Исследование показателей качества биметаллических листов и изделий из них (диплом III степени)

© М.В. Слюсарев, О.Ф. Полянская, 2008-2009

ДИПЛОМ III СТЕПЕНИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЛИСТОВ И ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ

М.В. Слюсарев, О. Ф. Полянская Научный руководитель - д-р техн. наук, проф. В.В. Яцышен

Волгоградская область является одним из крупнейших промышленных центров Российской Федерации. Нынешняя экономическая конъюнктура требует от предприятий использования новейших технологий на всех стадиях производства. Инновативность становится более актуальной в преддверии вступления России в ВТО. В складывающихся условиях не только страна в целом, но и каждый отдельный регион должен будет приложить максимум усилий, чтобы занять свое место на рынке. Важной составляющей достижения желаемых результатов экономической деятельности каждого предприятия является качество продукции, для контроля которого требуются эффективные методы. Интенсивное развитие современной техники постоянно требует создания и широкого использования конструкционных материалов со специальными свойствами. В связи с этим большие перспективы по применению в промышленности получили биметаллические материалы. Биметаллы являются не только заменителями дефицитных металлов, но и представляют самостоятельную группу промышленных материалов, необходимых при создании новых машин, приборов и различных изделий. Таким образом, возрастающий объем производства биметаллов и изделий из них требует повышения их эксплуатационных характеристик и, соответственно, повышения качества готовых изделий.

Для повышения надежности и долговечности работы машин и аппаратов, изготавливаемых из биметаллов, необходимо проводить непрерывный контроль их качества и применять для этих целей методы неразрушающего контроля.

На базе одного из ведущих предприятий Волгоградской области ОАО «Волгограднеф-темаш» применение биметаллических конструкций и их деталей в настоящее время получает все возрастающее применение. Поэтому особо остро стоит вопрос о качестве как граничной зоны, так и всего биметаллического листа в целом.

Цель данной работы - проанализировать характер дефектов в биметаллических структурах, используя современные методы ультразвуковой диагностики, и с помощью разрушающих методов контроля проверить достоверность ультразвуковой локации исследуемого материала.

Материал исследования и методика проведения анализа.

Для производства теплообменников на ОАО «Волгограднефтемаш» использовались биметаллические листы, поставленные Волгоградским государственным техническим университетом. Листы размером 5 900 х 2 500 х 43 мм из двухфазной низколегированной стали с фер-рито-мартенситной структурой 12ХМ и нержавеющей стали на аустенитной основе Тр32^ТМ240.

Все листы контролировались, используя современные ультразвуковые дефектоскопы УД2-140 и УД2-70, в которых реализованы импульсные варианты эхо-метода и зеркально-теневого метода, с последующей обработкой полученных данных. Результат ультразвукового контроля показал наличие дефектов. После повторного прозвучивания листов на 4х листах были найдены дефекты площадью более 50 мм2, что соответствует недопустимым в соответствии с первым классом сплошности. Также были зафиксированы де-

фекты, занимающие площадь до 10 мм2 (что соответствует допустимым по 1-му классу сплошности), которые по данным ультразвуковых дефектоскопов находились как в зоне сплавления, так и в основном металле и плакирующем слое. Для уточнения места расположения дефектов было принято решение провести полный анализ на листах, где обнаружили дефекты, и на листах, где их не было обнаружено.

Для проведения ультразвукового контроля были разработаны и изготовлены наклонные пьезоэлектрические преобразователи с углами ввода в сталь 65° и 50° с частотой ультразвукового импульса 2,5 МГц (см. рис. 1), для которых построены ревербера-ционно шумовые характеристики, сняты амплитудно-частотные характеристики (см. рис. 2), а также в работе использовались стандартные раздельно-совмещенные пье-

зоэлектрические преобразователи с частотами 2,5 и 5,0 МГц. Частота повторения ультразвуковых импульсов фиксирована и равна 1 кГц.

Для проведения металлографического анализа подготавливались шлифы по стандартной методике.

Для выявления макроструктуры образцы подвергались горячему травлению в 50 % растворе HCL в течение 4 минут. Для выявления микроструктуры подготавливались микрошлифы, которые подвергались травлению в 4 %-ном растворе НК03 и электролитическому травлению в 10 %-ном водном растворе хромовой кислоты.

Механические испытания проводились согласно ГОСТу 10885-85.

Результаты анализа.

Результаты механических испытаний листов без дефектов приведены в таблице 1.

Рис. 1. Призма наклонного ПЭП

*"тго

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика наклонного ПЭП

Таблица 1

Механические свойства биметаллических листов 12ХМ+Tp321ASTM240, полученные после испытаний в ЦЗЛ ОАО «Волгограднефтемаш»*

№ образца 8, мм СТв МПа , МПа стсреза , МПа кси, МПа Т = +20°С Примечание

249 48 573,3 421,4 431,2 196,0 183,3 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 4

251 48 313,6 343,0 329,3 183,3 196,0 183,3 Плавка 04669 6VL8, лист 2

275 48 323,5 313,6 365 196,0 175,2 183,0 Плавка 12147 6VL8, лист 3

276 48 357,7 539,0 303,8 183,0 196,0 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 1

276-1 48 524,3 338,0 431,2 122,5 147,0 183,0 Плавка 04669 6VL8, лист 2

277 48 514,5 328,3 333,2 245,0 196,0 172,5 Плавка 12147 6VL8, лист 4

* Параметры образцов, прошедших механические испытания: диаметр - 10 мм, длина - 78,5 мм, толщина а -5,0 мм, ширина во - 25 мм, площадь - 125 мм2.

Биметалл, состоящий из пары - низколегированная сталь + аустенитная хромоникелевая сталь типа Tp321ASTM240, прочность полученного на оптимальных режимах соединения слоев на отрыв достигает «450 МПа, причем разрушение образцов в подавляющем

большинстве случаев происходит по менее прочной низколегированной стали.

Используя современные компьютерные технологии, было проведен детальный анализ полученных, в результате прозвучивания де-фектограмм (см. рис. 3.1-3.3).

1

А, %

Дефектоскоп УД2-70 Дефектоскоп УД2-140

Рис. 3.1. Отражение импульса от зоны сплавления в отсутствии дефекта

А, %

Дефектоскоп УД2-70 Дефектоскоп УД2-140

Рис. 3.2. Отражение импульса от дефекта размером 0,01 мм

Дефектоскоп УД2-140 Дефектоскоп УД2-70

Рис. 3.3. Отражение импульса от дефекта размером 0,1 мм

В ходе исследования ультразвуковым методом контроля было установлено, что в граничной зоне биметаллического листа имеет место отслой. Предположительно, дефекты структуры находились также в основном металле и плакирующем слое.

В результате металлографического анализа на образцах биметалла обнаружено, что на шлифах вырезанных из листов, где были зафиксиро-

ваны дефекты занимающие площадь до 10 мм2, обнаружен технологический дефект отслой. Причем ширина отслоя колеблется от 0,01 до 0,1 мм. На листах прошедших ультразвуковой контроль и механические испытания отслой не обнаружен. Дефектов основного металла и плакирующего слоя при макроанализе обнаружено не было.

Результаты макроанализа приведены на рисунках 4.1-4.3.

Рис. 4.1. Металлографический анализ. Макроструктура. Отсутствие отслоя

Рис. 4.2. Металлографический анализ.

Макроструктура. Зарождение дефекта. Отслой 0,01 мм

Рис. 4.3. Металлографический анализ. Макроструктура.

Ярко выраженный дефект. Отслой 0,1 мм

При анализе микроструктуры исследуемых образцов, прошедших механические испытания и УЗК, было обнаружено присутствие дефектов в плакирующем слое (сталь Tp321ASTM240), так и по зоне сплавления. В других образцах был обнаружен отслой по зоне сплавления и трещина в плакирующем слое (см. рис. 5-10).

Микроструктура стали 12ХМ ферри-то перлитная. Наблюдается полосчатость, увеличение размера зерна феррита к зоне сплавления и уменьшение количества перлита.

Микроструктура стали Tp321ASTM240 -аустенит, к зоне сплавления наблюдается наличие мартенсита деформации.

Рис. 5. Металлографический анализ. Микроструктура. Отсутствие отслоя. Увеличение 250

Рис. 6. Металлографический анализ. Микроструктура. Зарождение отслоя. Увеличение 250

Рис. 7. Металлографический анализ:

а - микроструктура. Развитие отслоя по зоне сплавления. Увеличение 250; б - микроструктура. Отслой по зоне сплавления. Увеличение 250

Рис. 8. Металлографический анализ.

Микроструктура. Максимальный отслой по зоне сплавления. Увеличение 250

Рис. 9. Металлографический анализ. Микроструктура. Трещина в плакировке. Увеличение 250

В зоне сплавления около границы с аус-тенитной сталью обнаружено повышенное содержание железа, а у противоположной границы - увеличение концентрации неметаллических включений, предположительно хрома и никеля. В зоне соединения наблюдаются смеси разной концентрации обоих соединяемых сплавов, светлые пятна бывшего перлита в углеродистой низколегированной стали и сильно деформированного металла, а также слои с игольчатой структурой, имеющие большую твердость и приобретающие при травлении более темный цвет. Данная структура, возможно, образуется вследствие превращения а-фазы в у-фазу, связанного с большим контактным давлением в условиях высокоскоростного соединения пластин.

При нагреве рассматриваемой композиции углерод вступает во взаимодействие

с карбидообразующими элементами, входящими в состав аустенитной стали, и образует карбиды. С увеличением времени выдержки и температуры нагрева этот процесс протекает за счет диффузии углерода из более удаленных слоев углеродистой стали. В результате, у границы раздела в последней образуется обезуглероженный слой с ферритной структурой, в аустенитной -узкий слой легированного мартенсита, слой, насыщенный карбидами, и слой с карбидами, расположенными преимущественно по границам зерен.

В граничной зоне наблюдается завышенная микротвердость до 1 600 МПа, нержавеющей до 3 500 МПа.

Необходимо учитывать высокий уровень локальной неоднородности, определяющий активную деформацию в слабой фер-

ритной зоне композиции. Ее очаги, возможно, связываются с развитием микротрещин в прилежащих хрупких участках. Зарождение этих трещин происходит задолго до разрушения всего материала. Пластичный слой обусловливает торможение свободного продвижения микроповреждений, что в данном случае, возможно, не произошло из-за отсутствия подобного пластичного слоя и, следовательно, произошло развитие отслоя. Возможно, образование твердой, хрупкой микроструктуры по зоне сплавления и развитие отслоя связанно с большим контактным давлением в условиях высокоскоростного соединения пластин.

В результате анализа было установлено, что энергия ультразвукового импульса зависит от величины дефекта в граничной зоне. При отсутствии дефекта в зоне сплавления амплитуда ультразвукового импульса составляет 30 % (отражение от граничной зоны), при дефекте размером 0,01 мм - 60 %, при 0,1 мм -120 % (см. рис. 10). Временные параметры ультразвукового импульса также изменяются в зависимости от характера и размеров дефекта. Проводя ультразвуковое лоцирование в режиме радиосигнала (дефектоскоп УД2-70), было установлено, что длительность отраженного радиоимпульса изменяется в зависимости от величины обнаруженных дефектов.

120

100

80

60

40

20

0

' '

0

0,02

0,1

0,12

0,04 0,06 0,08

Размер отслоя Х, мм

Рис. 10. Зависимость амплитуды ультразвукового импульса от величины отслоя