Анализ и совершенствование технологии ручной дуговой сварки неповоротных кольцевых стыков магистральных трубопроводов

В сварных соединениях зону перекристаллизации разделяют на два участка: зону перегрева  с относительно крупным зерном (Τ_max 1273 К) и зону нормализации с мелким зерном (Τ_max < 1273 К).

Следует отметить, что на участке ОШЗ, непосредственно примыкающем к линии сплавления, наблюдаются аномалии в росте зерна. Это, по-видимому, связано с оплавлением данного участка при нагреве до температур в интервале Т_с–Т_л (температуры солидуса и ликвидуса соответственно). Оплавление происходит как при нагреве непосредственно источником теплоты, так и при кристаллизации металла шва. При кристаллизации шва выделяющаяся теплота затвердевания может привести к дополнительному оплавлению ОШЗ, если температура солидуса металла шва больше температуры ликвидуса основного металла. В этом случае происходит полное расплавление части рассматриваемого участка ОШЗ, которая фиксируется в ОШЗ как зона «расплавленного и неперемешанного со швом основного металла». В результате оплавления участка ОШЗ исчезает зеренная структура, сформировавшаяся на этапе сварочного нагрева. Новые границы аустенитных зерен образуются при затвердевании расплавленного металла на оплавленном участке ОШЗ. Конечные размеры зерна зависят от степени оплавления ОШЗ. При наличии полностью расплавленной прослойки, затвердевание которой происходит после начала кристаллизации шва, границы зерен на этом участке ОШЗ представляют собой продолжение границ относительно крупных зерен в металле шва. В этом случае на участке ОШЗ, примыкающем к линии сплавления, наблюдается наиболее крупное зерно в ОШЗ. При частичном оплавлении границы зерен образуются по затвердевшим расплавленным прослойкам между частями оплавленных зерен, причем в зависимости от степени дробления ранее существовавших до оплавления зерен конечные размеры зерен могут быть соизмеримы с остальными зернами в ОШЗ или более мелкими. Во всех рассмотренных случаях возможно подрастание аустенитных зерен на этапе охлаждения.

Перераспределение легирующих элементов  и примесей в сталях при высокотемпературном сварочном нагреве — сложный диффузионный процесс, который может приводить как к снижению, так и повышению микрохимической неоднородности (МХН). После завершения аустенитизации внутри зерен аустенита существует неравномерное распределение легирующих элементов и примесей, особенно углерода и карбидообразующих. Углерод концентрируется в местах, где ранее располагались частицы цементита, а также на участках зерна, где находятся еще не полностью растворившиеся специальные карбиды. Для сталей обыкновенного качества и качественных после горячей обработки давлением (прокатки, ковки) характерна начальная химическая неоднородность, связанная с волокнистой макроструктурой и полосчатой микроструктурой. Волокнистая макроструктура образована строчками раздробленных и вытянутых вдоль направления деформации неметаллических включений (сульфидов, оксидов, фосфидов). В зоне строчек имеет место повышенное содержание S, Mn, O₂, Si, Р, Аl. Полосчатая микроструктура вызвана более высокой концентрацией углерода в осях дендритов по сравнению с зонами их срастания в исходных слитках стали.

При нагреве после завершения аустенитизации в металле ОШЗ внутри зерен  развивается процесс гомогенизации по углероду и другим элементам. Перераспределение элементов происходит в соответствии со значениями градиента химического потенциала в разных участках зерен. При этом вначале возможно временное усиление МХН. Углерод перераспределяется из зон, обогащенных некарбидообразующими элементами, в зоны, обогащенные карбидообразующими, поскольку первые повышают, а вторые понижают термодинамическую активность углерода. При повышении содержания углерода его активность увеличивается, в результате направление перераспределения углерода изменяется, чему также способствует произошедшее к этому моменту перераспределение других элементов. При нагреве до температур свыше 1370–1470 К развивается процесс гомогенизации в направлении равномерного распределения элементов по телу зерен. Гомогенизация продолжается также на ветви охлаждения до температур сохранения диффузионной подвижности элементов или температур начала фазовых выделений, например, карбидов в высоколегированных мартенситно-стареющих сталях. Степень завершения гомогенизации при сварке зависит от максимальной температуры, диффузионной подвижности элементов, времени пребывания при температурах гомогенизации и исходной макро- и микрохимической неоднородности. Максимальная степень гомогенизации соответствует участкам ОШЗ, нагреваемым до T_c, учитывая, что коэффициенты диффузии элементов увеличиваются с повышением температуры в экспоненциальной зависимости. С наибольшей скоростью гомогенизация происходит по углероду, с меньшей — по S, Р, Cr, Mo, Mn, Ni, W в приведенной последовательности. Время пребывания при температурах гомогенизации зависит от теплового режима сварки, а также от класса применяемых сварочных материалов. Последнее связано с дополнительным нагревом ОШЗ выделяющейся теплотой затвердевания шва (аналогично их влиянию на степень оплавления ОШЗ). Степень влияния металла шва определяется температурой солидуса металла шва. Чем она выше, тем при более высоких гомологических температурах происходит дополнительный нагрев ОШЗ. При переходе от сравнительно тугоплавких ферритно-перлитных сварочных материалов к более легкоплавким аустенитным время пребывания ОШЗ свыше 1370 К уменьшается примерно в 1,5 раза. Весьма существенно влияет исходное состояние стали. Наличие труднорастворимых крупных скоагулированных частиц легированного цементита и специальных карбидов, например, после отжига стали на зернистый перлит, заметно снижает степень гомогенизации.

Одновременно с перераспределением элементов по телу зерен возможна их сегрегация на границах зерен. Однако, учитывая высокую скорость сварочного нагрева и снижение степени равновесной сегрегации с повышением температуры, по-видимому, этот процесс не приведет к значительному накоплению примесей на границах при нагреве. В процессе охлаждения, когда упомянутые условия изменяются, сегрегация может привести к обогащению границ примесями. Развитие сегрегации на границах также возможно при последующих нагревах в процессе многослойной сварки и повторном нагреве при отпуске сварных конструкций. Обогащение границ примесями — одна из причин хрупкого межкристаллического разрушения в ОШЗ.

На участке неполной перекристаллизации происходит полное или частичное превращение перлитных участков в аустенит и коагуляция цементита и специальных карбидов при сохранении феррита. Конечная структура после охлаждения будет характеризоваться неравномерным размером зерна и неоднородностью структурных составляющих. Если свариваемая сталь находилась в исходном состоянии закалки и отпуска, то в этой зоне происходит разупрочнение, т. е. снижение прочности и твердости.

При нагреве до Т_max ниже неравновесной A_c3 фазовые и структурные превращения происходят в том случае, если сталь перед сваркой находилась в метастабильном состоянии для этого диапазона температур. Метастабильны исходные состояния стали после холодной пластической деформации, закалки и низкого отпуска, закалки и старения. В холоднодеформированной стали развиваются процессы возврата и рекристаллизации обработки. Последний процесс приводит к разупрочнению соответствующей зоны сварного соединения. В низкоуглеродистой стали при нагреве свыше 470 К возможно деформационное старение, приводящее к снижению пластичности стали. Степень завершенности процессов, развивающихся при нагреве метастабильного металла, и изменений свойств сварного соединения зависит от состава стали и времени пребывания в диапазоне определенных максимальных температур. Последнее зависит от теплового режима сварки. Кроме того, режим определяет ширину зон, в которых развивается тот или иной процесс, а следовательно, и ширину зон разупрочнения или пониженной пластичности. При применении мощных концентрированных источников теплоты эти зоны могут стать настолько узкими, что не будут оказывать заметного влияния на прочность сварного соединения в целом.

1.3.3.3.4 Превращения в шве и  основном металле при охлаждении

При охлаждении в области высоких  температур в шве и в ЗТВ, находящихся в аустенитном состоянии, продолжают развиваться ряд процессов, начавшихся на этапе нагрева: гомогенизация, рост зерна и др. Некоторые процессы изменяют свое направление. Так, по мере охлаждения усиливается сегрегация примесей на границах зерен, а у мартенситно-стареющих сталей при условии медленного охлаждения возможно выпадение карбо-нитридов и карбидов хрома при температурах ниже 1320–1220 К. Основной процесс в сталях при охлаждении, окончательно определяющий микроструктуру и свойства металла сварных соединений, — превращение аустенита.

Анализ превращений в сталях при охлаждении в процессе сварки выполняют с помощью так называемых «анизотермических диаграмм превращения (распада) аустенита» (АРА) применительно к термическим условиям сварки. Их строят на основе экспериментальных данных, получаемых с помощью дилатометрического или термического метода анализа. Дилатометрический метод основан на регистрации изменений размера определенным образом выбранной базы на свободном незакрепленном образце в процессе его нагрева и охлаждения. Термический анализ основан на регистрации эффекта выделения теплоты, сопровождающего фазовые превращения аустенита. Для термического анализа используют как образцы основного металла, подобные дилатометрическим, в которых воспроизводится СТЦ, так и сварные образцы.

В зависимости от состава стали  и СТЦ в околошовной зоне и  шве при охлаждении возможны фазовые  превращения аустенита: ферритное, перлитное, мартенситное и бейнитное. Часто имеет место смешанное превращение, т.е. несколько последовательно следующих друг за другом видов превращений, например бейнитное и мартенситное; ферритное, перлитное и бейнитное.

Ферритное превращение характерно при сварке низкоуглеродистых сталей и относительно малых скоростях охлаждения. Оно представляет собой превращение диффузионного типа. Зародыши ферритной фазы возникают на границах аустенитных зерен (нормальный механизм превращения). Этому процессу предшествует диффузионный отвод углерода во внутренние части зерна аустенита. Содержание углерода в образующемся феррите не превышает 0,02%. Твердость феррита составляет НВ 80–100. При непрерывном охлаждении количество ферритной фазы, как правило, не достигает равновесного значения. В сталях с крупным аустенитным зерном (сварной шов, перегретая околошовная зона) при относительно высоких скоростях охлаждения возможно выделение феррита в виде ориентированных пластин внутри зерна аустенита (видманштеттова структура). Ферритные пластины выделяются вдоль плотноупакованных октаэдрических плоскостей решетки аустенита. Предполагают, что механизм их образования такой же, как и у мартенсита. Возможны случаи одновременного образования сетки феррита по границам зерен и видманштеттова феррита, причем по мере увеличения содержания углерода и уменьшения размера зерна доля последнего уменьшается. Образованию видманшттетовой структуры способствуют Mn, Cr и Мо. Выделения феррита могут приводить к уменьшению прочности, а тонкопластинчатая видманштеттова структура — к снижению пластичности.

Перлитное превращение характерно при сварке среднеуглеродистых сталей и как дополнительное при сварке низкоуглеродистых. Оно происходит при сравнительно невысоких скоростях охлаждения. Перлитное превращение имеет диффузионный механизм и начинается с образования зародышей в виде перлитных колоний на границах аустенитного зерна. Вначале вследствие флуктуации концентрации углерода образуется тонкая цементитная (или ферритная) пластина. При ее утолщении окружающий аустенит обедняется (или обогащается) углеродом и создаются условия для возникновения примыкающих к ней пластин феррита (или цементита). Попеременное многократное возникновение пластин цементита и феррита приводит к образованию перлитной колонии, которая начинает расти не только в боковом, но и торцовом направлении. Кооперативный рост двухфазной колонии в торцовом направлении контролируется диффузионным перераспределением углерода в объеме аустенита перпендикулярно фронту превращения и вдоль фронта между составляющими перлитной колонии. Скорость роста перлитных колоний и межпластиночное расстояние (между одноименными пластинами) зависит от степени переохлаждения. Для стали с 0,8% С по признаку дисперсности различают следующие разновидности перлитных структур:

1) собственно перлит, температуры образования 940…920 К, межпластиночное расстояние 0,5–1,0 мкм, твердость НВ 170–230;

2) сорбит – соответственно 920–870 К, 0,2–0,4 мкм, НВ 230–330;

3) троостит – соответственно 870–770 К, 0,1 мкм, НВ 330–400.

Разделение условно, так как  по мере понижения температур превращения  монотонно увеличивается дисперсность структур. Наиболее высокую пластичность и ударную вязкость имеет сорбит. Характеристикой перлитной структуры служит также окончательный размер колоний (перлитных зерен). Чем меньше размер аустенитных зерен и ниже температура превращения, тем меньше размер перлитных зерен. С уменьшением их размера повышаются механические свойства структуры.

Мартенситное превращение при  типичных сварочных скоростях охлаждения характерно для среднеуглеродистых легированных сталей. Превращение может быть полным или частичным в зависимости от скорости охлаждения. Оно бездиффузионно и происходит при переохлаждении аустенита до температур, при которых диффузионные перемещения атомов железа практически прекращаются, а углерода существенно замедляются. Оно начинается и заканчивается при постоянных для сталей данного состава температурах, не зависящих от скорости охлаждения. Превращение протекает по сдвиговому механизму. Мартенситные пластины образуются вдоль плотноупакованных октаэдрических плоскостей ГЦК решетки аустенита, которые наиболее близки по атомному строению к плоскостям с максимальной упаковкой в ОЦК решетке мартенсита. В результате кратчайших кооперативных атомных смешений (эквивалентных сдвиговой деформации) ГЦК решетки аустенита превращаются в объемно-центрированные тетрагональные решетки мартенсита. Превращение мартенсита не сопровождается выделением углерода из твердого раствора, который после превращения становится пересыщенным. Атомы углерода, расположенные в аустените в сравнительно свободных пустотах вдоль ребер ГЦК решетки, оказываются на гранях ОЦК решетки. Они препятствуют сдвиговой деформации при превращении, в результате чего тетрагональная решетка мартенсита искажается. Чем выше содержание углерода, тем больше тетрагональность решетки. Твердость мартенсита определяется содержанием углерода в стали и практически не зависит от содержания легирующих элементов. Мартенситное превращение аустенита не бывает полным — в структуре всегда остается от 2 до 10% остаточного аустенита.

В зависимости от внутреннего строения различает следующие типы мартенсита: пластинчатый и пакетный. Пластинчатый мартенсит также называют игольчатым, низкотемпературным и двойниковым. Он образуется в высоко- и среднеуглеродистых легированных сталях и имеет форму тонких линзообразных пластин с двойниковыми прослойками в средней части. В начальный момент превращения, когда образуется средняя часть пластины (так называемый «мидриб»), пластическая деформация аустенита, обусловливающая перестройку решетки, происходит путем двойникования. Периферийные области мартенситных пластин имеют дислокационное строение с плотностью дислокаций 10⁹–10¹⁰ см^–2. По мере снижения температуры превращения доля двойниковых участков увеличивается. Пластины мартенсита, образующиеся в первую очередь при температуре начала мартенситного превращения проходят через все зерно аустенита, расчленяя его на отсеки. Следующие пластины располагаются под углом к ранее образовавшимся и по длине соизмеримы с размерами отсеков. В зависимости от размеров зерна аустенита пластинчатый мартенсит может быть крупноигольчатым, мелкоигольчатым или бесструктурным. Пакетный мартенсит, также называемый реечным, массивным, высокотемпературным и недвойниковым (дислокационным) имеет форму примерно одинаково ориентированных тонких пластин (реек). Они образуют плотный более или менее равноосный пакет. Ширина реек 0,1–1,0 мкм, поэтому оптической металлографией выявляются только их пакеты. По этой причине пакетный мартенсит получил название массивного. Пакетный мартенсит образуется в большинстве низкоуглеродистых легированных сталей. Он характеризуется сложным дислокационным строением с высокой плотностью дислокаций (до 10¹¹–10¹² см^–2). Его образование обусловлено пластической деформацией исходной решетки аустенита путем скольжения. Тип мартенсита определяет его механические и технологические свойства. Например, пластинчатый мартенсит в околошовной зоне более склонен к образованию холодных трещин, чем пакетный. Это связано с тем, что у вершины двойниковой пластины создаются высокие плотность дислокаций и уровень микронапряжений.