Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес
Представленные результаты являются продолжением комплексных исследований и касаются влияния низкотемпературного отпуска, который выполняется в процессе замедленного охлаждения изделий после сварки, на механические свойства и трещиностойкость соединений высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2017 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2017
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148907 |
| 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: | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.С. Шишкевич, В.А. Ящук, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 22-28. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859945137455497216 |
|---|---|
| author | Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Шишкевич, А.С. Ящук, В.А. Клапатюк, А.В. |
| author_facet | Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Шишкевич, А.С. Ящук, В.А. Клапатюк, А.В. |
| citation_txt | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.С. Шишкевич, В.А. Ящук, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 22-28. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Представленные результаты являются продолжением комплексных исследований и касаются влияния низкотемпературного отпуска, который выполняется в процессе замедленного охлаждения изделий после сварки, на механические свойства и трещиностойкость соединений высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65%. Установлено, что отпуск при 100°С на протяжении до четырех часов способствует повышению показателей пластических свойств закаленного металла зоны термического влияния на 70%, ударной вязкости в 3 раза, трещиностойкости в 4,5 раза, долговечности сварных соединений в 2 раза. С вязано это со снижением до 1,5 раз плотности дислокаций в объеме реек бейнита и мартенсита, а также релаксацией напряжений ІІ рода.
Представлені результати є продовженням комплексних досліджень і стосуються впливу низькотемпературного відпускання, яке виконується в процесі сповільненого охолодження виробів після зварювання, на механічні властивості і тріщиностійкість з’єднань високоміцної сталі з вмістом вуглецю 0,55...0,65%. Встановлено, що відпускання при 100°С на протязі до чотирьох годин сприяє підвищенню показників пластичних властивостей загартованого металу зони термічного впливу на 70%, ударної в’язкості в 3 рази, тріщиностійкості в 4,5 рази, довговічності зварних з’єднань в 2 рази. Пов’язано це зі зниженням до 1,5 раза щільності дислокацій в об’ємі рейок бейніта і мартенсита, і релаксацією напружень ІІ роду.
Presented results are continuation of complex investigations and refer to effect of low-temperature tempering, which is carried out in process of delayed cooling of parts after welding, on mechanical properties and crack resistance of the joints of high-strength steel with 0.55-0.65% carbon content. It is determined that tempering at 100°C during four hours promotes rise of ductility property indices of quenched metal of heat affected zone by 70%, that of impact toughness 3 times, crack resistance 4.5 times, welded joint life duration 2 times. It is related with 1.5 time decrease of dislocation density in a volume of bainite and martensite laths as well as relaxation of stresses of II type.
|
| first_indexed | 2025-12-07T16:13:51Z |
| format | Article |
| fulltext |
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
22 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
doi.org/10.15407/as2017.08.03 УДК: 621.791.927.535
Повышение соПротивляемости
хрУПКомУ разрУшению металла
зоны термичесКого влияния
При наПлавКе железноДорожных Колес
А. А. ГАЙВОРОНСКИЙ, В. Д. ПОЗНЯКОВ, Л. И. МАРКАШОВА, А. С. ШИШКЕВИЧ,
В. А. ЯЩУК, А. В. КЛАПАТЮК
иЭс им. е. о. Патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Представленные результаты являются продолжением комплексных исследований и касаются влияния низкотемпера-
турного отпуска, который выполняется в процессе замедленного охлаждения изделий после сварки, на механические
свойства и трещиностойкость соединений высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65 %. Установлено,
что отпуск при 100 ос на протяжении до четырех часов способствует повышению показателей пластических свойств
закаленного металла зоны термического влияния на 70 %, ударной вязкости в 3 раза, трещиностойкости в 4,5 раза,
долговечности сварных соединений в 2 раза. связано это со снижением до 1,5 раз плотности дислокаций в объеме реек
бейнита и мартенсита, а также релаксацией напряжений ІІ рода. Библиогр. 14, табл. 2, рис. 7.
К л ю ч е в ы е с л о в а : высокопрочная углеродистая сталь, дуговая сварка, зона термического влияния, низкий отпуск,
структура, механические свойства, хрупкое разрушение, долговечность
При сварке высокопрочных сталей одной из
главных проблем является охрупчивание метал-
ла зоны термического влияния (зтв) вследствие
формирования в ней закалочных структур с низ-
кой способностью к микропластическому дефор-
мированию. Как известно [1, 2], пластические
свойства закаленного металла зтв предопреде-
ляют как вероятность образования холодных тре-
щин в соединениях при сварке, так и дальнейшую
работоспособность сварных соединений под дей-
ствием эксплуатационных нагружений. Для повы-
шения сопротивляемости металла хрупкому раз-
рушению применяют различные технологические
методы, из которых наиболее эффективными яв-
ляются термические способы обработки сварных
соединений. так, перед сваркой соединения пред-
варительно подогревают, что дает возможность
регулировать скорость охлаждения и структур-
но-фазовый состав закаленного металла зтв. Как
правило, эта технологическая операция позволяет
сваривать соединения высокопрочных сталей без
образования в них холодных трещин [3, 4]. но
предварительный подогрев не всегда эффективно
влияет на сопротивляемость металла зтв хрупко-
му разрушению под действием внешнего нагруже-
ния. Для решения этой задачи изделия после свар-
ки подвергают отпуску при температурах от 250
до 600 ос. термический режим отпуска (скорость
нагрева, температура и продолжительность вы-
держки, скорость охлаждения) зависит от состава
и уровня прочности стали, геометрических разме-
ров изделия. отпуск позволяет не только стабили-
зировать структуру металла сварных соединений,
но и существенно снизить уровень напряжений в
конструкции [5, 6]. К недостаткам способа следу-
ет отнести большие затраты энергии и необходи-
мость применения специализированного оборудо-
вания.
При сварке соединений высокопрочных
углеродистых сталей с содержанием углерода
0,55...0,65 % проблема повышения сопротивляе-
мости закаленного металла зтв хрупкому разру-
шению стоит наиболее остро. Как было показано
в работе [7], по сравнению с металлом в исходном
состоянии величина критического коэффициента
интенсивности напряжений K1с для зтв снижа-
ется в 4...8 раз. также было установлено, что для
повышения в 2...3 раза сопротивляемости зака-
ленного металла зтв хрупкому разрушению необ-
ходимо при сварке обеспечить условия для фор-
мирования структуры с превалирующей долей
нижнего бейнита. При этом содержание водорода
в металле зтв не должно превышать 0,2 мл/100 г.
но даже при таких условиях сварки сопротивляе-
мость хрупкому разрушению металла зтв соеди-
нений высокопрочной углеродистой стали суще-
ственно ниже, чем у основного металла.
в настоящее время высокопрочные углероди-
стые стали широко используются при изготов-
лении железнодорожных колес и бандажей для
магистрального транспорта, городского пасса-
жирского транспорта и транспорта предприятий.
содержание углерода в сталях изменяется от 0,55
до 0,70 %, а основными легирующими элемента-
© а. а. гайворонский, в. Д. Позняков, л. и. маркашова, а. с. шишкевич, в. а. ящук, а. в. Клапатюк, 2017
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
23ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
ми являются кремний (до 0,60 %) и марганец (до
1,20 %) [8]. в процессе длительной эксплуатации
колеса изнашиваются и при их восстановлении
используются методы наплавки. технология на-
плавки предусматривает применение предвари-
тельного подогрева и замедленного охлаждения
колеса после наплавки. так, при восстановлении
колес, изготовленных из колесной стали марки 2
(0,55...0,65 % с), температура предварительно-
го подогрева составляет 150 ос, а после наплавки
колеса охлаждаются в термокамерах до темпера-
туры 20...30 ос на протяжении 4...5 ч [9, 10]. не-
обходимость применения технологической опе-
рации замедленного охлаждения наплавленных
колес установлена экспериментально еще в на-
чале 1990-х годов, что позволило избежать обра-
зования трещин в наплавленных колесах при их
восстановлении. тогда также было показано, что
повышение температуры предварительного подо-
грева до 250 ос, но без замедленного охлаждения
колеса после наплавки, не дает существенного эф-
фекта в повышении трещиностойкости восстанов-
ленных колес.
цель данной работы – установить влияние ус-
ловий охлаждения на структуру, механические
свойства, сопротивляемость хрупкому разруше-
нию металла зтв и долговечность сварных соеди-
нений высокопрочных сталей с содержанием угле-
рода 0,55…0,65 %.
Материалы и методы исследований. в каче-
стве материала для исследований использовали
колесную сталь марки 2 (мас. %: 0,58 с; 0,44 Si;
0,77 Mn; 0,10 Ni; 0,05 Cr; 0,012 S; 0,011 P) и угле-
родистую сталь марки 65г (0,65 с; 0,19 Si; 0,91
Mn; 0,18 Ni; 0,16 Cr; 0,017 S; 0,010 P).
исследования выполняли на модельных и свар-
ных образцах. методы подготовки и испытаний об-
разцов подробно описаны в работе [7]. скорость
охлаждения модельных образцов при имитации
термодеформационного цикла сварки в интерва-
ле температур 600…500 ос (w6/5) составляла 6
ос/с.
при данной скорости охлаждения в металле зтв
колесной стали марки 2 (Kс2) формируется бей-
нитная структура (100 %), а в стали 65г — бейнит-
но-мартенситная структура при соотношении долей
структурных составляющих 66/34. при этом, часть
образцов беспрерывно охлаждали до комнатной
температуры, а другие при достижении определен-
ной температуры помещали в печь, выдерживали
при этой температуре в течение заданного времени,
после чего они охлаждались на воздухе до 20 ос в
естественных условиях. режим отпуска (выдерж-
ки) образцов в печи выбирали, исходя из температу-
ры обода колеса после наплавки, которая составля-
ет примерно 260 ос, и времени охлаждения колеса
в термокамере. исследовали влияние температур от-
пуска величиной 200, 150, 100 и 50 ос при выдержке
образцов в печи на протяжении 1...4 ч. в последую-
щем из них изготавливали образцы для испытаний
при статическом растяжении (гост 1497), ударе
(гост 9454), трехточечном изгибе (гост 25.506) и
для проведения металлографических исследований.
Для механических испытаний изготавливали по 3
образца на каждый режим термической обработки,
результаты испытаний усредняли.
структуру термообработанного металла, рас-
пределение и плотность дислокаций, изломы об-
разцов изучали методами оптической микро-
скопии, растровой и электронной микроскопии
(сэм-515 фирмы «Philips», JEM-200CX фирмы
JEOL). в дальнейшем расчетным методом [11],
используя экспериментально установленные па-
раметры субструктуры, определяли локальную
деформацию (εлок) и структурные напряжения ІІ
рода (τлок) в зависимости от условий охлаждения
металла.
сопротивляемость усталостному разрушению
сварных соединений, охлаждение которых проис-
ходило в различных условиях, оценивали при на-
гружении циклическим изгибом с симметричным
циклом, согласно общепринятым методам [12].
испытаниям подвергали образцы стыковых со-
единений размером 400×85 мм толщиной 10 мм
(65г) и 20 мм (Кс2), которые сваривали механи-
зированным способом под флюсом соответствен-
но в 3 и 6 проходов. сварку образцов выполняли
проволокой св-08хм диаметром 2 мм на режиме:
сварочный ток 240...280 а, напряжение на дуге
28...30 в, скорость сварки 24 м/ч.
при таких режимах погонная энергия сварки
составляла 10 кДж/см. Для исключения вероятно-
сти образования холодных трещин в соединени-
ях перед сваркой выполняли их предварительный
подогрев до 150 ос. после охлаждения сварные
образцы испытывали на установке Умп-1 при
симметрическом цикле нагружения с частотой
14 гц. напряжения цикла (σа) изменяли в диапа-
зоне от 60 до 120 мпа. Критерием оценки были
максимальные напряжения (предел выносливо-
сти σ–1), при которых в сварном соединении не об-
разуется трещин усталости после 2 млн. циклов
нагружения.
Результаты исследований и их обсуждение.
влияние температуры и времени отпуска на из-
менение механических свойств металла зтв оце-
нивали с использованием модельных образцов
стали 65г. обобщенные результаты испытаний
приведены на рис. 1. на графиках за нулевую точ-
ку на шкале абсцисс принята величина механиче-
ских свойств металла зтв, охлаждение которого
выполняли беспрерывно по термическому циклу
сварки.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
24 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
Установлено, что отпуск в интервале темпе-
ратур 50…200 ос в течение четырех часов су-
щественно не влияет на изменение прочност-
ных свойств закаленного металла зтв (рис. 1, а).
Кратковременная прочность металла находится в
диапазоне 1120…1090 мпа, а условный предел
текучести металла составляет 745…760 мпа. но,
как видно из представленных данных, величина
температуры низкого отпуска более существен-
но влияет на показатели пластических свойств и
ударной вязкости металла зтв, и это влияние не-
равнозначно (рис. 1, б, в). при температуре отпу-
ска 100 ос относительное удлинение повышается
в 1,3 раза (с 6,7 до 9 %), а сужение в 1,7 раза (с 15
до 25,6 %). при отпуске 150...200 ос эти показа-
тели постепенно снижаются до исходного уровня.
аналогичную тенденцию мы наблюдаем и с пока-
зателями ударной вязкости металла зтв, при этом
их повышение более существенное. при темпера-
туре испытаний 20 ос величина КCU увеличива-
ется в 3,1 раза (с 7 до 22 Дж/см2), при –20 ос — в
2,7 раза (с 6 до 16 Дж/см2), при –40 ос — в 2,5
раза (с 5 до 12,3 Дж/см2).
Учитывая полученные данные, в дальнейшем
оценивали влияние времени выдержки при темпе-
ратуре 100 ос на изменение пластичности и вязко-
сти металла зтв стали 65г. обобщенные результаты
этих исследований представлены на рис. 2. Уста-
новлено, что существенное повышение показателей
пластических свойств и ударной вязкости наблюда-
ется уже при двухчасовом отпуске. при увеличении
времени пребывания металла при 100 ос до четырех
часов показатели его пластичности повышаются на
16...22 %, показатели ударной вязкости при темпера-
туре испытаний 20 ос практически не изменяются, а
при отрицательных температурах повышаются соот-
ветственно на 21 и 40 %.
очевидно, что повышение пластичности метал-
ла зтв в результате задержки его охлаждения при
100 ос на 2...4 ч может быть связано только с изме-
нениями на субструктурном уровне, так как фазовые
превращения к этому моменту в основном уже за-
кончились (температура начала образования мартен-
сита 240 ос) [7]. снижение же его пластичности при
более высокой температуре отпуска (150...200 ос),
по-видимому, происходит в результате развития про-
цессов перераспределения углерода и выпадения
карбидов в виде тонких пластин на границах реек
бейнита и мартенсита [5].
при использовании методов оптической метал-
лографии существенной разницы в структуре за-
каленного металла образцов, которые охлаждались в
разных условиях, не выявлено (рис. 3). при всех ва-
риантах охлаждения структура представлена преи-
рис. 1. влияние температуры отпуска продолжительностью
4 ч на показатели прочности (а), пластичности (б) и ударной
вязкости (в) металла зтв стали 65г при температуре испыта-
ний: 1 — 20 ос; 2 — –20; 3 — –40
рис. 2. влияние времени выдержки при отпуске 100 ос на
показатели пластичности (а) и ударной вязкости (б) металла
зтв стали 65г при температуре испытаний: 1 — 20 ос; 2 —
–20; 3 — –40
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
25ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
мущественно нижним бейнитом (Бн) с микротвердо-
стью НV0,1 – 3620…3860 мпа и мартенситом (м)
(4120…4410 мпа). объемная доля верхнего бей-
нита (Бв) с микротвердостью 3030…3210 мпа не
превышает 10 %. обнаружены также отдельные
участки перлита (2570…2710 мпа) и остаточного
аустенита (2700 мпа) общим объемом не более 2 %.
Для подтверждения изменений на субструк-
турном уровне в металле зтв, которые происхо-
дят при низкотемпературном отпуске, были прове-
дены специальные электронно-микроскопические
исследования тонкой структуры образцов. Для
этого были отобраны образцы, которые охлажда-
лись беспрерывно по термическому циклу свар-
ки, и образцы с четырехчасовой выдержкой при
100 ос. обобщенные результаты исследований
приведены в табл. 1.
Установлено, что при отпуске металла зтв
в процессе его охлаждения происходят измене-
ния на субструктурном уровне, и они состояли в
следующем. плотность дислокаций ρ в элемен-
тах структуры уменьшилась примерно в 1,5 раза
(табл. 1). при этом ширина реек h структурных
составляющих не изменилась. Кроме того, наря-
ду с обычным мартенситом закалки (рис. 4, б) в
металле выявлены локальные участки с мартен-
ситом отпуска (рис. 4, г). расчетным методом,
используя параметры субструктуры, определе-
ны локальные деформации и напряжения II рода.
Установлено, что в объеме реек верхнего бейнита
локальные деформации и напряжения снизились в
1,4 раза, нижнего бейнита — в 1,5 раза, мартенси-
та — в 1,3...1,4 раза. очевидно, данные изменения
на субструктурном уровне есть главным фактором
увеличения показателей пластических свойств
и ударной вязкости металла зтв. и эти положи-
тельные изменения должны, как следствие, спо-
собствовать повышению его сопротивляемости
хрупкому разрушению.
Как отмечено в работе [7], критический ко-
эффициент интенсивности напряжений K1с для
металла зтв сталей 65г и Кс2 при скорости ох-
лаждения w6/5 = 6
ос/с и содержании водорода
[н]диф = 0,5 мл/100 г составляет соответственно 11
и 17,5 мпа√м, что в 6,5 раза и 3 раза ниже пока-
зателей для сталей в их исходном состоянии. эти
рис. 4. элементы тонкой структуры металла зтв стали 65г при беспрерывном охлаждении по термическому циклу сварки (а,
б), и с отпуском при 100 ос в течение четырех часов (в, с) (×30000): а, в — Бн; б, г — м
Т а б л и ц а 1 . Параметры тонкой структуры, расчетные величины локальной деформации и напряжений II рода
(ЗТВ, сталь 65Г)
Условия
охлаждения
элементы
структуры
Ширина реек
h, мкм
плотность
дислокаций ρ, см-2
локальная деформация
εлок, %
напряжения II рода
τлок, мпа
Беспрерывное
охлаждение по тцс
Бв 0,2…0,5 4…5×1010 2,8…9,0 739…924
Бн 0,4…0,7 6…7×1010 8,4…17,5 1109…1294
м 0,8…1,2 7…8×1010 17,5…33,6 1294…1474
по тцс до 100 ос,
отпуск 4 ч,
далее на воздухе
Бв 0,2…0,5 3…3,5×1010 2,1…6,3 554…646
Бн 0,4…0,7 4…4,5×1010 5,6…11,25 739…830
м 0,8…1,2 5…6×1010 14,0…25,0 924…1109
рис. 3. микроструктура (×500) металла зтв стали 65г
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
26 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
показатели сопротивляемости металла хрупкому
разрушению были получены при испытаниях об-
разцов в течение не более 0,5 ч после их наводо-
раживания. при испытаниях аналогичных образ-
цов после вылеживания (отдыха) в течение 72 ч
при комнатной температуре показатели K1с по-
высились соответственно в 1,9 и 1,5 раза (рис. 5).
очевидно, это связано с процессами диффузии
и частичном удалении водорода из закаленного
металла.
при двухчасовом отпуске при 100 ос показатель
K1с для зтв стали Кс2 повысился уже в 1,8 раза (от
17,5 до 32 мпа√м). Более существенное увеличе-
ние сопротивляемости хрупкому разрушению в 4
раза (от 11 до 45 мпа√м) при данных условиях ох-
лаждения отмечается для металла зтв стали 65г.
по нашему мнению, эти изменения можно объяс-
нить влиянием двух факторов. во-первых, удалени-
ем диффузионного водорода из металла полностью,
что было подтверждено экспериментально методом
«карандашной пробы» с использованием модель-
ных образцов после их разрушения. а, во-вторых,
как установлено ранее, с релаксацией напряжения
II рода в структуре закаленного металла. совмест-
ное действие этих двух процессов более наглядно
проявилось при испытаниях металла зтв с бейнит-
но-мартенситной структурой. при увеличении вре-
мени выдержки в печи при 100 ос до четырех часов
сопротивляемость развитию трещин в металле зтв
исследуемых сталей дополнительно увеличивается
еще примерно на 10 % (рис. 5).
структуру изломов изучали на образцах ме-
талла зтв стали Кс2. обобщенные результа-
ты исследований изломов в зоне магистрального
развития трещин приведены в табл. 2, на рис. 6
представлены характерные виды изломов. Уста-
новлено, что при выдержке металла зтв при
100 ос в течение 2...4 ч существенно изменяется
характер излома. на поверхности излома уже не
наблюдается хрупкого межзеренного разруше-
ния (хмз), доля хрупкого внутризеренного раз-
рушения (хвз) увеличивается до 80...90 %, дли-
на вторичных трещин резко уменьшается (со 120
до 30 мкм), а доля вязкой составляющей в изломе
увеличивается до 10...20 %.
проведенные исследования показали, что при-
меняя низкий отпуск (при 100 ос) в течение 2...4 ч
в процессе охлаждения железнодорожных колес
после их наплавки можно существенно, до 4,5 раз,
повысить сопротивляемость закаленного металла
зтв хрупкому разрушению, приблизив ее к пока-
зателям высокопрочной стали в исходном состо-
янии. Учитывая, что обод колеса в процессе бес-
прерывной наплавки разогревается до 260 ос, эту
технологическую операцию возможно выполнить
без дополнительных затрат энергии при замедле-
нии охлаждения железнодорожных колес в термо-
камерах. Для поддержания температуры метал-
ла на уровне 100 ос на протяжении длительного
времени необходимо использовать теплоизолиру-
ющие материалы в конструкции термокамер, ко-
торые устанавливаются отдельно на колесах, или
использовать подогрев до 50 ос в общих термока-
мерах, куда помещаются колесные пары после на-
плавки. экспериментально установлено, что при
таких условиях охлаждения колес после наплавки
время пребывания металла в области температур
130...90 ос увеличивается до четырех часов.
повышение сопротивляемости металла зтв
высокопрочных углеродистых сталей хрупко-
му разрушению положительно влияет на изме-
нение усталостной прочности сварных соедине-
ний (рис. 7). с применением отпуска при 100 ос
в течение четырех часов в процессе охлаждения
предел выносливости соединений повышается
рис. 5. сопротивляемость хрупкому разрушению металла
зтв сталей 65г (I) и Кс2 (II) ([н]диф = 0,5 мл/100 г) в зависи-
мости от условий охлаждения (1–4 —номера опытов в соот-
ветствии с табл. 2)
рис. 6. поверхность излома металла зтв стали Кс2 в зоне магистрального развития трещины в зависимости от условий ох-
лаждения (2, 3 – ×1010; 4 — ×2020). 2–4 — номера опытов (см. табл. 2)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
27ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
в 1,5...2,0 раза. при этом тенденция изменения
предела выносливости сварных соединений в за-
висимости от типа исследуемой стали отличает-
ся. по-видимому, это связано с различным струк-
турным состоянием закаленного металла зтв.
так, при отмеченных условиях сварки скорость
охлаждения в зтв соединений составляла w6/5 =
= 13...15 ос/с. при данной скорости охлаждения
в металле зтв стали Кс2 формируется бейнит-
но-мартенситная структура (соотношение струк-
турных составляющих примерно 70/30), а в стали
65г — преимущественно мартенситная (объем-
ная доля бейнита не более 3 %) [7]. поэтому при
двухчасовой выдержке при 100 ос, по сравне-
нию с четырехчасовой, предел выносливости для
соединений стали Кс2 составляет уже 92 % от
максимального значения, соответственно 110 и
120 мпа, а стали 65г — всего 67 % (80 мпа). из
этого следует, что при формировании преимуще-
ственно мартенситной структуры металла двухча-
совой выдержки при 100 °с еще недостаточно для
релаксации напряжений ІІ рода. на реализацию
микропластических изменений в таком металле
необходимо больше времени. следует также отме-
тить, что при выполнении независимых исследо-
ваний в Физико-механическом институте им. г. в.
Карпенко нан Украины (г. львов) по оценке из-
менений в развитии трещин усталости в металле
зтв в зависимости от условий охлаждения были
получены аналогичные результаты [13].
в заключение следует отметить, что проведен-
ные исследования позволили усовершенствовать
технологию наплавки с целью повышения на-
дежности восстановленных колес при эксплуата-
ции железнодорожного транспорта. новизна тех-
нологии, которая наряду с новыми требованиями
к условиям охлаждения железнодорожных колес
после наплавки, включает требования к величине
температуры предварительного подогрева в зави-
симости от содержания углерода в колесной стали
и к уровню легирования сварочных материалов,
подтверждена патентом Украины [14].
Выводы
1. Установлено, что применение низкотемператур-
ного отпуска при 100 ос в течение двух-четырех
часов в процессе охлаждения сварных соединений
высокопрочных сталей с содержанием углерода
0,55...0,65 %, способствует повышению показа-
телей пластических свойств закаленного металла
зтв до 1,7 раза и ударной вязкости до 3 раз при
сохранении его высокого уровня прочности. по-
вышение пластичности металла зтв происходит
вследствие положительных изменений на суб-
структурном уровне. при этом до 1,5 раз умень-
шается плотность дислокаций в объеме реек бей-
нита и мартенсита, а также уровень напряжений ІІ
рода в структуре закаленного металла зтв.
2. применение при наплавке железнодорожных
колес в процессе их охлаждения низкого отпуска
при 100 ос позволит существенно (до 4,5 раз), по-
высить сопротивляемость закаленного металла зтв
хрупкому разрушению, приблизив ее к показателям
высокопрочной стали в исходном состоянии. сопро-
тивляемость сварных соединений усталостному раз-
рушению при этом повышается до двух раз.
Список литературы
1. ю. н. роботнова (ред.) (1972) Новые методы оценки со-
противляемости металлов хрупкому разрушению. мо-
сква, мир.
2. макаров э. л. (1981) Холодные трещины при сварке ле-
гированных сталей. москва, машиностроение.
3. Касаткин о. г., миходуй л. и., Касаткин с. Б. и др. (1995)
сопротивление замедленному и хрупкому разрушению ме-
талла зтв высокопрочных сталей типа 14х2гмр. Автома-
тическая сварка, 2, 7–10.
4. скульский в. ю. (2009) особенности кинетики замед-
ленного разрушения сварных соединений закаливаю-
щихся сталей. Там же, 7, с.14–20.
5. Єфіменко м. г., радзівілова н. о. (2003) Металознавство і
термічна обробка зварних з’єднань. харків, нтУ хпІ.
рис. 7. влияние условий охлаждения на усталостную проч-
ность сварных соединений сталей 65г (I) и Кс2 (II). 1–4 —
номера опытов в соответствии с табл. 2
Т а б л и ц а 2 . Характер излома в зоне магистрального развития трещины (ЗТВ, сталь КС2)
номер
опыта Условия охлаждения K1с, мпа√м
характеристика излома
хвз, %
Lвт, мкм
хмз, %
Lвт, мкм
вязкий, %
1 Беспрерывное охлаждение по тцс 17,5 70/120 30/120 -
2 Беспрерывное охлаждение по тцс, отдых 72 ч 26 95/30 - 5
3 по тцс до 100 ос, отпуск 2 ч, далее на воздухе 32 90/30 - 10
4 по тцс до 100 ос, отпуск 4 ч, далее на воздухе 40 80/30 - 20
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ
28 ISSN 0005-111X АВТОМАТИЧЕСКАЯ СВАРКА, №8 (766), 2017
6. Анохов А. Е., Корольков П. М. (2006) Сварка и термиче-
ская обработка в энергетике. Київ, Екотехнологія.
7. Гайворонский А. А., Позняков В. Д., Маркашова Л. И и
др. (2016) Сопротивляемость хрупкому разрушению ме-
талла ЗТВ соединений высокопрочных сталей с содержа-
нием углерода 0,55…0,65 %, выполненных дуговой свар-
кой. Автоматическая сварка, 9, 3–9.
8. Бабаченко А. И., Литвиненко П. Л., Кныш А. В. и др.
(2011) Совершенствование химического состава ста-
ли для железнодорожных колес, обеспечивающего по-
вышение их стойкости к образованию дефектов на по-
верхности катания. Сб. науч. тр. ИЧМ НАН Украины.
Фундаментальные и прикладные проблемы черной ме-
таллургии. Днепропетровск, сс. 226–233.
9. Матвеев В. В. (2007) Восстановление железнодорожных
колес наплавкой. Киев, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Укра-
ины.
10. Гайворонський О. А. (2016) Умови забезпечення якості
відновлених наплавленням залізничних коліс. Наука
та прогрес транспорту. Вісник ДНУЗТ ім. В. Лазаряна,
5(65), 136–151.
11. Маркашова Л. И., Позняков В. Д., Бердникова Е. Н. и др.
(2014) Влияние структурных факторов на механические
свойства и трещиностойкость сварных соединений ме-
таллов, сплавов, композитных материалов. Автоматиче-
ская сварка, 6-7, 25–31.
12. В. И. Труфяков (ред.) (1990) Прочность сварных соеди-
нений при переменных нагрузках. Киев, Наукова думка.
13. Haivoronskyi O. A., Poznyakov V. D., Markashova L. I. et
al. (2016) Structure and mechanical properties of the heat-
affected zone of restored railway wheels. Materials Science,
51, 4, 563–569.
14. Гайворонський О. А., Позняков В. Д., Клапатюк А. В.
(2014) Спосіб відновлення виробів з високовуглецевих
сталей. Пат. 107301 Україна, МПК 2014.01, В23Р 6/00.
References
1. (1972) New methods for assessment of resistance of metals to
brittle fracture. Ed. by Robotnova. Moscow, Mir.
2. Makarov, E.L. (1981) Cold cracks in welding of alloy steels.
Moscow, Mashinostroenie.
3. Kasatkin, O.G., Mikhoduj, L.I., Kasatkin, S.B. et al. (1995)
Resistance to delayed and brittle fracture of HAZ metal of
14Kh2GMR type high-strength steels. Avtomatich. Svarka,
2, 7-10.
4. Skulsky, V.Yu. (2009) Peculiarities of kinetics of delayed
fracture of welded joints of hardening steels. The Paton
Welding J., 7, 12-17.
5. Efimenko, M.G., Radzivilova, N.O. (2003) Physical
metallurgy and heat treatment of welded joints. Kharkiv,
NTU KhPI.
6. Anokhov, A.E., Korolkov, P.M. (2006) Welding and heat
treatment in power engineering. Kyiv, Ekotekhnologiya.
7. Gajvoronsky, A.A., Poznyakov, V.D., Markashova, L.I. et
al. (2016) Brittle fracture resistance of HAZ metal in arc-
welded joints of high-strength steels with carbon content of
0.55-0.65 %. The Paton Welding J., 9, 2-8.
8. Babachenko, A.I., Litvinenko, P.L., Knysh, A.V. et al. (2011)
Improvement of chemical composition of steel for railway
wheels providing their resistance to defect formation on roll
surface. In: Fundamental and applied problems of ferrous
metallurgy: Transact., Dnepropetrovsk, 226-233.
9. Matveev, V.V. (2007) Restoration of railway wheels using
surfacing. Kiev, PWI.
10. Gajvoronsky, O.A. (2016) Conditions of quality assurance of
restored railway wheels by surfacing. Science and progress
of transport. Visnyk DNUZT im. V. Lazaryana, 5(65), 136-
151.
11. Markashova, L.I., Poznyakov, V.D., Berdnikova, E.N. et al.
(2014) Effect of structural factors on mechanical properties
and crack resistance of welded joints of metals, alloys and
composite materials. The Paton Welding J., 6-7, 22-28.
12. (1990) Strength of welded joints under alternating loadings.
Ed. by V.I. Trufyakov, Kiev, Naukova Dumka.
13. Haivoronskyi, O.A., Poznyakov, V.D., Markashova, L.I. et
al. (2016) Structure and mechanical properties of the heat-
affected zone of restored railway wheels. Mater. Sci., 51(4),
563-569.
14. Gajvoronsky, O.A., Poznyakov, V.D., Klapatyuk, A.V.
(2014) Method of restoration of high-carbon steel products.
Pat. 107301, Ukraine, Int. Cl. 2014.01, B23P 6/00.
О. А. Гайворонський, В. Д. Позняков, Л. І. Маркашова,
А. С. Шишкевич, В. А. Ящук, А. В. Клапатюк
ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАН України.
03680, м. Київ-150, вул. Казимира Малевича, 11.
E-mail: office@paton.kiev.ua
ПІДВИЩЕННЯ ОПОРУ КРИХКОМУ РУЙНУВАННЮ
МЕТАЛУ ЗОНИ ТЕРМІЧНОГО ВПЛИВУ
ПРИ НАПЛАВЛЕННІ ЗАЛІЗНИЧНИХ КОЛІС
Представлені результати є продовженням комплексних до-
сліджень і стосуються впливу низькотемпературного відпус-
кання, яке виконується в процесі сповільненого охолодження
виробів після зварювання, на механічні властивості і тріщи-
ностійкість з’єднань високоміцної сталі з вмістом вуглецю
0,55...0,65 %. Встановлено, що відпускання при 100 °С на
протязі до чотирьох годин сприяє підвищенню показників
пластичних властивостей загартованого металу зони терміч-
ного впливу на 70 %, ударної в’язкості в 3 рази, тріщиностій-
кості в 4,5 рази, довговічності зварних з’єднань в 2 рази.
Пов’язано це зі зниженням до 1,5 раза щільності дислокацій
в об’ємі рейок бейніта і мартенсита, і релаксацією напружень
ІІ роду. Бібліогр. 14, табл. 2, рис. 7.
Ключові слова: високоміцна вуглецева сталь, дугове зварю-
вання, зона термічного впливу, низьке відпускання, структу-
ра, механічні властивості, крихке руйнування, довговічність
O. A. Haivoronskyi, V. D. Poznyakov, L. I. Markashova,
A. S. Shishkevich, V. A. Yashchuk and A. V. Klapatyuk
E.O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine.
11 Kazimir Malevich str., 03680, Kiev-150, Ukraine.
E-mail: office@paton.kiev.ua
INCREASE OF BRITTLE FRACTURE RESISTANCE
OF METAL OF HEAT-AFFECTED OF ZONE IN RAILWAY
WHEEL SURFACING
Presented results are continuation of the complex investigations
and refer to effect of low-temperature tempering, which is carried
out in process of delayed cooling of products after welding, on
mechanical properties and crack resistance of the joints of high-
strength steel with 0.55-065 % carbon content. It is determined that
tempering at 100 °C during four hours promotes rise of ductility
property indices of quenched metal of heat-affected zone by 70 %,
that of impact toughness 3 times, crack resistance 4.5 times, welded
joint service life 2 times. It is related with 1.5 times decrease of
dislocation density in a volume of bainite and martensite laths as well
as relaxation of stresses of II type. 14 Ref., 2 Tables, 7 Figures.
Keywords: high-strength carbon steel, arc welding, heat-affected
zone, low-temperature tempering, mechanical properties, brittle
fracture, life
Поступила в редакцию 12.04.2017
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-148907 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T16:13:51Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Шишкевич, А.С. Ящук, В.А. Клапатюк, А.В. 2019-02-19T09:10:27Z 2019-02-19T09:10:27Z 2017 Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес / А.А. Гайворонский, В.Д. Позняков, Л.И. Маркашова, А.С. Шишкевич, В.А. Ящук, А.В. Клапатюк // Автоматическая сварка. — 2017. — № 8 (766). — С. 22-28. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2017.08.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148907 621.791.927.535 Представленные результаты являются продолжением комплексных исследований и касаются влияния низкотемпературного отпуска, который выполняется в процессе замедленного охлаждения изделий после сварки, на механические свойства и трещиностойкость соединений высокопрочной стали с содержанием углерода 0,55...0,65%. Установлено, что отпуск при 100°С на протяжении до четырех часов способствует повышению показателей пластических свойств закаленного металла зоны термического влияния на 70%, ударной вязкости в 3 раза, трещиностойкости в 4,5 раза, долговечности сварных соединений в 2 раза. С вязано это со снижением до 1,5 раз плотности дислокаций в объеме реек бейнита и мартенсита, а также релаксацией напряжений ІІ рода. Представлені результати є продовженням комплексних досліджень і стосуються впливу низькотемпературного відпускання, яке виконується в процесі сповільненого охолодження виробів після зварювання, на механічні властивості і тріщиностійкість з’єднань високоміцної сталі з вмістом вуглецю 0,55...0,65%. Встановлено, що відпускання при 100°С на протязі до чотирьох годин сприяє підвищенню показників пластичних властивостей загартованого металу зони термічного впливу на 70%, ударної в’язкості в 3 рази, тріщиностійкості в 4,5 рази, довговічності зварних з’єднань в 2 рази. Пов’язано це зі зниженням до 1,5 раза щільності дислокацій в об’ємі рейок бейніта і мартенсита, і релаксацією напружень ІІ роду. Presented results are continuation of complex investigations and refer to effect of low-temperature tempering, which is carried out in process of delayed cooling of parts after welding, on mechanical properties and crack resistance of the joints of high-strength steel with 0.55-0.65% carbon content. It is determined that tempering at 100°C during four hours promotes rise of ductility property indices of quenched metal of heat affected zone by 70%, that of impact toughness 3 times, crack resistance 4.5 times, welded joint life duration 2 times. It is related with 1.5 time decrease of dislocation density in a volume of bainite and martensite laths as well as relaxation of stresses of II type. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес Підвищення опору крихкому руйнуванню металу зони термічного впливу при наплавленні залізничних коліс Increase of brittle fracture resistance of metal of heat-affected zone in railway wheel surfacing Article published earlier |
| spellingShingle | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес Гайворонский, А.А. Позняков, В.Д. Маркашова, Л.И. Шишкевич, А.С. Ящук, В.А. Клапатюк, А.В. Научно-технический раздел |
| title | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| title_alt | Підвищення опору крихкому руйнуванню металу зони термічного впливу при наплавленні залізничних коліс Increase of brittle fracture resistance of metal of heat-affected zone in railway wheel surfacing |
| title_full | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| title_fullStr | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| title_full_unstemmed | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| title_short | Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| title_sort | повышение сопротивляемости хрупкому разрушению металла зоны термического влияния при наплавке железнодорожных колес |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/148907 |
| work_keys_str_mv | AT gaivoronskiiaa povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT poznâkovvd povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT markašovali povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT šiškevičas povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT âŝukva povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT klapatûkav povyšeniesoprotivlâemostihrupkomurazrušeniûmetallazonytermičeskogovliâniâprinaplavkeželeznodorožnyhkoles AT gaivoronskiiaa pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT poznâkovvd pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT markašovali pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT šiškevičas pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT âŝukva pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT klapatûkav pídviŝennâoporukrihkomuruinuvannûmetaluzonitermíčnogovplivuprinaplavlennízalízničnihkolís AT gaivoronskiiaa increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing AT poznâkovvd increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing AT markašovali increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing AT šiškevičas increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing AT âŝukva increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing AT klapatûkav increaseofbrittlefractureresistanceofmetalofheataffectedzoneinrailwaywheelsurfacing |