Fine structure and fracture surface of low-carbon steel welds.pdf Введение Сварные соединения являются непременными элементами большинства конструкций. Структурно-фазовое состояние металла, формирующееся в процессе сварки и определяющееся ее режимами и способами, влияет на физико-механические характеристики изделия. На сегодняшнее время актуальной проблемой является повышение надежности металлоконструкций, эксплуатируемых в северных районах. Важную роль в решении этой проблемы играют флюсы и флюсовые добавки, гарантирующие получение высоких физико-механических свойств сварных соединений. Подбор химического состава флюса является сложной научно-технической задачей. Физико-механические свойства сварных соединений зависят не только от состава металла шва, но и от содержания неметаллических включений в нем. Большинство неметаллических включений, обнаруживаемых в сварных швах, являются оксидными соединениями экзогенного и эндогенного характера, образованными в результате раскисления металла кремнием и марганцем. Для преодоления этого недостатка необходимо использовать углеродсодержащие флюсы или добавки к ним [1]. Для обоснованного выбора углеродсодержащих добавок необходимо проведение подробных исследований структурно-фазовых состояний швов методами современного физического материаловедения. Цель работы - сравнительный анализ структуры и поверхности разрушения сварных швов, полученных с применением углеродсодержащей добавки и без нее. Материал и методика исследования Элементный состав исследуемых образцов металла сварного шва приведен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав образцов сварного шва (ост. Fe, вес.%) Образец C Si Mn Cr Ni Cu Nb Al S P № 1 0.12 0.66 1.43 0.02 0.06 0.10 0.011 0.012 0.027 0.008 № 2 0.09 0.71 0.51 0.03 0.10 0.11 0.014 0.023 0.018 0.012 Сварку под флюсом на основе шлака производства силикомарганца с применением углеродсодержащей добавки в количестве 6% (образец № 1) и без нее (образец № 2) производили встык без скоса кромок с двух сторон на образцах размером 500×75 мм толщиной 16 мм из листовой стали марки 09Г2С. Процесс осуществляли проволокой Св-08ГА с использованием сварочной установки ASAW-1250 при режимах: I = 700 А; U = 30 В; V = 35 м/ч. Размеры образцов и тип сварного соединения соответствовали требованиям для аттестации технологии и материалов для сварки. Химический состав углеродсодержащей добавки ФД-УФС по ТУ 5929-007-01395874-2015 (мас.%): (21-46.23) Al2O3; (18-27) F; (8-15) Na2O; (0.4-6.0) К2O; (0.7-2.3) CaO; (0.5-2.48) SiO2; (2.1- 3.27) Fe2O3; (12.5-30.2) C; (0.07-0.9) MnO; (0.06-0.9) MgO; (0.1-2.05) S; (0.1-0.18) P. Материал состоит из двухмерно-упорядоченного углерода (d0O2 = 3.47 Å, Lc = 45.8 Å), рентгеноаморфного вещества, криолита, корунда, хиолита и различных примесей. Химический состав флюса из отвального шлака (мас.%): (6.91-9.62) Al2O3; (22.85-31.70) CaO; (46.46-48.16) SiO2; (0.27-0.81) FeO; (6.48-7.92) MgO; (8.01-8.43) MnO; (0.28-0.76) F; (0.26-0.36) Na2O; ≤ 0.62 K2O; (0.15-0.17) S; 0.01 Р. Структуру поверхности разрушения и поверхности травления металла сварного шва анализировали методами сканирующей электронной микроскопии. Травление поверхности образцов осуществляли путем облучения импульсным электронным пучком на установке «СОЛО» [2]. Параметры облучения: энергия ускоренных электронов - 18 кэВ, плотность энергии пучка электронов - 10 Дж/см2, длительность импульса воздействия пучка электронов - 50 мкс, количество импульсов - 3, частота следования импульсов - 0.3 с-1, облучение проводили в среде остаточного инертного газа (аргон) при давлении 0.02 Па. Исследование морфологии фаз, дефектной субструктуры и фазового состава металла сварного шва осуществляли методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии (ПЭМ) [3-5]. Результаты исследования и их обсуждение Из табл. 1 следует, что образцы сварного шва отличаются по степени легирования, а именно суммарная концентрация легирующих элементов (C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Nb, Al) в образце № 1 составляла 2.413 вес.%, а в образце № 2 - 1.487 вес.%. При этом основное отличие в элементном составе металла шва исследуемых образцов наблюдается по концентрации марганца и углерода. Исследования структуры травленых шлифов сварного шва выявили присутствие большого количества частиц второй фазы. Обработка полированной поверхности стали импульсным электронным пучком приводит, в результате высокоскоростного нагрева тонкого поверхностного слоя, к формированию в области расположения включений второй фазы (карбиды, сульфиды, оксиды и т.д.) микрократеров [6]. На рис. 1 приведены результаты, полученные при исследовании поверхности излома металла сварного шва. Независимо от номера образца поверхность разрушения сформирована ямками отрыва. Часто на дне ямок располагаются частицы второй фазы округлой формы (рис. 1, б, частицы указаны стрелками). Это свидетельствует о том, что причиной разрушения материала является наличие частиц в данном объеме образца [7]. Размеры ямок вязкого разрушения в образце № 1 (рис. 1, а) в несколько раз меньше по сравнению с образцом № 2 (рис. 1, б). Последнее указывает на более мелкую структуру, формирующуюся в сварном шве образца № 1. Рис. 1. Ямки вязкого излома металла сварного шва образцов № 1 (а) и № 2 (б). Стрелками на (б) указаны частицы второй фазы Излом сварных швов независимо от номера образца содержит микропоры. Количество микропор в изломе образца № 1 в несколько раз больше по сравнению с образцом № 2, однако размеры микропор в изломе образца № 1 в 1.8 раза меньше, чем в образце № 2. Методами просвечивающей электронной дифракционной микроскопии установлено, что основной фазой исследуемых сварных швов независимо от номера образца является твердый раствор на основе α-железа. Кроме α-железа в сварном шве присутствуют частицы карбида железа (цементит) и, преимущественно в образце № 2, силицида железа состава Fe3Si (ОЦК-кристаллическая решетка, а = 0.28277 нм). В объеме зерен феррита наблюдается дислокационная субструктура, классификацию которой проводили в соответствии с работами [8, 9]. Во-первых, выявлены области с хаотически распределенными дислокациями. Скалярная плотность дислокаций, определенная методом случайно расположенных секущих, практически не зависит от номера образца и составляет ~ 3.58∙1010 см-2. Во-вторых, определены области с ячеисто-сетчатой дислокационной субструктурой. Скалярная плотность дислокаций в такой структуре в образце № 1 составляет 2.8∙1010 см-2, а в образце № 2 - 3.5∙1010 см-2. Особенностью структуры шва образца № 2 является присутствие зерен вырожденного перлита (рис. 2, а) и зерен феррита субмикронных размеров (рис. 2, б). Содержание зерен перлита весьма мало, поэтому их характеристики в работе не анализировались. Средние размеры зерен феррита составляют 800 нм. Скалярная плотность хаотически распределенных дислокаций в объеме таких зерен равна 3.2∙1010 см-2. Рис. 2. ПЭМ-изображения зерен перлита (а) и феррита субмикронных размеров (б) в сварном шве; на (а) обозначено: П - зерно перлита; Ф - зерно феррита Анализ структуры сварного шва методами тонких фольг позволил провести исследования внутренних полей напряжений, которые проявляются в виде изгибных контуров экстинкции [10] (рис. 3). Исследования показали, что источниками полей напряжений являются внутрифазные границы раздела (границы раздела зерен феррита) и межфазные границы раздела (границы раздела включение / матрица). Рис. 3. ПЭМ-изображения изгибных контуров экстинкции в структуре сварного шва; а - светлое поле; б - темное поле в рефлексе [110]α-Fe. Контуры указаны стрелками Электронно-микроскопические исследования металла сварного шва позволили провести количественный анализ характеристик структуры стали, результаты которого представлены в табл. 2. Определяли скалярную ( ) и избыточную ( ) плотность дислокаций, объемную долю цементита (Fe3C), по известным соотношениям [11] проводили оценку упрочнения металла вследствие присутствия дислокационной субструктуры и внутренних полей напряжений. Таблица 2 Результаты анализа дефектной субструктуры и фазового состава сварного шва Параметры структуры* Образец № 1 Образец № 2 , 1010, см-2 2.92 3.22 , 1010, см-2 2.04 2.87 Л, МПа 340 360 д, МПа 285пл + 0упр 335пл+130упр = 465 (Fe3C) 0.97% (0.41% - на границах, 0.56% - внутри зерна) 0.30% (0.20% - на границах, 0.10% - внутри зерна) Примечание: *Обозначено: - скалярная плотность дислокаций; - избыточная плотность дислокаций; Л - вклад в упрочнение металла, обусловленный торможением подвижных дислокаций дислокациями «леса»; д - вклад в упрочнение металла, обусловленный внутренними полями напряжений (пластическая и упругая составляющие); (Fe3C) - объемная доля частиц цементита. Анализируя результаты, приведенные в табл. 2, можно отметить, что в структуре металла сварного шва № 1 объемная доля цементита выше, чем в металле сварного шва № 2, что обусловлено, по всей видимости, более высоким уровнем легирования металла сварного шва № 1. Скалярная и избыточная плотность дислокаций в структуре металла сварного шва № 2 выше, чем в металле сварного шва № 1. Более высокая скалярная и избыточная плотность дислокаций привела к более высокому значению вклада в упрочнение металла, обусловленного торможением подвижных дислокаций дислокациями «леса» ( Л), и вклада в упрочнение металла, обусловленного внутренними полями напряжений сварного шва № 2 относительно металла сварного шва № 1. Последнее указывает на более высокий уровень внутренних напряжений в сварном шве № 2 и, возможно, на более значительное количество концентраторов напряжений, которые могут приводить к охрупчиванию материала данного образца. Заключение Методами сканирующей и просвечивающей дифракционной электронной микроскопии проведены исследования структуры, фазового состава, дислокационной субструктуры, поверхности разрушения сварных швов из низкоуглеродистой стали, полученных с применением углеродсодержащей добавки (образец № 1) и без нее (образец № 2). Основной фазой исследуемых сварных швов является твердый раствор на основе α-Fe. Средний размер зерен феррита составляет ~ 800 нм. Дислокационная субструктура представлена хаотически распределенными дислокациями и ячеисто-сетчатой субструктурой. Показано, что количество микропор в изломе образца № 1 значительно больше, чем в образце № 2, что может свидетельствовать об удалении газов за счет дополнительного применения углеродсодержащей добавки. Отмечено, что более высокие значения скалярной и избыточной плотности в сварном шве, сформированном без углеродсодержащей добавки во флюсе, могут быть ответственными за охрупчивание материала.

Скачать электронную версию публикации