диаграмма распада переохлажденного
аустенита, характеризующая влияние скорости ох-
лаждения w6/5 на структурно-фазовые превраще-
ния в металле ЗТВ сварных соединений стали об-
разцов Х, представлена на рис. 3, а. Температура
начала распада аустенита Аc3 для данного металла
составляет 870…880 оС. Температура начала мар-
тенситного (бездиффузионного) превращения со-
ставляет 350..355 оС, а окончания — 150…155 оС
(рис. 3, а).
Повышение твердости HV 0,1 мартенсит-
ной матрицы в 1,5 раза с 3680 (при 2,5 оС/с) до
5070 МПа (при 30 оС/с), судя по всему, связа-
но с уменьшением размеров пакетов мартенсита
(рис. 4) вследствие повышения доли участков с
благоприятной кристаллографической ориента-
цией для развития мартенситного превращения.
Этим, вероятнее всего, можно объяснить и тот
факт, что с увеличением скорости охлаждения ста-
Рис. 1. Структура (×500) стали 30Х2Н2МФ с содержанием углерода 0,31 (а) и 0,36 % (б) в состоянии поставки
Рис. 2. Структура (×500) стали 30Х2Н2МФ с содержанием углерода 0,31 (а) и 0,36 % (б) после закалки и низкого отпуска
112/2015
тическая прочность металла ЗТВ увеличивается,
а его пластические свойства снижаются (табл. 3).
Характер изменения микроструктуры метал-
ла ЗТВ стали 30Х2Н2МФ с содержанием 0,31 %
углерода приведен на рис. 5. Микроструктурные
исследования подтвердили, что в рассмотренном
диапазоне скоростей охлаждения (w6/5 = 2,5…30,0
°С/с) превращения переохлажденного аустенита в
металле ЗТВ стали происходят исключительно в
мартенситной области.
При скорости охлаждения w6/5 = 2,5°С/с на
участке перегрева металла ЗТВ образуется мар-
тенсит (М), размеры пакетов которого составля-
ют приблизительно hМ ~ 34,0 мкм (рис. 4; 5, а) с
микротвердостью HV 0,1 = 3360…3830 МПа. Ин-
тегральная твердость (HV 10) металла составляет
3680 МПа, σ0,2 = 1060 МПа, δ5 = 14,7 %.
При увеличении скорости охлаждения от 2,5
до 20,0 °С/с структура металла ЗТВ на участке
перегрева существенных изменений не претер-
певает. Однако размеры пакетов мартенсита при
этом уменьшаются от 32,8 мкм при w6/5 = 5,0 °С/с
до 19,0 мкм при w6/5 = 20,0 °С/с (рис. 4, 5). Ин-
тегральная твердость металла при этом увеличи-
вается от 4160 до 4670 МПа, а предел текучести
от 1127 до 1330 МПа. При этом его пластические
свойства снижаются от 14,1 до 12,8 %.
При w6/5 = 30,0 °С/с структура металла на участ-
ке перегрева ЗТВ стали типа 30Х2Н2МФ с содержа-
нием углерода 0,31 % также состоит из мартенсита,
размеры пакетов которого не превышают 12,5 мкм.
При этом микротвердость мартенсита повышает-
ся до HV 0,1 = 4170…4720 МПа, а интегральная
твердость металла возрастает до 5070 МПа (рис. 4;
5, е). За счет этого σ0,2 металла ЗТВ возрастает до
1534 МПа, а δ5 и ψ (пластичность) снижается до
11,7 и до 48,8 % соответственно.
Установленные закономерности изменения
структуры металла образца Х показывают, что
при скорости охлаждения w6/5 ≥ 20,0 °С/с в ме-
талле ЗТВ данной стали формируется мартенсит-
ная структура повышенной твердости. Очевидно,
что уровень локальных внутренних напряжений в
структуре металла при увеличении скорости ох-
лаждения будет также повышаться, а его способ-
ность к пластическому деформированию резко
снижаться. В комплексе с повышенным содержа-
нием водорода в металле ЗТВ это создает предпо-
сылки к тому, что данный металл будет иметь низ-
кую стойкость к образованию холодных трещин.
Исходя из этого можно предположить, что для
предупреждения образования холодных трещин в
сварных соединениях стали с содержанием угле-
Рис. 3. Термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита в металле ЗТВ соединений стали 30Х2Н2МФ с содер-
жанием углерода 0,31 (а) и 36 % (б) при дуговой сварке (t0 — время охлаждения)
Т а б л и ц а 3 . Механические свойства металла ЗТВ об-
разцов стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием углерода
0,31 %
w6/5, °С/с σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % HV 10, МПа
2,5 1060 1250 14,7 58,6 3680
5,0 1127 1330 14,1 58,0 4160
10,0 1200 1410 13,0 57,0 4390
15,0 1300 1510 12,4 55,1 4610
20,0 1330 1540 12,8 54,8 4670
30,0 1534 1684 11,7 48,8 5070
Рис. 4. Влияние скорости охлаждения на размер пакетов мар-
тенсита hM в структуре металла ЗТВ стали 30Х2Н2МФ с со-
держанием углерода 0,31 C (1) и 0,36 % (2)
12 2/2015
рода 0,31 % скорость охлаждения в металле ЗТВ
не должна превышать 20,0 °С/с.
Структура металла образца Н, содержащая
0,36 % углерода, в состоянии поставки (без терми-
ческой обработки) также состоит из смеси верх-
него и нижнего бейнита (см. рис. 1, б). После тер-
мической обработки (закалка + низкотемпературный
отпуск) структура стали превращается в смесь мар-
тенсита, верхнего и нижнего бейнита (рис. 2, б).
Под действием ТДЦС структура металла ЗТВ
изменяется, увеличиваются размеры структурных
составляющих и твердость металла. Обобщенные
результаты исследований влияния скорости ох-
лаждения на структурно-фазовые превращения в
металле ЗТВ представлены на рис. 3, б в виде тер-
мокинетической диаграммы распада переохлаж-
денного аустенита. На рис. 4 показано изменение
размеров структурных составляющих, а на рис. 5
приведены типичные микроструктуры, сформиро-
вавшиеся на участке перегрева металла ЗТВ под
воздействием ТДЦС. В табл. 4 представлены дан-
ные об изменении механических свойств металла
ЗТВ стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием угле-
рода 0,36 % под воздействием ТДЦС.
Как показали проведенные исследования, пре-
вращения переохлажденного аустенита в металле
ЗТВ стали с содержанием углерода 0,36% в диапа-
зоне скоростей охлаждения w6/5 = 2,5…30,0 °С/с,
Рис. 5. Микроструктура (×500) металла ЗТВ в участке перегрева стали 30Х2Н2МФ, содержащей 0,31 % С, при w6/5 = 2,5 °С/с
(а), 5,0 (б), 10,0 (в), 15,0 (г), 20,0 (д), 30,0 (е)
132/2015
как и в стали с содержанием углерода 0,31 %, так-
же происходят исключительно в мартенситной об-
ласти. Однако в отличие от стали с содержанием
углерода 0,31 % (образец Х) образование мартен-
сита в ней начинается при более низкой темпера-
туре превращения — 340…350 °С, а заканчивает-
ся при температуре 140 °С (см. рис. 3, б). Как и в
предыдущем случае на параметры структуры ме-
талла ЗТВ заметное влияние оказывает скорость
охлаждения. Данные относительно изменения
размеров пакетов мартенсита, микроструктуры и
интегральной твердости металла ЗТВ на участке
перегрева этой стали представлены на рис. 4, б и
3, б соответственно.
Результаты металлографических исследований
свидетельствуют, что при скорости охлаждения
w6/5 = 2,5 °С/с в структуре металла ЗТВ стали с со-
держанием углерода 0,36 % образуется мартенсит
(рис. 6, а), размеры пакетов которого ориентиро-
Т а б л и ц а 4 . Механические свойства металла ЗТВ об-
разцов стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием углерода
0,36 %
w6/5, °С/с σ0,2, МПа σв, МПа δ5, % ψ, % HV 10, МПа
2,5 1240 1460 12,8 55,8 4510
5,0 1262 1490 12,7 55,0 4550
10,0 1395 1615 12,1 53,6 4810
15,0 1445 1705 11,2 48,3 4980
30,0 1607 1896 10,4 46,8 5510
Рис. 6. Микроструктура (×500) металла ЗТВ в участке перегрева стали 30Х2Н2МФ, содержащей 0,36 % С, при w6/5 = 2,5 (а),
5,0 (б), 10,0 (в), 15,0 (г), 20,0 (д), 30,0 (е)
14 2/2015
вочно составляют hМ ~ 37,1 мкм (см. рис. 4) с ми-
кротвердостью НV 0,1 = 3930…4720 МПа. Инте-
гральная твердость закаленного металла ЗТВ при
данных условиях охлаждения составляет НV 10 =
= 4510 МПа, предел текучести находится на уров-
не 1240 МПа, а относительное удлинение состав-
ляет 12,8 %.
При увеличении скорости охлаждения от
w6/5 = 5,0 до 15,0 °С/с размеры пакетов мартен-
сита уменьшаются от 33,8 до 22,5 мкм, а его ми-
кротвердость увеличивается от 3810…4850 до
4470…5000 МПа (см. рис. 6). При этом интеграль-
ная твердость закаленного металла ЗТВ повыша-
ется от 4550 до 4980 МПа, значения σ0,2 от 1262
до 1445 МПа, а показатели относительного удли-
нения снижаются от 12,7 до 11,2 %.
Наиболее заметное изменение параметров
структуры на участке перегрева металла ЗТВ ста-
ли с содержанием углерода 0,36 % наблюдалось
в образцах, которые охлаждались со скоростью
w6/5 = 30,0 °С/с. При этом в металле ЗТВ форми-
руется структура мартенсита, которая имеет ми-
кротвердость НV 0,1 = 4460…5200 МПа с пакета-
ми размером hМ ~ 12,5 мкм. При таких условиях
формирования структуры закаленный металл ЗТВ
приобретает интегральную твердость на уров-
не НV 10 = 5510 МПа. При этом предел текуче-
сти металла увеличивается до 1607 МПа, а отно-
сительное удлинение и сужение уменьшаются до
10,4 и 46,8 % соответственно.
Таким образом, можно отметить, что в отличие
от стали, содержание углерода в которой состав-
ляет 0,31 %, в металле ЗТВ стали с содержанием
углерода 0,36 % мартенситная структура с повы-
шенной твердостью образуется при более низких
скоростях охлаждения w6/5 ≥ 15,0 °С/с. Исходя из
этого можно предположить, что для предотвраще-
ния образования холодных трещин в сварных со-
единениях технологические параметры режимов
сварки соединений стали 30Х2Н2МФ с содержа-
нием углерода 0,36 % должны быть такими, при
которых скорость охлаждения w6/5 металла ЗТВ не
будет превышать 15,0 °С/с.
Количественную оценку склонности стали
типа 30Х2Н2МФ к образованию холодных тре-
щин проводили с использованием образцов-вста-
вок, изготовленных из стали с содержанием угле-
рода 0,36 %.
Наплавку, которая соединяла образец-вставку с
опорной пластиной, выполняли механизированной
сваркой в смеси газов (80 % Ar + 20 % CO2) про-
волокой сплошного сечения марки Св-08ГСМТ
диаметром 1,2 мм. Содержание диффузионного
водорода [H]диф в металле, наплавленном указан-
ной проволокой в состоянии поставки, составляет
4,2 см3/100 г. Специальная подготовка проволоки
под сварку, которая заключалась в ее нагреве с пе-
чью до температуры 240 оС, выдержке при этой
температуре в течение 2 ч, охлаждении в печи
до температуры окружающей среды и последу-
ющей механической зачистке, позволила умень-
шить содержание [H]диф в наплавленном металле
до 1,1 см3/100 г. Результаты испытаний по методу
Имплант, характеризующие изменение sкр метал-
ла ЗТВ стали типа 30Х2Н2МФ в зависимости от
температуры предварительного подогрева образ-
цов и содержания диффузионного водорода в на-
плавленном металле, представлены на рис. 7.
Выполненные исследования свидетельству-
ют, что с увеличением содержания [H]диф в на-
плавленном металле от 1,1 до 4,2 см3/100 г спо-
собность металла ЗТВ стали типа 30Х2Н2МФ
сопротивляться образованию холодных трещин
снижается практически в 2 раза. Существенно по-
высить стойкость сварных соединений, выполнен-
ных проволокой Св-08ГСМТ, к данному виду раз-
рушения возможно за счет их предварительного
подогрева до температур 150…200 оС.
Выводы
1. Установлено, что в диапазоне скоростей ох-
лаждения w6/5 = 2,5…30,0 °С/с превращения пе-
реохлажденного аустенита в металле ЗТВ сред-
неуглеродистой легированной стали 30Х2Н2МФ
независимо от содержания в ней углерода проис-
ходят в области мартенситного превращения с об-
разованием незначительного количества верхнего
и нижнего бейнита.
2. С повышением скорости охлаждения образ-
цов w6/5 от 2,5 до 30,0 °С/с и содержания углерода
от 0,31 до 0,36 % твердость металла ЗТВ на участ-
ке перегрева увеличивается от 3680 до 5070 и от
4390 до 5420 МПа соответственно. При этом его
Рис. 7. Влияние температуры предварительного подогре-
ва Т0 образцов и содержания диффузионного водорода в на-
плавленном металле на склонность металла ЗТВ стали типа
30Х2Н2МФ к образованию холодных трещин: 1 — [H]диф =
= 1,1 см3/100 г; 2 — 4,2
152/2015
статическая прочность также повышается, в то
время как пластичность снижается.
3. Для предотвращения образования холодных
трещин в сварных соединениях технологические
параметры режимов сварки соединений стали
30Х2Н2МФ с содержанием углерода 0,31…0,36 %
должны быть такими, при которых скорость ох-
лаждения w6/5 металла ЗТВ не будет превышать
15 °С/с, а содержание диффузионного водорода в
наплавленном — 1,5 см3/100 г.
4. Увеличение содержания диффузионно-
го водорода в наплавленном металле от 1,1 до
4,2 см3/100 г снижает способность металла ЗТВ
стали типа 30Х2Н2МФ сопротивляться образова-
нию холодных трещин в 2 раза. Повысить стой-
кость сварных соединений стали, выполненных
проволокой Св-08ГСМТ, к образованию холодных
трещин, можно за счет их предварительного подо-
грева до температур 150…200 оС.
1. Totten G.E. Steel heat treatment: Metallurgy and technolo-
gies. Front сover. – CRC Press, 2006. – 848 p. – (Technology
& Engineering).
2. Каширский Ю.В., Колосков М.М. Информационный банк
по машиностроительным материалам и режимам обра-
ботки // Тяж. машиностроение. – 2000. – № 4. – С. 12–19.
3. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специаль-
ные стали: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1985.
– 408 с.
4. Большаков В.И., Долженков И.Е., Долженков В.И. Тех-
нология термической и комбинированной обработки ме-
таллопродукции: Учебник для вузов. – Днепропетровск:
Gaudeamus, 2002. – 390 с.
5. Влияние энерговложения на пластические свойства со-
единений стали Х70 при контактной стыковой свар-
ке оплавлением / С.И. Кучук-Яценко, Г.М. Григоренко,
Д.П. Новикова и др. // Автомат. сварка. – 2007. – № 6.
– С. 5–10.
6. Влияние термического цикла ЭШН ЖМ на структуру мо-
дельного многослойного слитка / Л.Б. Медовар, В.Я. Са-
енко, А.А. Полишко и др. // Зб. наук. праць Микол. ун-ту
суднобудування. – 2010. – № 1. – С. 75–83.
7. Seo J.S., Kim H.J., Ryoo H.S. Microstructure parameter
controlling weld metal cold cracking // J. of Achievements
in Materials and Manufacturing Engineering. – 2008. – 27,
Issue 2. – P. 199–202.
8. Стеренбоген Ю.А. Некоторые факторы, определяющие
стойкость металла ЗТВ мартенситных сталей против об-
разования холодных трещин // Автомат. сварка. – 1986.
– № 6. – С. 5–8.
9. Скульский В.Ю. Особенности кинетики замедленного
разрушения сварных соединений закаливающихся ста-
лей // Там же. – 2009. – № 7. – С. 14–20.
10. Гайворонский А.А., Саржевский В.А., Гордонный В.Г.
Свариваемость среднеуглеродистой легированной стали
38Х2МЮА // Там же. – 1997. – № 4. – С. 20–24, 33.
11. Hydrogen embrittlement property of a 1700 MPa class
ultrahigh strength tempered martensitic steel / S. Li,
E. Akiyama, K. Yuuji et al. // Sci. and Technol. Adv.
Materials. – 2010. – № 11. – P. 1–6.
12. Wongpanya P., Boellinghaus Th., Lothongkum G. Heat treatment
procedures for hydrogen assisted cold cracking avoidance in
S 1100 QL steel root welds //Welding in the World. – 2008.
– 52. – P. 671–678.
13. Григоренко Г.М., Костин В.А., Орловский В.Ю. Современ-
ные возможности моделирования превращения аустенита
в сварных швах низколегированных сталей // Автомат.
сварка. – 2008. – № 3. – С. 31–34.
14. Черепин В.Т. Экспериментальная техника в физическом
металловедении. – Киев: Техніка, 1968. – 280 с.
15. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легирован-
ных сталей. – М.: Машиностроение, 1981. – 247 с.
Поступила в редакцию 17.12.2014
НОВАЯ КНИГА
Брыков М.Н., Ефременко В.Г., Ефременко А.В. Износостойкость сталей и чугунов при
абразивном изнашивании. – Херсон: Гринь Д.С., 2014. – 364 с.
В монографии представлены результаты исследований
износостойкости сталей и чугунов при абразивном изнаши-
вании в широком диапазоне условий трения. Показано, что
высокая износостойкость может быть достигнута не только
за счет повышения объемной доли карбидных фаз в структу-
ре сплавов, но и благодаря получению матрицы высокоугле-
родистого нестабильного аустенита. Исследовано влияние
широкого спектра параметров трибосистемы на износостой-
кость нелегированных и легированных железоуглеродистых
сплавов в различном структурном состоянии.
Может быть полезна научным работникам, аспирантам,
студентам технических вузов, а также специалистам-прак-
тикам в области разработки и эксплуатации износостойких
материалов.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112964 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T01:26:00Z |
| publishDate | 2015 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Позняков, В.Д. Костин, В.А. Гайворонский, А.А. Моссоковская, И.А. Жуков, В.В. Клапатюк, А.В. 2017-01-30T17:53:49Z 2017-01-30T17:53:49Z 2015 Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ / В.Д. Позняков, В.А. Костин, А.А. Гайворонский, И.А. Моссоковская, В.В. Жуков, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2015. — № 2 (740). — С. 8-15. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112964 621.791.735.052.011 При изготовлении сварных металлоконструкций корпусов машин специального назначения широко используются термоупрочненные среднеуглеродистые и углеродистые легированные стали со средней, повышенной и высокой твердостью. С учетом требований обеспечения равнопрочности сварного соединения соответствующими значениями предела текучести должен обладать и металл зоны термического влияния. Однако в отличие от стали, которая приобретает необходимый комплекс механических свойств в результате исходной термической обработки (закалка + отпуск), механические свойства металла зоны термического влияния обеспечиваются путем формирования определенного комплекса микроструктур, формирующихся в процессе его охлаждения (режимов сварки). Формирование в металле зоны термического влияния сварных соединений данных сталей преимущественно мартенситных структур и насыщение этой области диффузионным водородом приводит к повышению их склонности к образованию холодных трещин. В связи с этим в настоящей работе представлены результаты исследований, цель которых заключалась в изучении влияния термических циклов сварки на характер структурных превращений, твердость, статическую прочность и сопротивляемость образованию холодных трещин металла ЗТВ высокопрочной среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ с содержанием углерода 0,31 и 0,36 %. Для этого с использованием современных методов физического материаловедения путем моделирования фазовых превращений на установке «Gleeble 3800» была изучена структура и кинетика превращения переохлажденного аустенита. Установлено, что в диапазоне скоростей охлаждения w6/5 = 2,5…30,0 °С/с распад аустенита в образцах металла зоны термического влияния стали типа 30Х2Н2МФ, не зависимо от содержания в ней углерода, происходит преимущественно в области мартенситного превращения. Показано, что твердость и статическая прочность металла зоны термического влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,36 % обеспечиваются во всем рассмотренном интервале скоростей охлаждения. Подобные свойства металла зоны термического влияния сварных соединений стали с содержанием углерода 0,31 % могут быть достигнуты при условии, когда они охлаждаются в температурном интервале 600…500 °С со скоростью не менее 10 °С/с. Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации режимов сварки специальной техники и дальнейшего совершенствования режимов термической обработки стали. Thermostrengthened alloyed medium-carbon and carbon steels of average, increased and high hardness are widely used in manufacture of welded metal structures for car bodies. HAZ metal should also have corresponding values of yield strength considering the requirements necessary for providing of welded joint full-strength. However, mechanical properties of HAZ metal obtained by means of formation of specific complex of microstructures, generated in process of its cooling (welding modes), in contrast to steel, which acquires necessary complex of mechanical properties as a result of initial heat treatment (quenching and tempering). Preferred formation of martensite structures in HAZ metal of welded joints from given steels and saturation of this area by diffusible hydrogen result in increase of their susceptibility to cold crack formation. In this connection, this work represents the results of investigations aimed at study of effect of welding thermal cycles on nature of structural transformations, hardness, static strength and cold crack resistance of HAZ metal of high-strength alloyed medium-carbon steel of the 30Kh2N2MF type with 0.31 and 0.36 % carbon content. Structure and kinetics of transformation of undercooled austenite was investigated using current methods of physical materials science by means of simulation of phase transformations on Gleeble 3800 machine. It is determined that austenite decomposition in the samples of 30Kh2N2MF steel HAZ, independent on carbon content in it, takes place mainly in area of martensite transformation at cooling rate w6/5= 2.5-30 °C/s. It is shown that hardness and static strength of HAZ metal in steel with 0.36%C are provided for the whole studied range of cooling rates. Similar properties of HAZ metal in steel with 0.31 % C can be achieved under condition of cooling at 600-500 °C and rate not less than 10°C/s. The results of investigations can be used for optimizing welding modes of special equipment and further improvement of modes of steel heat treatment. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ Effect of welding thermal cycle on structure-phase transformations and properties of haz metal of alloyed 30Kh2N2MF type medium-carbon steel Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ Позняков, В.Д. Костин, В.А. Гайворонский, А.А. Моссоковская, И.А. Жуков, В.В. Клапатюк, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ |
| title_alt | Effect of welding thermal cycle on structure-phase transformations and properties of haz metal of alloyed 30Kh2N2MF type medium-carbon steel |
| title_full | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ |
| title_fullStr | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ |
| title_full_unstemmed | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ |
| title_short | Влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла ЗТВ среднеуглеродистой легированной стали типа 30Х2Н2МФ |
| title_sort | влияние термического цикла сварки на структурно-фазовые превращения и свойства металла зтв среднеуглеродистой легированной стали типа 30х2н2мф |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112964 |
| work_keys_str_mv | AT poznâkovvd vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT kostinva vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT gaivoronskiiaa vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT mossokovskaâia vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT žukovvv vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT klapatûkav vliânietermičeskogociklasvarkinastrukturnofazovyeprevraŝeniâisvoistvametallaztvsredneuglerodistoilegirovannoistalitipa30h2n2mf AT poznâkovvd effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel AT kostinva effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel AT gaivoronskiiaa effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel AT mossokovskaâia effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel AT žukovvv effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel AT klapatûkav effectofweldingthermalcycleonstructurephasetransformationsandpropertiesofhazmetalofalloyed30kh2n2mftypemediumcarbonsteel |