Идентификация и изучение свойств неметаллических включений в сварных соединениях

УДК 669.640.191

М. Н. Игнатов, А. М. Игнатова, А. Е. Канина

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ВКЛЮЧЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ

Аннотация. Для идентификации и изучения свойств неметаллических включений в металлах предлагается использовать методы наноиндентирования и растровой электронной микроскопии, поскольку они позволяют получить точные данные о включениях размером менее 100-50 мкм и обеспечивают точность математического моделирования внутренних напряжении в металле, содержащем их. Представлены исследования неметаллических включений в сварных соединениях трубопроводов, доказано, что они представлены не чистыми оксидами, а сложными минеральными фазами, имеют сложную морфологию. Это приводит к тому, что реальная площадь поверхности увеличивается и отличается от теоретической в 2 раза, а это значительно занижает расчетные значения надежности сварных соединений. Рекомендовано использовать полученные данные для более точного моделирования и прогнозирования надежности сварочных соединений.

Ключевые слова: сварка, сталь, сварные соединения трубопровода, неметаллические включения, синтетические минеральные сплавы.

M. N. Ignatov, A. M. Ignatova, A. E. Kanina

IDENTIFICATION AND PROPERTIES OF NONMETALLIC INCLUSIONS IN WELDED JOINTS

Abstract. In order to identify and study the properties of non-metallic inclusions in metals the article suggests to use the methods of nanoindentation and SEM, as they provide accurate data on the inclusions of the size of less than100-50 microns and provide accurate mathematical modeling of internal stresses in the metal containing them. The article presents the study of non-metallic inclusions in the welded pipe joints. It is proved that they are not pure oxides and complex mineral phases have a complex morphology. This leads to the fact that the actual surface area increases, and differs from the theoretical 2-fold, and this significantly lowers the reliability of the calculated welded joints. It is recommended to use the obtained data for more accurate modeling and predicting the reliability of welded joints.

Key words: welding, steel welded pipe connections, non-metallic inclusions, synthetic mineral alloys.

Введение

Большинство конструкций из стали монтируется с помощью сварки, в то же время именно сварные соединения являются наиболее уязвимым участком конструкций, зачастую из-за их износа или разрушения происходят серьезные аварии. Причины выхода из строя сварных соединений могут быть различны, однако наиболее распространенной являются неметаллические включения (НВ) [1]. Основная часть НВ, как правило, влияет на усталостные свойства сталей. Усталостное разрушение стали начинается у микротрещин, которые могут образоваться в результате разрушения самого включения, от-

рыва по внутренней границе в многофазных включениях или отрыва по границе раздела между включением и металлической матрицей. Причины возникновения зародышевых трещин от неметаллических включений - это различие в термоупругих характеристиках металлической матрицы и включения. Наиболее важные факторы, определяющие, является ли включение критическим для зарождения трещины, - это его химический состав, размер, форма, плотность распределения и расположение относительно поверхности.

Хрупкое разрушение могут вызвать как крупные включения, так и скопление мелких включений. Неметаллические включения увеличивают анизотропию свойств, особенно показатели пластичности - относительное удлинение и сужение, и играют большую роль в усталостной прочности стали [2, 3].

Состав и морфология включений в сталях различны и зависят от способа ее производства и обработки. Размер НВ находится в диапазоне от 5 мкм и меньше в стальных слитках, до 100 мкм и более в листовом стальном прокате. Несмотря на то, что все существующие технологические усовершенствования по производству стали и изделий из нее направлены на максимальное снижение концентрации НВ, их доля остается весьма значительной, например, кремнеземистых включений содержится около 108 в 1 см3 [4]. Загрязненность готовой металлопродукции НВ регламентируют стандарты, устанавливающие ограничение по концентрации серы и кислорода в металле и максимально допустимый размера включений, согласно этим стандартам качество металлопродукции оценивают по системе баллов [5].

НВ могут быть причиной не только механического и усталостного разрушения, но и могут спровоцировать аномально высокую скорость коррозии стали. Вызывают подобный деструктивный процесс НВ особого типа, которые условно названы коррозионно-активными неметаллическими включениями (КАНВ) [6].

НВ, вне зависимости от того, к какому типу они относятся, представляют собой химические соединения металлов с неметаллами, находящиеся в стали и сплавах в виде отдельных фаз [7]. Однако мы предлагаем конкретизировать данное определение тем, что химические соединения, которыми являются НВ, относятся к группе материалов синтетических минеральных сплавов.

Синтетические минеральные сплавы (симиналы) - это материалы, состоящие из комплексных химических соединений оксидов металлов и некоторых неметаллов, например 81. Они подобны природным минералам по химическому составу, однако отличаются от них по некоторым структурным параметрам.

Общей целью многих технологических и фундаментальных исследований в области повышения качества стали является обеспечение минимального количества и размера включений, а также контроль их распределения в металле. Однако не менее важной является идентификация и изучение самих включений. В связи с этим актуальным является использование современных методов и способов идентификации неметаллических включений в сварных соединениях.

Работа преследует цель продемонстрировать возможности современного оборудования и методов исследования для идентификации и оценки НВ в стальных соединениях.

1. Исследуемые материалы и оборудование

Для исследования использованы образцы сварных соединений, полученных на низкоуглеродистой трубной стали Х70 производства Японии (российский аналог - сталь 10Г2С) (класс прочности К60), размер трубы 1420^15,7 мм. Сварка кольцевого шва трубы выполнена по технологии РД+МПС (корень - ручная дуговая сварка, заполнение и облицовка - полуавтоматическая сварка самозащитной порошковой проволокой) в производственных условиях. Сварочные материалы: для сварки корня шва использованы электроды LB-52U (ЛБ-52У) (0 3,2 мм; Kobe Steel, Ltd (Япония)), для заполняющих и облицовочного слоев - самозашитная порошковая проволока Innershield NR-208Spesial (0 2,0 мм; The Lincoln Electric Company (США)).

В качестве наиболее современных методов выбраны рентгеноспектральный (микрозондовый) анализ и наноидентирование.

Рентгеноспектральный (микрозондовый) анализ проведен на электронном сканирующем микроскопе JSM-63090LV с энергодисперсионным спектрометром INCA Energy 350 DC при следующих условиях: рабочее расстояние - 10 мм, ускоряющее напряжение - 20 кВ, SS - 60.

Для рентгеноспектрального анализа образцы размером 7*7*10 мм вырезали электроэрозионной резкой при использовании проволочного электро-эрозионного станка, модель ECOKAD L+10, диаметр проволоки 0,25 мм, скорость резки 8 м/с. Для выполнения рентгеноспектрального анализа поверхность образцов была тщательно отполирована и очищена, поскольку неровности приводят к нетипичному рассеиванию рентгеновских лучей и значительным ошибкам в определении концентрации элементов.

В рентгеноспектральном (микрозондовом) анализе при исследовании пробы образец сканируется с помощью электронного микрозонда - пучка электронов диаметром до 1 мкм, этот метод дает возможность определить химический состав отдельных неметаллических включений, а в некоторых случаях и состав в разных зонах самого включения, что позволило идентифицировать включения на более высоком уровне.

Метод наноиндентирования позволяет определить свойства НВ. Данный метод предполагает пошаговое внедрение микроскопического инденто-ра, который представляет собой алмазную пирамидку, на участке поверхности образца, на котором присутствует «вскрытое» НВ. Результаты исследований получены с помощью прибора NanoTest-600 (производитель Micro Materials Ltd., Великобритания). Площадь участка на поверхности образца составила 90*90 мкм, шаг индентирования составил 5 мкм, нагрузка в каждой точке составила 100 иН, в результате испытания были получены данные о распределении значения твердости и модуля упругости на участке эксперимента, а значит, были получены сравнительные характеристики этих величин как у НВ, так и у основного металла.

Для рентгеноспектрального анализа были подготовлены образцы из двух основных зон сварного соединения: корневом шве 1 (рис. 1) и заполняющих слоях 2 (рис. 1).

2. Результаты исследований

Исследования, проведенные с помощью рентгеноспектрального анализа, позволили прежде всего установить, что в корне сварного шва и в запол-

няющих слоях преобладают комплексные включения сложного химического состава на основе оксида кремния 8Ю2, сульфатов (804), хлоридов (С1) и фторидов (Б). Кроме того, подтверждается химическая неоднородность некоторых включений и четко прослеживаются тенденции, определяющие связь химического состава включений с составами стали и сварочных материалов.

Рис. 1. Схема выборки образцов для исследования сварного соединения методом рентгеноспектрального анализа

В корневом шве были обнаружены три основных типа включений, каждый из которых имеет свой химический состав (табл. 1). В заполняющих слоях шва выявлено два основных типа (табл. 2).

Таблица 1

Химический состав зерен минеральных фаз в корне шва

Тип включения 2 О Si АІ2О3 SO3 Na20 MgO Ti02 &2O3 MnO CaO Fe0+ ZnO NiO

І 64,80 0,00 0,00 0,00 30,49 0,00 0,І4 0,00 0,00 4,22 0,00 0,35

2 53,60 0,60 0,00 0,00 30,І5 0,00 0,ІІ 0,ІІ 0,00 І4,95 0,00 0,43

3 4,54 5,30 29,24 7,25 3,І5 0,72 0,00 0,00 26,23 І7,26 3,82 0,00

Примечание. БеО* - суммарное содержание оксидов железа.

Таблица 2

Химический состав зерен заполняющего слоя шва

Тип включения 2 iO Si AI2O3 F MgO TiO2 &2O3 MnO CaO FeO*

1 І 1,69 — 3,07 І,2І — — 9,30 2,І6 3,4 І

2 - 0,48 — 0,09 0,00 0,03 0,35 0,72 30,29

Примечание. БеО* - суммарное содержание оксидов железа.

Методом кристаллохимических расчетов были установлены формулы включений различного типа. В корне выявлены следующие включения: первое соответствует по стехометрии сепиолиту (минерал из класса силикатов).

Его кристаллохимическая формула: (Mg2.792 Ре0.218 №0.015983^0.002)3.025^3, О11]. Второе включение по стехиометрии относится к бронзиту (магнезиальножелезистая разновидность минералов класса силикатов). Его кристаллохимическая формула: (Mgl.616 Ре0.449 К10.012Мп0.004)2.081[(811.929А10.025 Сг0.002)1.956 О6]

(рис. 2). Третье включение является полиминеральным агрегатом, в составе которого можно выделить преобладающую в процентном отношении сульфатную составляющую (возможные минеральные фазы: ангидрит-Са8О4, ме-лантерит-Ре8О47И2О, астраханит-Na2Mg[SO4]4H2O), хлоридную (галит-КаС1) и силикатную (кальциевый, железистый и магнезиальный алюмосиликат). Кристаллохимическую формулу данного сложного соединения вычислить невозможно, поэтому ограничились лишь перечислением наиболее вероятных минеральных форм, примерно отвечающих полученному химическому составу зерна. Первое - родонит с примесью фтора. Его кристаллохимическая

формула: (Са0.717М52.792)(Мп3.100 Ре1.137)4.237[А1 1.043^3.897^.940 О6] (рис. 3). Второе оказалось искусственным соединением оксида железа с примесью Mg, Са, Mn, N1, Сг, А1. Кристаллохимическая формула: (Mg0.011, Са0 09, Mn0.044,

№0.005 Fe3.786, А10.025 Сг0.002)1.956 [О6].

10kV Х2,300 Юрт 0001 08 60 SEI

Рис. 2. Комплексное включение сложного химического состава

(М&.616 Бе0.449 Ni0.012Mn0.004 СГ0.002)2.081[(8І1.929АІ0.025)1.956 0б] в корне Шва

Изменение концентрации химических элементов в неметаллических включениях в разных областях сварного соединения говорит об образовании включений не только путем перехода их из основного или электродного металла, но и в результате химических реакций, протекающих при свар-

ке. НВ в металле шва имеют часто сложный состав и структуру, потому как продукты реакций (протекающих в сварочной ванне), выделяясь из раствора, взаимодействуют между собой - образуют растворы, химические соединения [8].

Рис. 3. Комплексное включение сложного химического состава

(Caо.7l7Mg2.792)(Mnз.lоо Ре1.137)4.237[А1 l.о4зSiз.897)4.94о Об] в заполняющем слое шва

Единым для всех включений является то что, каждое отдельное неметаллическое включение затвердевает как самостоятельная изолированная «отливка» из синтетических минеральных сплавов, а окружающий основной металл вокруг представляет собой металлическую матрицу для этих процессов. Можно сказать, что процесс формирования внутренней структуры включений и процесс затвердевания металла протекают параллельно и по различным принципам [9].

Исследование механических свойств НВ в матрице стали, проведенное по методу наноиндентирования, также позволило выяснить некоторые особенности их поведения. Первичные результаты имели вид диаграммы «сила -перемещение», с помощью графической визуализации и автоматизированного математического расчета эти результаты были переведены в топографические схемы распределения значений твердости и модуля упругости на поверхности исследуемого участка (рис. 4).

Анализ результатов, полученных в ходе наноэксперимента, позволил установить, что твердость неметаллических включений составляет 2,64-3 ГПа, а приведенный модуль упругости - 525-580 ГПа, что примерно на 20 % выше аналогичных показателей стальной матрицы.

Топографическая картина прежде всего подчеркивает, насколько велико количество неметаллических включений в металле, это естественно под-

тверждает, что их влияние на свойства как самих сталей, так и их сварных соединений весьма значительно. Эти данные были использованы при моделировании поведения неметаллических включений в металле под действием нагрузки.

Рис. 4. Топография распределения свойств по площади участка эксперимента, твердость

При моделировании в качестве примера конструкции было выбрано сварное соединение трубопровода. При действии заданной нагрузки на стенку трубопровода в сварном шве в неметаллических включениях, которые представляют собой скопление, размер и свойства которого были определены в ходе описанных исследований, величина напряжения увеличивается в среднем от 18 до 35 % .

При этом отмечено значительное увеличение напряжения в неметаллических включениях, характерное расположение которых наблюдается ближе к корню шва (при одинаковой площади включений по сечению шва) от 35 до 38 %. В данном случае важное значение имеет размер шва. Изменение конфигурации трубы в сварном шве приводит к образованию дополнительных изгибных волн и величина напряжений увеличивается. Величина усиления корня шва значительно меньше облицовочной, в связи с этим ближе к корню шва происходит значительная концентрация напряжений и увеличение его значения.

Кроме того, при увеличении площади включений в 2 раза величина напряжений возрастает на 70 %.

Заключение

Таким образом, представлены новейшие методы исследования неметаллических включений, продемонстрированы их возможности на конкретных примерах. Доказано, что неметаллические включения имеют природу минеральных соединений, что уточняет дальнейший процесс моделирования влияния различных включений на прочность металлоконструкций.

Список литературы

1. Смирнов, Н. А. Современные методы анализа и контроля продуктов производства / Н. А. Смирнов. - 2-е изд., дополн. и перераб. - М. : Металлургия, 1985. -256 с.

2. Семенова, Е. С. Проблемы оценки качества металла, методы и объем контроля трубопроводной арматуры опасных производственных объектов / Е. С. Семенова // Техническое регулирование. Actual Conferens. - 2010. - V. 2 (65). -С. 22-25.

3. Малкин, А. И. Процессы зарождения и роста коррозионных трещин на стали магистральных трубопроводов. Ч. II. Кинетические закономерности и влияние условий эксплуатации на КРН трубных сталей в водных средах / А. И. Малкин, А. И. Маршаков, В. Э. Игнатенко // Коррозия: материалы, защита. - 2010. - № 2. -С. 1-13.

4. Подгаецкий, В. В. Неметаллические включения в сварных швах / В. В. Под-гаецкий. - М. ; К. : МАШГИЗ, 1962. - 84 с.

5. Колосов, М. И. Качество слитка спокойной стали / М. И. Колосов,

А. И. Строганов, Ю. Д. Смирнов, Б. П. Охримович. - М. : Металлургия, 1973. -

408 с.

6. Басиев, К. Д. Механо-коррозионные процессы в грунтах и стресс-коррозия в магистральных газопроводах / К. Д. Басиев, А. А. Бигулаев, М. Ю. Кодзаев // Вестник Владикавказского научного центра. - 2005. - № 1. - С. 34.

7. Сокол, И. Я. Структура и коррозия металлов и сплавов: Атлас : справ. изд. / И. Я. Сокол, Е. А. Ульянин, Э. Г. Фельдгандлер. - М. : Металлургия, 1989. - 400 с.

8. Флемингс, М. Процессы затвердевания / М. Флемингс. - М. : Мир, 1977. - 420 с.

9. Beskow, K. Chemical characteristics of inclusions formed at various stages during the ladle treatment of steel / K. Beskow, J. Jia, C. H. P. Lupis, and Du Sichen // Iron-making and Steelmaking. - 2002. - V. 29, № 6. - Р. 427-435.

References

1. Smirnov, N. A. Sovremennye metody analiza i kontrolya produktov proizvodstva [Modern methods of analysis and control of production outputs]. Moscow: Metallurgi-ya, 1985, 256 p.

2. Semenova E. S. Tekhnicheskoe regulirovanie. Actual Conferens [Technical regulation. Actual conference]. 2010, vol. 2 (65), pp. 22-25.

3. Malkin A. I., Marshakov A. I., Ignatenko V. E. Korroziya: materialy, zashchita [Corrosion: materials, protection]. 2010, no. 2, pp. 1-13.

4. Podgaetskiy V. V. Nemetallicheskie vklyucheniya v svarnykh shvakh [Non-metallic inclusions in welded joints]. Moscow ; Kiev: MAShGIZ, 1962, 84 p.

5. Kolosov M. I., Stroganov A. I., Smirnov Yu. D., Okhrimovich V. R. Kachestvo slitka spokoynoy stali [Killed steel bar quality]. Moscow: Metallupgiya, 1973, 408 p.

6. Basiev K. D., Bigulaev A. A., Kodzaev M. Yu. Vestnik Vladikavzskogo nauchnogo tcentra [Bulletin of Vladikavkaz scientific center]. 2005, no. 1, p. 34.

7. Sokol I. Ya., Ul'yanin E. A., Fel'dgandler E. G. Struktura i korroziya metallov i splavov: Atlas: sprav. izd. [Structure and corrosion of metals and alloys: reference book]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 400 p.

8. Flemings M. Protsessy zatverdevaniya [Processes of solidification]. Moscow: Mir, 1977, 420 p.

9. Beskow K. Jia J., Lupis C. H. P., Du Sichen. Ironmaking and Steelmaking. 2002, vol. 29, no. 6, pp. 427-435.

Игнатов Михаил Николаевич

доктор технических наук, профессор, кафедра сварочного производства и технологии конструкционных материалов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

E-mail: svarka@pstu.ru

Игнатова Анна Михайловна

кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

E-mail: anutapages@gmail.ru

Канина Александра Евгеньевна аспирант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

E-mail: rusalka-88@mail.ru

Ignatov Mikhail Nikolaevich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of welding fabrication and structural material technology, Perm National Research Polytechnic University

Ignatova Anna Mikhaylovna Candidate of engineering sciences, senior staff scientist, Perm National Research Polytechnic University (Perm,

29 Komsomolsky avenue)

Kanina Aleksandra Evgenyevna Postgraduate student, Perm National Research Polytechnic University

УДК 669.640.191 Игнатов, М. Н.

Идентификация и изучение свойств неметаллических включений в сварных соединениях / М. Н. Игнатов, А. М. Игнатова, А. Е. Канина // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 2 (26). - С. 140-148.