Диссертация (Повышение эффективности модифицирования металла шва при сварке низколегированной стали под флюсом с металлохимической присадкой), страница 2

Иоффе зависит от соотношения междусопротивлением отрыву σв и пределом текучести σs. Согласно этой схемехладостойкость металла увеличивается с повышением его прочности σв ипластичности. Анализ факторов, влияющих на величину σв и σs, проведённый вработах Столоффа, Холла и Петча, показал, что единственным способомполучения структуры металла, стойкого против хрупких разрушений, приодновременном повышении его прочности и пластичности, является измельчениезерна.7Вопросам кристаллизации сварочной ванны и способам получениямелкозернистой структуры металла шва посвящено большое количество работотечественных и зарубежных исследователей (А.А.

Алов, Г.В. Бобров, А.МБолдырев, И.И. Ивочкин, И.К. Походня, Н.Н. Прохоров, В.П. Черныш, Г.Г.Чернышов, Б.Ф. Якушин и др.). Анализ этих работ показал, что одним изнаиболее эффективных способов измельчения структуры металла шва являетсявведение в сварочную ванну модификаторов, увеличивающих число центровкристаллизациивхвостовойчастиванны.Введениемодификаторовнаноразмерного порядка в сварочную ванну представляет определенныетрудности, которые можно преодолеть созданием модифицирующих комплексов,в которых макрочастицы связаны с наномодификатором.

В мостостроении приавтоматической сварке низколегированных высокопрочных сталей 10ХСНД,15ХСНД в настоящее время применяется металлохимическая присадка (МХП) изгранулятаимодификатора–диоксидаисследованиямеханическихсвойствтитана.металлаНашишвапредварительныесварныхсоединений,выполненных на производстве с применением МХП, показали значительный ихразброс, особенно по ударной вязкости.

Поэтому встала задача – установитьпричины низкой стабильности механических свойств металла шва сварныхсоединений,выполняемыхсметаллохимическойприсадкой.Судяполитературным данным, обоснование выбора химической добавки в МХП, физикохимические процессы, протекающие в зоне сварки и механизм взаимодействияМХП со сварочной ванной, недостаточно исследованы, что сдерживаетосмысление этих процессов и дальнейшее развитие методов повышениястойкости сварных соединений против хрупких разрушений.Повышение стойкости сварных металлоконструкций против хрупкихразрушений,изготавливаемыхвосновномизмалоуглеродистыхсталейохрупчивающихся при низких температурах, является актуальной проблемой,особенно в связи с интенсивностью освоения северных и восточных регионовстраны.8Актуальностьвыбраннойтемыдиссертационногоисследованияподтверждается её выполнением в рамках плана научно-исследовательских работРоссийской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) на 2012 – 2015г.г.(тема«Модифицированиеметалломодифицирующейструктурыприсадкойсметалламикро-исварныхшвовнанодисперснымимодифицирующими частицами при сварке строительных и мостовых конструкций»,направление 3: Развитие теоретических основ строительных наук, раздел 3.2.Физико-химические основы структурообразования новых материалов) и грантаМинистерстваобразованияинауки«СтипендииПрезидентаРоссийскойФедерации для обучения и ведения научной деятельности за рубежом студентов иаспирантов в 2013/2014 учебном году» при научном сотрудничестве сНациональным техническим университетом Украины «Киевский политехническийинститут» и Институтом электросварки им.

Е.О. Патона.Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышениехладностойкости и стабильности свойств сварных соединений конструкцийстальных мостов, выполненных автоматической сваркой с металлохимическойприсадкой.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены ирешены следующие задачи:1.Дана оценка уровня и стабильности механических свойств металлашва сварных соединений из стали 10ХСНД, выполненных в производственныхусловиях.

Определены причины нестабильности указанных свойств.2.Предложена,экспериментальноиметодамиматематическойстатистики обоснована методика количественной оценки прочности сцеплениямодифицирующей добавки с гранулятом при изготовлении металлохимическойприсадки (МХП).3.Разработана новая технология изготовления МХП, обеспечивающаявысокую стабильность её состава (защищена патентом на изобретение №2574930 от12.05.2014).94.Предложениэкспериментальноподтверждёнмеханизмвзаимодействия МХП со сварочной ванной при сварке под флюсом и образованиянеметаллических включений в металле шва.5.Данаоценкатермодинамическойвероятностиокислительно-восстановительных реакций в сварочной ванне при автоматической сварке стали10ХСНД с МХП.6.свойств,Проведены сравнительные исследования стабильности механическиххимическогосоставаиструктурыметаллашвасоединений,выполненных по существующей и разработанной технологиям.Научная новизна работы.1.Впервые разработана методика количественной оценки прочностисцепления модифицирующей добавки с гранулятом в составе МХП.

Установленыосновные технологические параметры, определяющие эту прочность приизготовлении МХП.2.Показано, что при получении МХП в высокоэнергонапряженнойпланетарной мельнице, обеспечивающей соударение частиц с ускорением неменее 20g в течение 5 мин, происходит измельчение 60 % модифицирующихчастиц диоксида титана вплоть до наноразмерного уровня и дробление гранулятас образованием новых ювенильных поверхностей, что за счёт образованияхимическихсвязейобеспечиваетповышениепрочностисцеплениянаномодификатора с гранулятом.3.Впервые,термодинамическихдлясваркифакторовподфлюсомгетерогеннойсреакцииМХП,данавзаимодействияоценкаслоямодификатора на поверхности гранулята со сварочной ванной.

Показано, что привведением МХП в сварочную ванну, минуя высокотемпературный дуговойпромежуток, сокращается путь транспортировки диоксида титана в расплав, и напорядок увеличивается удельная поверхность раздела фаз TiO2 – расплав, посравнению с введением TiO2 через флюс, вследствие чего достигается болеевысокая концентрация диоксида в сварочной ванне.10Предложен механизм взаимодействия диоксида титана в составе МХП4.со сварочной ванной при автоматической сварке стали под флюсом АН-47,содержащим Al2O3.

Согласно этому механизму наличие кислотного оксида TiO2 врасплаве интенсифицирует переход из флюса в сварочную ванну амфотерногооксида Al2O3, что подтверждено результатами химического анализа металла шва,атакжетермодинамическиманализомвероятностиокислительно-восстановительных реакций при сварке сталей.Показано, что в процессе кристаллизации сварочной ванны образуются5.мелкодисперсные глобулярные включения из нитридов и комплексных соединенийTiO2∙Al2O3, которые способствуют формированию вязких морфологических формигольчатого феррита, и повышают сопротивление зарождению несплошностей вметалле шва при нагружениях выше предела текучести.

С позиций механикиразрушения сформулированы требования к неметаллическим включениям в металлешва.Методы исследования.В работе применялись методы визуально-измерительного и ультразвуковогоконтроля сварных соединений с применением дефектоскопа ультразвуковогоУД2-70 по нормам СТО-ГК «Трансстрой»-005-2007, механических испытаний наударный изгиб при температурах минус 40°С на маятниковом копре МК-30А.Испытания на статическое растяжение выполняли на машине АрмавирскогозаводаУММ-5,измерениетвердостинаприбореВиккерсаТП-7Р-1,металлографические исследования проводили на микроскопе МИМ-10, растровоэлектронную микроскопию на электронном микроскопе JEOL JSM-6510.

Приразработкеметодикиколичественнойоценкипрочностисвязеймеждукомпонентами металлохимической добавки применяли весы марки ВК-3000.1, сточностью 0,1 гр, а также Vibra HT-220Е с точностью 0,0001 гр. Обработкуэкспериментальных результатов производили с использованием статистическихметодов и с применением прикладных программ.11Практическая значимость работы.Разработанныйметодколичественнойоценкипрочностисцеплениямодифицирующих частиц с гранулятом в МХП и новая технология еёизготовленияпозволяюторганизоватьцентрализованноепроизводствоприсадочного материала с гарантированным стабильным составом для всеймостостроительной отрасли.Результатыисследованийформированиясвязеймеждухимическойдобавкой и гранулятом в МХП могут быть использованы при разработке МХПразличного назначения с добавками нитридов, карбидов, оксидов и т.п.На основе новой технологии изготовления МХП разработан и находится настадии внедрения технологический регламент производства присадки длямостостроения, спроектирован участок централизованного её производства(приложение П.10, П.11, П.12).Автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность иискреннююпризнательностьсвоемунаучномуруководителюдокторутехнических наук А.М.

Болдыреву за поддержку и постоянное внимание, а такжеза помощь и советы, которые он оказывал при работе над диссертацией ипубликациями результатов работы.12Глава 1. ХРУПКИЕ РАЗРУШЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВМЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ И ПУТИ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯНаучно-технический прогресс второй половины 19 и начала 20 столетийобусловилбурноеусовершенствованыразвитиеметаллургическойи разработаныпромышленности.новые способыпеределкиБыличугунаипроизводства сталей различного назначения. Создавались новые металлическиеконструкции, основным материалом которых были сплавы на основе железа(стали), широкое применение получили изделия из чугуна. Для соединенияотдельных элементов получила широкое применение сварка, почти вытеснившаяклёпку.Однако это победное шествие металлических конструкций было омраченорядомкатастроф,повлекших их разрушениеи,внекоторых случаях,сопровождавшихся человеческими жертвами.1.1.

Случаи разрушения металлоконструкцийОдна из наиболее ранних зарегистрированных катастроф произошла вОлдхэме (Англия) в 1884 году, когда разрушение чугунных балок привело кгибели 20 рабочих. В 1830 г., вследствие обрыва одной из несущих цепейчастично обвалился подвесной мост через реку Эск (Шотландия), что привело кбольшим человеческим жертвам. В течение второй половины 19 и первойчетверти 20 веков в США было зарегистрировано огромное количестворазрушений,связанныхсмостовымиконструкциями,нефтепроводами,газгольдерами, водопроводными магистралями, резервуарами, подъемнымикранами,рельсовымипутямиидругимиподобнымиконструкциями,находившимися под действием как активных, так и пассивных нагрузок [1].В годы второй мировой войны (1939 – 1945 г.г.) в США было налаженомассовое производство кораблей сварной конструкции типа «Океан», «Либерти»,а также нефтеналивных танкеров.

Однако, уже с конца 1942 г. стали поступать13сообщения об имевших место серьезных разрушений на кораблях и танкерах.Первый танкер типа «Скенектеди», только что прошедший ходовые испытания16.01.1943 г. разломился надвое, в том же году корабль той же конструкции, что и«Скенектеди», через семь месяцев после принятия в эксплуатацию разломилсяпополам. Всего за период с 1942 по 1946 г.г. выявлено 132 случая разрушенийподобного рода [1].Несмотря на большое внимание к таким катастрофическим случаям, а такжена громадный объём исследований причин и разработки мер по минимизациириска, разрушение сварных металлоконструкций у нас и за рубежом продолжаетиметь место и в наши дни.В мире за период 2001 – 2010 г.г.