Исследование структуры металла сварного соединения из коррозионно-стойкой стали

Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315. № 2

матическои импульснои аргонодуговои сварки. Сварной шов формировался за счет расплавления и кристаллизации собственного металла свариваемых кромок, выполненных без разделки.

Рис. 1. Схема исследования образца со сварными соединениями Точки А,Б,В,Г - места, где проводилось исследование. Точки Б-В - околошовная зона. Точка Г отстоит от центра шва на расстоянии 15,9 мм

Были диагностированы: фазовый состав, зерен-ная и дислокационная структура основного металла соединения, а также сварного шва и околошовной зоны. Целью исследования являлось изучение фазового состава, зеренной и дислокационной структуры основного материала и их изменения вследствие изготовления сварного соединения. Главной задачей исследования было определение качества соединения и установление его соответствия информативным параметрам акустоэмисси-онного контроля процесса сварки.

Методика исследования и используемые приборы

Оптические исследования проводились на микроскопе МИМ-10 при увеличениях 100-1000 крат. Поверхность шлифов готовили методом электролитической полировки с последующим электролитическим травлением по стандартной технологии [1]. Электронно-микроскопические исследования выполнялись на электронном микроскопе ЭМ-125 «К» при ускоряющем напряжении 125 кВ. Тонкие фольги готовились методом электролитической полировки в насыщенном растворе хромового ангидрида в ортофосфорной кислоте при 25 °С. Рентге-ноструктурные исследования проводились на аппарате ДРОН-1,5 в монохроматизированном FeКa-из-лучении с записью на диаграммную ленту в автоматическом режиме. Все рефлексы на дифрактограм-мах проиндицированы с целью определения основных фазовых составляющих, а затем проведен расчет количественных характеристик.

В ходе рентгеноструктурных, оптических и электронно-микроскопических измерений определяли параметры кристаллических решеток, присутствующих в материалах фаз, их объемную долю, причем после выявления размер зерен, фазовых прослоек, карбидных частиц, скалярную плотность дислокаций определяли методом секущей [1, 2]. Была также исследована сплошность металла сварного соединения, наличие в нём дефектов и полей напряжений.

Результаты исследования строения стали и их обсуждение

Фазовый состав основного металла свариваемой стали. Сталь 08Х18Н10Т относится к классу аусте-нитных сталей, поэтому основной фазой является /-фаза, т. е. твердый раствор элементов замещения (№ и Сг) и внедрения (углерода) с параметром кристаллической решетки а7=0,36 нм. Результаты структурно-фазового анализа основного металла стали 08Х18Н10Т представлены ниже.

Фаза ¥ф, мас. %

• у .......................................98

• а ........................................0

• Т1С ....................................1,9

• М23С6 ...................................0,1

* Объемная доля фазыI

Наряду с основным карбидом Т1С (параметр кристаллической решетки а=0,433 нм) в матрице присутствуют мелкие частицы карбида М23С6 на базе хрома, в основном Сг23С6, слегка легированный железом.

Карбид Т1С в матрице выделяется в виде неравноосных частиц, рис. 2.

Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение тонкой структуры! стали 08Х18Н10Т (основной материал) вдали от сварного шва

Средние размеры частиц в материале основного металла составляют: длина - 0,4...0,5 мкм, ширина - 0,20...0,25 мкм. Объёмная доля Т1С - 1,5...2,0 %. Эти значения получены методами рентгенострук-турного анализа и дифракционной электронной микроскопии с последующим усреднением. Необходимо учесть, что, если весь титан находится в карбиде, а высокая теплота образования карбида НС этому способствует, объёмная доля этого карбида должна быть вблизи 2 %. В этом случае в карбиде ПС часть углерода находится в количестве 0,22 мас. %.

Вторым карбидом является карбид М23С6 на базе хрома, т. е. в основном Сг23С6, слегка легированный железом. Этот карбид наблюдается в виде сфе-

Рис. 7. Оптическое изображение стыка сварного шва (а), переходной (околошовной) зоны и основного металла и зерен. В зоне шва и околошовной зоне стрелками отмечены прослойки а-фазы вдоль границ зерен и частицы карбида Ж в теле зерен и на границах. На схеме зеренной структуры (б) указано направление увеличения размера зерен

Зеренная структура в центре шва устроена весьма своеобразно: по границам зерен /-фазы расположены прослойки а-фазы, вблизи которых концентрируются частицы Т1С (рис. 8).

Часть БС расположена на малоугловых границах внутри фазы (рис. 9).

Рис. 8. Электронно-микроскопическое изображение структуры центральной части сварного шва. По границам зерен у-фазы располагаются прослойки а-фазы. Стрелками отмечены частицы карбида КС. Сталь 08Х18Н10Т

за собой изменение фазового состояния в зоне шва. Основной металл и переходная зона представлены двухфазной смесью (т+ИС). Структура металла в зоне шва - трехфазная смесь (г+а+Т1С).

Рис. 9. Выделение TiC (отмечены стрелками) по малоугловым границам у-фазы в центральной части сварного шва. Сталь 08Х18Н10Т. Электронно-микроскопическое изображение

Несомненно, в остывающем металле шва происходила диффузия по границам зерен /-фазы и перераспределение элементов, что привело к образованию столь своеобразно «сконструированного» многофазного материала.

Количественное распределение карбида титана, у- и а-фазы в пространстве от центра шва до основного материала дано на рис. 10, а, б.

опубликованы в [8]. Более детальные результаты исследования качества сварного шва изложены в работах [9-11] и в монографии [12].

Выводы

Детально исследована структура сварного соединения из коррозионно-стойкой стали 08Х18Н10Т, полученного способом автоматической импульсной аргонодуговой сварки.

Установлено, что в процессе сварки происходит перераспределение легирующих элементов по объему металла сварного соединения и зоны термического влияния, которое вызывает качественное и количественное изменение фазового состава по сравнению с исходным состоянием. В частно-

сти, увеличивается количество карбида титана и появляется много а-фазы, локализующейся по границам зерен 7-фазы. Дислокационная структура в металле сварного соединения достаточно низкоэнергетическая. Это свидетельствует о низком уровне остаточных напряжений.

Следовательно, вышеизложенные факторы наряду с уменьшением размера зерен в металле сварного соединения обуславливают его высокие механические свойства. Безукоризненное качество сварного соединения подтверждено методом рентгенографии и акустико-эмиссионным методом.

Авторы выражают глубокую благодарность Н.А. Поповой, Л.Н. Игнатенко и В.П. Подковке за оказанную помощь в проведении анализа структуры стали.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968. - 574 с.

2. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. - М.: Металлургия, 1977. - 280 с.

3. Кан Р. Атомное строение металлов и сплавов. Т. 1. - М.: Мир. 1967. - 338 с.

4. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т. 2. - М.: Металлургия, 1962. - 1488 с.

5. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. - М.: Наука, 1977. - 236 с.

6. Ямпольская Л.И., Сизоненко Н.Р., Лычагин Д.В. Возврат и фазовые превращения в стали 1Х18Н9Т // Эволюция дислокационной структуры, упрочнение и разрушение сплавов / Под ред. Н.А. Коневой. - Томск: ТГУ, 1992. - С. 94-106.

7. Чалмерс Б. Физическое металловедение. - М.: Металлургия, 1963. - 456 с.

8. Апасов А.М. Анализ разрушения сварных соединений в процессе сварки // Дефектоскопия. - 1996. - № 10. - С. 24-30.

9. Апасов А.М., Апасов А.А. Исследование акустической эмиссии при сварке изделий из аустенитных сталей // Сварочное производство. - 2001. - № 1. - С. 10-14.

10. Апасов А.М., Апасов А.А. Механизм зарождения, формирования и диагностики непровара в процессе сварки. Ч. 2 // Известия Томского политехнического университета. - Т. 308. -№ 2. - С. 120-126.

11. Апасов А.М., Апасов А.А. Механизм зарождения, формирования и диагностики непровара в процессе сварки. Ч. 3 // Известия Томского политехнического университета. - Т. 308. -№3. - С. 132-135.

12. Апасов А.М., Апасов А.А. Основы физической теории активной диагностики процесса сварки. - Томск: Изд-во ТПУ, 2004. - 248 с.

Поступила 08.06.2009 г.