На правах рукописи

Сейдуров

Михаил Николаевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ

ФОРМИРОВАНИЕМ БЕЙНИТНЫХ СТРУКТУР ЗЕРНИСТОЙ

МОРФОЛОГИИ

Специальность 05.03.06 «Технологии и машины сварочного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул – 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И.Ползунова» на кафедре «Малый бизнес в сварочном производстве».

Научный руководитель – кандидат технических наук, профессор Чепрасов Дмитрий Петрович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Околович Геннадий Андреевич кандидат технических наук, доцент Советченко Борис Федорович Ведущее предприятие – ОАО «Алтайский научно-исследовательский институт технологии машиностроения»

Защита состоится 27 ноября 2009 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.004.01 при ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» (АлтГТУ) по адресу: 656038, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова».

Автореферат разослан «» октября 2009 г.

Ваш отзыв на автореферат (в одном экземпляре, заверенный гербовой печатью) просим направлять в адрес Университета на имя ученого секретаря совета, тел/факс: 8-(3852)-36-82-64 или по электронной почте:

[email protected].

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Ю.О. Шевцов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогресс при производстве технических устройств для опасных производственных объектов и особенно, таких как нефтегазодобывающее, котельное, газовое, подъемно-транспортное оборудование, при изготовлении которых применяются сварочные технологии, напрямую связан с широким внедрением высокопрочных материалов, сочетающих в себе высокие технико-эксплуатационные свойства, удовлетворительную свариваемость и сравнительно низкую стоимость. В связи с этим в последнее время в России и за рубежом возрос интерес к изготовлению сварных конструкций из высокопрочных низколегированных сталей бейнитного класса. С одной стороны, он продиктован необходимостью снижения металлоемкости, с другой – возможностью формирования в сварном соединении промежуточных структур зернистой морфологии (мезоферрита и зернистого бейнита), которые по сравнению с другими неравновесными структурами (мартенситом, верхним и нижним бейнитом) обеспечивают высокий комплекс механических свойств.

Промежуточные структуры зернистой морфологии являются продуктами распада аустенита в верхнем интервале температур бейнитной области при его непрерывном охлаждении после нагрева стали на 30-50 °С выше критической точки АС3. Однако эти данные были получены без учета высокотемпературных термодеформационных циклов сварки (ТДЦС), которые имеют место в околошовной зоне (ОШЗ) сварного соединения и, несомненно, будут оказывать влияние на кинетику и механизм распада аустенита в промежуточной области.

Учитывая изложенное, представляется необходимым и целесообразным комплексное изучение строения и особенностей формирования бейнитных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварных соединений из высокопрочных низколегированных сталей, что позволит управлять их структурой и свойствами, обеспечивая требуемое качество при производстве сварных конструкций ответственного назначения.

Актуальность настоящей работы подтверждается ее выполнением в рамках гранта по Программе «У.М.Н.И.К. 08-13» при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, выделенного на инновационный проект: «Разработка способа получения наноструктурной карбидной составляющей глобулярной формы в процессе термодеформационного воздействия на металл». Кроме того, комплексные исследования проводились в соответствии с программами хоздоговорных тем с промышленными предприятиями и фирмами Алтайского края (темы № 17-03, 29-07, 4-08; 2006…2009 гг.).

Цель работы. Повышение стойкости сварных соединений из высокопрочных сталей бейнитного класса к образованию холодных трещин и комплекса физико-механических свойств за счет целенаправленного формирования в околошовной зоне микро- и нанокристаллических бейнитных структур зернистой морфологии.

Для достижения указанной цели в настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику исследования и установить кинетику, строение и условия формирования промежуточных микро- и нанокристаллических структур зернистой морфологии в околошовной зоне под действием термодеформационных циклов сварки;

2. Построить математическую модель и провести оптимизацию основных технологических факторов воздействия термодеформационных циклов сварки на формирование в околошовной зоне микро- и нанокристаллических структур зернистой морфологии;

3. Изучить фазовый состав, общую и тонкую нанокристаллическую структуру, морфологические особенности строения мезоферрита и зернистого бейнита в околошовной зоне, сформировавшихся под действием термодеформационных циклов сварки;

4. Разработать и освоить опытно-промышленную технологию автоматической сварки под флюсом высокопрочных сталей бейнитного класса, обеспечивающую получение в околошовной зоне промежуточной структуры зернистой морфологии, стойкой к образованию холодных трещин и с требуемыми физико-механическими свойствами.

Научная новизна. Установлены условия обеспечения качества и физико-механических свойств сварных соединений из высокопрочных сталей бейнитного класса посредством получения в околошовной зоне микро- и нанокристаллической структуры зернистой морфологии под действием термодеформационных циклов сварки.

1. Показано, что при дуговой сварке плавлением высокопрочных сталей бейнитного класса в околошовной зоне формируется своеобразная промежуточная микро- и нанокристаллическая структура, представляющая собой многофазную композицию с характерным зернистым строением, состоящую из фрагментированной мезоферритной, дислокационной бейнитной -фазы, остаточного аустенита и глобулярных ультрадисперсных частиц спецкарбида типа Ме23C6.

2. Выявлено, что при дуговой сварке плавлением условия образования промежуточной структуры зернистой морфологии и ее фазовый состав определяются температурой и временем аустенизации, характером развития упругопластической деформации. При этом термические и термодеформационные циклы сварки по-разному влияют на кинетику и продукты распада аустенита в околошовной зоне. Повышение температуры и времени аустенизации металла околошовной зоны приводит к сужению, вплоть до полного вытеснения, скоростного диапазона распада аустенита на промежуточные микро- и нанокристаллические (мезоферрит и зернистый бейнит) структуры зернистой морфологии и к формированию перисто-игольчатого бейнита и мартенсита. Термодеформационные циклы сварки, наоборот, расширяют скоростной диапазон распада аустенита на промежуточные структуры зернистой морфологии. Наибольшее расширение происходит в сторону высоких скоростей охлаждения.

3. Обнаружено, что строение участка перегрева околошовной зоны определяется размером зерна и гомогенностью аустенита, зависящих от параметров режима сварки и погонной энергии. При размере зерна не более № 6 – 5 образуется мезоферрит и зернистый бейнит, при более крупном зерне – игольчатые бейнито-мартенситные структуры.

4. Установлено, что формирование в околошовной зоне промежуточных структур зернистой морфологии обеспечивает устойчивое сопротивление образованию холодных трещин, в то время как наличие игольчатых бейнито-мартенситных структур неизменно приводит к их появлению. Ведущую роль в предотвращении очагов замедленного разрушения играют глобулярные спецкарбиды диаметром около 10 – 20 нм.

Практическая значимость. На основании установленных закономерностей распада аустенита в околошовной зоне под действием термодеформационных циклов сварки на промежуточные структуры зернистой морфологии с наноразмерными глобулярными спецкарбидами:

1. Сформулированы основные принципы управления структурообразованием, которые могут быть использованы при проектировании технологических процессов дуговой сварки плавлением высокопрочных сталей бейнитного класса, обеспечивающих получение в околошовной зоне промежуточной микро- и нанокристаллической структуры зернистой морфологии, стойкой к образованию холодных трещин и с требуемым нормативнотехнической документацией комплексом физико-механических свойств;

2. Разработаны рекомендации по определению условий образования наноразмерных глобулярных спецкарбидов в околошовной зоне сварных соединений;

3. Разработана программа для ЭВМ «Среда моделирования автоматической сварки (AWS)» – свидетельство о регистрации № 2007612876, предназначенная для расчета режимов сварки и прогнозирования механических свойств сварных соединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом с заданным тепловложением;

4. Получены два патента РФ на изобретения №№ 2318879 и 2348701, позволяющие сформировать промежуточную структуру зернистой морфологии, обеспечивающую высокий комплекс физико-механических свойств металла околошовной зоны сварных соединений;

5. Разработана методика исследований и экспериментальная установка для физического моделирования термодеформационных циклов сварки, усовершенствованы методика и комплекс сбора и обработки данных для получения и регистрации экспериментальной информации;

6. Установлены рациональные режимы дуговой сварки под флюсом металла толщиной до 12 мм из высокопрочных сталей класса прочности 390 – 440 в диапазоне значений погонной энергии qп от 20500 до 27500 Дж/см, при которых создаются условия получения в околошовной зоне бейнитных структур зернистой морфологии с высоким комплексом механических свойств.

Реализация результатов работы. В результате проведенных исследований была разработана и опробована в ОАО «Алтайгеомаш» технология дуговой сварки под флюсом стыковых соединений верхних силовых балок портала рамы самоходной буровой установки УКБ-5СА из профильного проката сталей марок 24Х2НАч и 28Х2НАч с толщиной стенок 4-9 мм. Разработанная технология позволила получать промежуточные структуры зернистой морфологии в ОШЗ сварного соединения.

Подобраны режимы однопроходной автоматической сварки под слоем флюса на погонных энергиях, способствующих формированию структуры мезоферрита и зернистого бейнита как на участке перегрева, так и на участке полной перекристаллизации, стойкой к возникновению холодных трещин при охлаждении на спокойном воздухе при окружающей температуре до С. Требуемая нормативными документами ударная вязкость ОШЗ при температуре -60 °С в пределах 30 Дж/см2, обеспечивается непосредственно после окончания сварки без применения местной термической обработки.

Достоверность результатов. Использовались современные методы изучения кинетики, фазового состава, структуры и свойств металла ОШЗ, такие как световая микроскопия (NEOPHOT-32), рентгеноструктурный анализ (ДРОН-2,0 и ДРОН-5,0), просвечивающая электронная микроскопия методом реплик (УЭМВ-100К) и тонких фольг (ЭМ-125 и ЭМ-125К), а также специальные методы контроля физико-механических свойств сварных соединений. Был проведен полный комплекс исследований, включая математическое планирование экспериментов, физическое и компьютерное моделирование, сварку контрольных стыков и промышленную апробацию.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований тонкой структуры и фазового состава продуктов промежуточного превращения в высокотемпературных участках ЗТВ сварных соединений высокопрочных сталей бейнитного класса;

2. Особенности формирования промежуточных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварных соединений;

3. Условия образования наноструктурной карбидной составляющей глобулярной формы в ОШЗ сварных соединений и ее роль в предотвращении образования очагов замедленного разрушения;

4. Результаты испытаний механических свойств сварных соединений с промежуточной структурой зернистой морфологии в ОШЗ с оценкой склонности к образованию холодных трещин;

5. Технологические основы сварки под флюсом конструкций ответственного назначения из высокопрочных сталей бейнитного класса.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на: Международных конференциях «Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств» (г. Барнаул, 2005;

2006; 2008), «Молодежь России – науке будущего» (г. Ульяновск, 2006), «Современные технологические системы в машиностроении» (г. Барнаул, 2006), «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (г. Кемерово, 2007; г. Омск, 2008), «Высокотемпературный синтез новых перспективных наноматериалов» (г. Барнаул, 2008), «Виртуальные и интеллектуальные системы» (г. Барнаул, 2008), «Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие» (г. Киев, 2008); Всероссийских конференциях «Наука и молодежь»

(г. Барнаул, 2005; 2006; 2009), «Наука. Технологии. Инновации»

(г. Новосибирск, 2006; 2008), «Проблемы социального и научнотехнического развития в современном мире» (г. Рубцовск, 2009); научнопрактической конференции «Барнаул на рубеже веков: итоги, проблемы, перспективы» (г. Барнаул, 2005); Всероссийском молодежном образовательном форуме «Селигер» (оз. Селигер, Тверская область, 2009); Международном молодежном инновационном форуме «Интерра» (г. Новосибирск, 2009).

С инновационным проектом: «Разработка способа получения наноструктурной карбидной составляющей глобулярной формы в процессе термодеформационного воздействия на металл», вошедшим в 100 лучших на «Зворыкинском проекте», в 20 лучших на «Селигере-2009», в 12 лучших в области «Индустрия наносистем и новые материалы» (отобранных корпорацией «Росснано») можно ознакомиться на сайте http://zv.innovaterussia.ru.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 33 работы, из них:

3 статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 2 патента РФ на изобретение; 1 свидетельство РФ об официальной регистрации программного продукта; 12 статей в журналах и сборниках научных трудов;

13 тезисов докладов в материалах научных конференций; 2 отчета о выполнении НИОКР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы из 125 наименований, приложения, в котором представлен акт промышленного внедрения работы.

Диссертация изложена на 187 страницах машинописного текста с 70 рисунками и 24 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен аналитический обзор отечественных и зарубежных публикаций по заявленной проблематике. Показано, что наиболее перспективными сталями для изготовления сварных конструкций ответственного назначения являются высокопрочные стали бейнитного класса, способные к формированию в сварном соединении промежуточных структур зернистой морфологии – мезоферрита и зернистого бейнита, а необходимым условием для их образования является наличие в сталях высоких температур бейнитного превращения.

Отмечено, что на свойства сварных соединений высокопрочных сталей решающее влияние оказывает структура ОШЗ и условия ее формирования под действием ТДЦС. Однако нет сведений о получении при сварке в высокотемпературных участках ЗТВ мезоферрита и зернистого бейнита, достаточных для объяснения условий и особенностей их формирования. Сведения о тонкой структуре и фазовом составе промежуточных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварного соединения отсутствуют, равно как и сведения о механических свойствах сварных соединений высокопрочных сталей бейнитного класса с рассматриваемой структурой. Полученные данные касаются продуктов промежуточного распада при отпуске или при имитации участков ЗТВ под действием термических циклов в условиях печного нагрева до температур несколько выше критической точки АС3, не учитывающих влияния упруго-пластических деформаций.

В настоящее время стало возможным изучение влияния наноразмерных карбидов на структуру и свойства сварных соединений. Тем не менее, на данный момент, роль мелкодисперсных карбидов, образующихся в ЗТВ при сварке высокопрочных сталей бейнитного класса, не определена.

По результатам литературного обзора были сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе сделан обоснованный выбор основных и сварочных материалов, принятых в экспериментах. В качестве основного материала, как наиболее яркие представители сталей бейнитного класса, были выбраны стали 20Х2НАч, 24Х2НАч, 28Х2НАч и 30ХН3А промышленных плавок (горячекатаный прокат толщиной 6…8 мм с исходной феррито-перлитной структурой). Автоматическую сварку под слоем флюса АН-47 стыковых соединений типа С4 и С47 по ГОСТ 8713-79 выполняли сварочными проволоками Св-08ХНМ, Св-10НМА диаметром 3 мм. Использовался сварочный трактор ТС-17М и трансформатор ТДФЖ-1002.

Подробно изложена разработанная методика изучения условий формирования мезоферрита и зернистого бейнтита в ЗТВ под действием ТДЦС.

Особое внимание уделено усовершенствованной методике и комплексу сбора и обработки данных, описанию экспериментальной установки для физического моделирования термодеформационного воздействия на металл, методикам рентгенографических исследований кристаллических структур при неразрешающихся дифракционных дублетах и просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг.

Комплексные исследования выполняли как непосредственно на сварных соединениях, так и на образцах-имитаторах. Стыковые сварные соединения деталей, закрепленных в жесткой раме, выполняли за один проход.

Термические циклы сварки (ТЦС) регистрировались термопарами по 4 шт.

от оси шва с каждой стороны свариваемых пластин, расположенных на расстоянии 2,0 мм друг от друга с использованием измерителя-регулятора «ОВЕН ТРМ 202 v2.025». Для обработки экспериментальных данных и построения полных кривых нагрева и охлаждения применялась программа «MasterSCADA». По точкам перегиба определялась температура начала и конца распада аустенита. Средняя скорость охлаждения – 6/5 рассчитывалась в диапазоне температур наименьшей устойчивости аустенита (600…500 °С). Управление процессом структурообразования осуществлялось за счет охлаждения металла с различными скоростями 6/5 при изменении погонной энергии сварки.

Образцы-имитаторы подвергались воздействию как ТЦС, так и ТДЦС (а именно, поперечных сварочных напряжений и упруго-пластических деформаций, возникающих в ОШЗ) с помощью экспериментальной установки.

Скорость нагрева в интервале температур фазовых превращений составляла 150 °С/с. Диапазон исследованных скоростей охлаждения 6/5 от 0,35 до 17,0 °С/с полностью охватывал весь спектр структур от феррито-перлитной до мартенситной. Температура нагрева образца задавалась от 860 до 1350 °С с шагом 50 °С. Данные о развитии напряжений в образце при испытании получали при помощи системы тензодатчиков сопротивления с передачей результатов на компьютер.

Описана методика расчета параметров режима автоматической сварки под флюсом стыковых соединений пластин по заданному скоростному диапазону распада аустенита на мезоферрит и зернистый бейнит в ЗТВ, а также определения физико-механических свойств сварных соединений с промежуточными структурами в ЗТВ. Приведены сведения об авторской программе «Среда моделирования автоматической сварки (AWS)», предназначенной для подбора режимов сварки и прогнозирования механических свойств сварного соединения посредством математического моделирования процессов автоматической сварки под флюсом.

В третьей главе приведены результаты исследований по изучению влияния ТДЦС на формирование мезоферрита и зернистого бейнита в ОШЗ сварных соединений из высокопрочных сталей бейнитного класса.

В результате оптимизации условий формирования промежуточных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварных соединений (Х1 – температура аустенизации, Х2 – скорость охлаждения, Х3 – время аустенизации, Х4 – уровень внутренних растягивающих напряжений) было выявлено, что модель, построенная для ОШЗ в целом, является неадекватной.

Это связано с тем, что участкам полной перекристаллизации и перегрева присущи свои особенности структурообразования, следовательно, необходимо рассматривать их раздельно.

Основным фактором, определяющим содержание промежуточных структур зернистой морфологии на участке полной перекристаллизации является скорость охлаждения: Y=25+20Х2–3,75Х4, а на участке перегрева – время аустенизации: Y=7,5–7,5Х3. По результатам регрессионного анализа были проведены дополнительные экспериментальные исследования, которые подтвердили правильность математических моделей, полученных при планировании.

Установлено, что ТЦС и ТДЦС по-разному влияют на формирование промежуточных структур зернистой морфологии в ОШЗ. Фазовые и структурные изменения иллюстрировались диаграммами анизотермического распада аустенита (АРА) и структурными диаграммами (Обозначения: м2, м1, фп2 – критические скорости охлаждения, соответствующие образованию 90% и 5% мартенсита (М) и 100% феррито-перлита (ФП), Ао – аустенит остаточный, ВБ – верхний бейнит, ЗБ – зернистый бейнит, НБ – нижний бейнит, МФ – мезоферрит, Sд – структурная доля). Полученные результаты изучались раздельно.

композицию, состоящую из добейнитной (мезоферритной), бейнитной и мартенситной -фазы, остаточного аустеб) Рисунок 1 Участок полной перекри- нита и карбидов (рисунок 1, б, таблисталлизации ОШЗ стали 24Х2НАч, ца 1). Карбидная фаза характеризуется 6/5 = 2,9 °С/с: а) микроструктура; б) рентгеновская дифракционная кар- наличием двух типов: Ме23С6 – спецкарбид хрома (Fe, Cr)23C6 и Ме3С – тина, снятая на Cu-K излучении карбид железа (Fe, Cr, Mn)3C, известный как цементит. Спецкарбид хрома имеет глобулярную форму и составляет вместе с -фазой основу зернистого бейнита.

ТЦС ТДЦС

Карбиды Примечание. Сталь 24Х2НАч, скорость охлаждения 6/5 = 2,9 °С/с образцов (таблица 1). Происходит постепенное сужение скоростного диапазона образования зернистого бейнита, Рисунок 2 Микроструктура участка его формирования в сторону меньших перегрева ОШЗ стали 24Х2НАч, скоростей охлаждения – от 2,0 до 6/5 = 2,9 °С/с аустенизации, соответствующей 1350 °С – полное исчезновение бейнитной структуры зернистой морфологии.

Рентгеновские и электронномикроскопические исследования показали, что в структуре стали присутствуют только две морфологические составляющие -фазы. Это – игольчатый бейнит и мартенсит, пропорции, которых изменяются в зависимости от температуры аустенизации и скорости охлаждения. На частотных кривых распределения микротвердости (рисунок 4) исчезают перегибы, характерные структурная диаграмма (б) участка Изменяется как процентное содержаперегрева ОШЗ стали 24Х2НАч.

Температура аустенизации – 1250 °С. ние, так и морфология остаточного ауВ затемненной области: пунктирные стенита: от отдельных сравнительно крупных кристаллов по границам зерен мезоферрита до тонких прослоек между рейками и пластинами бейнитной -фазы.

аустенита, как на участке полной перекристаллизации, так и на участке перегрева. Прежде всего, происходит расширение скоростного диапазона обраРисунок 4 Частотные кривые распре- зования промежуточных структур зерделения микротвердости ОШЗ стали нистой морфологии как в сторону 24Х2НАч в зависимости от температуры аустенизации, °С: 1 – 860; меньших, так и в сторону больших скоКоличество измерений для ростей охлаждения (рисунок 3). При каждого участка 500, нагрузка на ин- этом смещение в сторону высоких скодентор 0,098 Н ростей охлаждения является более значительным, что связано с ускорением бейнитного превращения на начальном этапе и его торможением на завершающем этапе под влиянием ТДЦС.

удельного объема металла. При образоРисунок 5 Графики развития внут- вании игольчатых структур распад ауренних напряжений в ОШЗ стали стенита происходит в нижнем интерваХ2НАч при формировании проме- ле температур промежуточной области жуточных структур: 1 – игольчатые (рисунок 3), что вызывает высокий уробейнито-мартенситные; 2 – бейнит- вень внутренних напряжений (рисуные зернистой морфологии нок 5, кривая 1), поскольку микропластическая деформация переохлажденного аустенита затруднена. Интенсивное развитие микропластических деформаций происходит по границам аустенитных зерен. Это приводит к возникновению очагов замедленного разрушения.

При формировании бейнитных структур зернистой морфологии распад аустенита протекает в высокотемпературном интервале промежуточной области (рисунок 3), что резко изменяет общую картину развития деформаций.

Имеет место плавное и непрерывное нарастание микропластической деформации, приводящее к значительному снижению уровня внутренних напряжений (рисунок 5, кривая 2) и подавлению склонности к образованию микротрещин.

является основным фактором, существенно влияющим на формирование мезоферрита и зернистого бейнита на нижнего (б) бейнита, электронная зованию холодных трещин, формирумикроскопия, сталь 20Х2НАч: час- ется при условии низких скоростей охлаждения (6/5 от 0,7 до 2,9 °С/с) и тицы цементита отмечены стрелками кратковременного пребывания выше 1350 °С (до 15 с), в противном случае происходит формирование игольчатых бейнито-мартенситных структур.

ТДЦС. При высоких скоростях развития пластических деформаций (соответствующих 6/5 > 2,9 °С/с) происходит формирование игольчатых бейнито-мартенситных структур с карбидной и пластин бейнитной -фазы, что характерно для перисто-игольчатых бейнитных структур. В ходе ТДЦС имеет структура с пластинчатой карбидной ных пластин, создающие большие микфазой типа Ме3С, расположенной по ронапряжения (рисунок 6, б). Это приграницам аустенитных зерен: а – за- водит к нарушению строения границ рождение микротрещины (указано зерен и, как следствие, к возникновестрелками), б – развитие локальных трещин. Сталь 28Х2НАч Рисунок 8 Структура зернистого (соответствующих 6/5 от 2,9 до бейнита, электронная микроскопия, 0,7 °С/с), основной объем фазовых престаль 24Х2НАч: крупные (а) и мелкие (б) глобулярные карбиды хрома вращений происходит в высокотемпературном интервале промежуточной (Fe,Cr)23C6 отмечены стрелками области и сопровождается непрерывным нарастанием пластической деформации, вызывая активизацию распада аустенита. Формируются промежуточные структуры зернистой морфологии.

Благодаря наличию дефектов кристаллического строения, возникающих в переохлажденном аустените под действием ТДЦС, вместе с мезоферритом выделяется глобулярный спецкарбид типа Ме23С6, различающийся по Рисунок 9 Тонкая структура в ло- но влияет на деформационную способкальных участках: а) фрагментиро- ность металла и является основным ванный мезо- и бейнитный феррит; фактором предотвращения зарождения б) ферритные зерна с ультрадисперс- очагов замедленного разрушения, веными глобулярными спецкарбидами.

состояния происходит путем фрагментации и выделения глобулярных наноРисунок 10 Влияние структуры свар- частиц спецкарбидов хрома (Fe,Cr)23C6, ного соединения стали 24Х2НАч на при этом внутренние напряжения убымеханические свойства в зависимо- вают, не достигнув критического уровсти от морфологии: а) мезоферрит и б) верхний и нижний бейнит (пери- противления хрупкому разрушению сто-игольчатая); в) нижнего бейнит и конечной структуры.

мартенсит (игольчатая). Предел При формировании промежуточпрочности В, МПа – белая область;

ударная вязкость KCU, Дж/см при температуре испытаний -60 °С – се- под влиянием ТДЦС образуется фрагментированная структура, состоящая из рая область = 2,5 1010 см-2, увеличиваются углы кристаллографической разориентировки на границах фрагментов. По телу ферритных зерен происходит равномерное выделение ультрадисперсных глобулярных карбидов размером порядка 10 – 20 нм (рисунок 9, б), обеспечивающих не только дополнительное упрочнение, но и способствующих улучшению ударной вязкости. Высокопрочная низколегированная сталь с рассматриваемой высокодисперсной и изотропной структурой мезоферрита и зернистого бейнита обладает высоким сопротивлением хрупким ра з руше ниям при температурах до -60 °С по сравнению со сталью со структурой реечного бейнита (рисунок 10).

Таким образом, обязательным условием предотвращения зарождения микротрещин является формирование в структуре фрагментированного мезоферрита и глобулярных спецкарбидов типа Ме23С6. При этом, ультрадисперсные карбиды хрома глобулярной формы диаметром около 10 – 20 нм, расположенные преимущественно на дислокациях внутри -фазы играют ведущую роль в предотвращении очагов замедленного разрушения в процессе фазового превращения в условиях развития локальных пластических деформаций.

Четвертая глава посвящена подбору режимов и определению механических свойств сварных соединений с промежуточными структурами зернистой морфологии в ОШЗ с оценкой сопротивляемости к образованию холодных трещин.

Установлено, что на формирование мезоферрита и зернистого бейнита особое влияние оказывают величина зерна аустенита, его микрохимическая неоднородность и предел текучести. Так при автоматической сварке под флюсом пластин из стали 24Х2НАч толщиной 8 мм была выявлена зависимость характера формирующейся структуры высокотемпературного участка ОШЗ от времени пребывания металла выше предельных температур нагрева (таблица 2).

режима сварки и прогнозирование механических свойств сварного соединения осуществляли посредством компьютерного моделирования с помощью а) ОШЗ сварного соединения сформировалась переходная зона между феррито-перлитной структурой и верхним Рисунок 11 Микроструктура ОШЗ, ОШЗ приобретает строение, характерполученная при сварке стали ное для промежуточных структур зерХ2НАч на погонных энергиях нистой морфологии (рисунок 11, б).

qп, Дж/см: а) 35000; б) 20500 При этом размер аустенитного зерна изменялся от № 2 – 3 до № 8 – 9 соответственно. При действительном аустенитном зерне 2 – 4 номера по ГОСТ 5639-82 зернистый бейнит не обнаруживался. Следовательно, при длительном пребывании металла шва и ЗТВ при температурах интенсивного роста зерна аустенита и формирования высокой его гомогенности, образование промежуточных структур зернистой морфологии затруднено.

мартенситной составляющей, что неизбежно приводит к возникновению хоРисунок 12 Микроструктура с нали- лодных трещин (рисунок 12).

чием холодных трещин в ОШЗ свар- При оценке сопротивляемости меного соединения из стали 30ХН3А талла ОШЗ к образованию холодных трещин установлено, что промежуточные структуры зернистой морфологии являются наиболее предпочтительными. Ударные образцы изготавливались с надрезом по линии сплавления. Испытания проводили при температуре от +20 до -60 °С с интервалом 20 °С. Хладостойкость сварных соединениний с наличием наноструктурных карбидных составляющих глобулярной формы в металле ОШЗ возрастает в несколько раз, несмотря на высокие показатели прочности (рисунок 10), что объясняется наличием мелкодисперсных карбидов глобулярной формы в матрице бейнитной -фазы.

В пятой главе приведены сведения, связанные с практическим использованием результатов исследований применительно к буровой установке УКБ-5СА, предназначенной для эксплуатации при температуре окружающего воздуха от +40 °С до -40 °С.

На основании полученных экспериментальных данных разработаны режимы автоматической сварки под флюсом на пониженных погонных энергиях стыковых соединений верхних силовых балок портала рамы самоходной буровой установки УКБ-5СА из профильного проката сталей марок 24Х2НАч и 28Х2НАч с толщиной стенок 4-9 мм: I = 650 750 А, U = 38 40 В, qп = 20500 27500 Дж/см, Vсв = 20 35 м/ч, обеспечивающие получение в ОШЗ промежуточной структуры зернистой морфологии с требуемыми нормативно-технической документацией физико-механическими свойствами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При сварке высокопрочных сталей бейнитного класса применяемая технология должна предусматривать меры, способствующие образованию в ОШЗ промежуточных структур зернистой морфологии. Формирование фрагментированного мезоферрита (добейнитной -фазы) и зернистого бейнита с наноразмерным спецкарбидом типа Ме23C6 глобулярной формы обеспечивает высокий комплекс физико-механических свойств сварных соединений и устойчивое сопротивление образованию холодных трещин, в то время как наличие игольчатых мартенсито-бейнитных структур неизменно приводит к их появлению.

2. Установлено, что термические и термодеформационные циклы оказывают различное влияние на формирование промежуточных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварных соединений. В отличие от термических циклов термодеформационное воздействие изменяет как кинетику, так и процентное содержание фаз при распаде переохлажденного аустенита в высокотемпературных участках ОШЗ и оказывает положительное влияние на расширение скоростного диапазона формирования промежуточных структур зернистой морфологии при допустимом уровне временных напряжений.

3. Определены особенности макро- и нанокристаллического строения промежуточных структур зернистой морфологии, сформировавшихся в ОШЗ под действием ТДЦС. Указанные структуры представляют собой многофазную композицию с характерным зернистым строением, состоящую из фрагментированной мезоферритной, дислокационной бейнитной и мартенситной -фазы, остаточного аустенита и карбидов двух типов: Ме23С6 – спецкарбид хрома (Fe, Cr)23C6 и Ме3С – карбид железа (Fe, Cr, Mn)3C. На дислокациях внутри матрицы бейнитной -фазы происходит равномерное выделение ультрадисперсных глобулярных спецкарбидов размером порядка 10 – 20 нм, что благоприятно влияет на деформационную способность металла ОШЗ и способствует улучшению ударной вязкости сварных соединений.

4. Построена математическая модель и проведена оптимизация основных технологических факторов воздействия ТДЦС на формирование в ОШЗ нанокристаллических структур зернистой морфологии с установлением веса каждого фактора и экспериментальной проверкой адекватности полученных результатов. Определены условия формирования наноструктурной карбидной составляющей глобулярной формы в процессе термодеформационного воздействия на металл ОШЗ.

5. Установлено, что основным фактором, определяющим содержание промежуточных структур зернистой морфологии на участке полной перекристаллизации является скорость охлаждения, а на участке перегрева ОШЗ – время пребывания аустенита при высоких температурах ТДЦС.

Строение участка перегрева ОШЗ определяется величиной зерна и гомогенностью аустенита, напрямую зависящих от параметров режима сварки и погонной энергии. При зерне не более № 6 – 5 образуется мезоферрит и зернистый бейнит, при более крупном зерне – игольчатые структуры.

6. На основании результатов проведенных исследований разработана и опробована технология автоматической сварки под флюсом основных несущих узлов буровой установки УКБ-5СА из сталей марок 24Х2НАч и 28Х2НАч, обеспечивающая формирование в ОШЗ промежуточной структуры зернистой морфологии с требуемыми нормативно-технической документацией физико-механическими свойствами. Экономический эффект от внедрения разработанной технологии в серийное производство составил руб. в расчете на одну установку.

Основные положения диссертации отражены в 33 работах, наиболее значимыми из которых являются:

Статьи в центральных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, патенты:

1. Чепрасов Д.П. Особенности формирования бейнитных структур зернистой морфологии в ОШЗ сварных соединений из высокопрочных низколегированных сталей / Д.П. Чепрасов, М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский // Сварочное производство. – 2009. – № 7. – С. 7-11.

2. Чепрасов Д.П. Влияние термодеформационных циклов на формирование зернистого бейнита в околошовной зоне при дуговой сварке стали 24Х2НАч / Д.П. Чепрасов, М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский // Ползуновский вестник. – 2008. – № 4. – С. 89-94.

3. Исследование процессов сварки и наплавки с использованием современной методики сбора и обработки экспериментальных данных / М.В. Радченко, Д.П. Чепрасов, Ю.О. Шевцов, А.А. Иванайский, А.П. Борисов, М.Н. Сейдуров, П.С. Черемисин // Обработка металлов. – 2008. – № 1. – С. 7-10.

4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007612876.

Среда моделирования автоматической сварки (AWS) / Е.А. Иванайский, А.А. Иванайский, В.В.

Иванайский, М.Н. Сейдуров / Заявка № 2007611916. дата поступления 14 мая 2007 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 4 июля 2007 г.

5. Патент на изобретение № 2318879. Способ сфероидизирующей термической обработки стали / Д.П. Чепрасов, А.А. Иванайский, Е.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров / Заявка № 2006118596. Приоритет изобретения 29 мая 2006 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 марта 2008 г.

6. Патент на изобретение № 2348701. Способ термической обработки конструкционных сталей / В.В. Свищенко, Д.П. Чепрасов, М.В. Радченко, Ю.А. Филатов, М.Н. Сейдуров / Заявка № 2007115377. Приоритет изобретения 23 апреля 2007 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 марта 2009 г.

1. Сейдуров М.Н. Повышение эксплуатационной надежности основных несущих сварных узлов буровых установок из высокопрочных сталей бейнитного класса / М.Н. Сейдуров, Д.П. Чепрасов, А.А. Иванайский // Ползуновский альманах. – 2008. – № 3. – С. 187-188.

2. Чепрасов Д.П. Структурно-фазовое состояние продуктов бейнитного превращения зернистой морфологии, образованных под действием термодеформационных циклов в околошовной зоне сварных соединений из высокопрочных сталей / Д.П. Чепрасов, М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский // Ползуновский альманах. – 2008. – № 3. – С. 87-88.

3. Иванайский А.А. Разработка и внедрение инженерного программного комплекса по оценке и прогнозированию механических свойств сварных соединений на основе сбора и обработки экспериментальной информации и компьютерного моделирования / А.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров // Ползуновский альманах. – 2008. – № 2. – С. 112-114.

4. Иванайский Е.А. Технологические основы сварки высокопрочных хладостойких сталей бейнитного класса / Е.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский // Ползуновский альманах. – 2005. – № 3. – С. 146-147.

5. Промежуточные структуры зернистой морфологии в сварных соединениях низкоуглеродистых низколегированных сталей / Д.П. Чепрасов, Е.А. Иванайский, А.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров // Вестник алтайского государственного технического университета. – 2005. – № 3-4. – С. 88-89.

6. Рентгеноструктурный анализ промежуточных зернистых структур низкоуглеродистых низколегированных сталей / Д.П. Чепрасов, Б.Ф. Демьянов, А.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров // Вестник алтайского государственного технического университета. – 2005. – № 3-4. – С. 100Влияние исходного структурного состояния металла на хладостойкость зоны сплавления стали 24Х2НАч / Д.П. Чепрасов, В.А. Ряполов, Е.А. Иванайский, А.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров // Ползуновский альманах. – 2006. – № 3. – С. 40-41.

8. Иванайский А.А. Разработка технологии изготовления сварных корпусов силовых трансформаторов из профилированного листа высокопрочной стали / А.А. Иванайский, М.Н. Сейдуров, Е.А. Иванайский // Вестник алтайской науки. – 2009. – № 2. – с. 132-134.

1. Чепрасов Д.П. Условия формирования зернистого бейнита в ОШЗ при дуговой сварке низкоуглеродистых низколегированных сталей / Д.П. Чепрасов, М.Н. Сейдуров // Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие: Тез. стенд. докл./ Ин-т электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины. – Киев, 2008. – С. 117-118.

2. Сейдуров М.Н. Особенности формирования мезоферрита и зернистого бейнита под действием термодеформационных циклов при дуговой сварке стали 24Х2НАч / М.Н. Сейдуров, Д.П. Чепрасов, А.А. Иванайский // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-14-2008): Доклады (материалы) 14-й Междунар. науч.-практ. конф. Омск, 6-8 окт.

2008 г./ Томск.: САН ВШ; В-Спектр. – 2008. – С. 51-54.

3. Сейдуров М.Н. Роль типа и размера карбидной фазы в образовании очагов замедленного разрушения в условиях развития локальных пластических деформаций / М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский // Высокотемпературный синтез новых перспективных наноматериалов: тезисы докладов IV международной школы-семинара «СВС-2008» / Под ред. В.В. Евстигнеева, А.В. Еськова, Д.А. Харина. – Барнаул. – 2008. – С. 26-29.

4. Влияние термических циклов на формирование зернистого бейнита в околошовной зоне при дуговой сварке стали 24Х2НАч / М.Н. Сейдуров, Д.П. Чепрасов, В.Г. Радченко, А.А. Иванайский // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-13-2007):

Доклады (материалы) 13-й Междунар. науч.-практ. конф. Кемерово, 1-3 окт. 2007 г./ Томск.:

САН ВШ; В-Спектр. – 2007. – С. 65-68.

5. Установка для имитации термодеформационных циклов сварки / М.Н. Сейдуров, А.А. Иванайский, А.Г. Иванов, Е.В. Ноздрачев // 6-я Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь». Секция «Машиностроительные технологии и оборудование». Подсекция «Сварочное производство». – Алт. гос. техн.

ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул. – [Электронный ресурс]. – Режим доступа:

http://edu.secna.ru/publish/gorizonty_obrazovania/2009/n11/, свободный. – С. 21-24.

Подписано в печать 23.10.2009. Формат 60х84 1/16.