Диссертация (1143872), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Сопоставление результатов исследований металла реальных деталей из стали07Г2НДМФБТ после технологических нагревов в процессе производства с результатамимоделирования доказывают наличие взаимосвязи между наблюдаемыми низкимизначениями работы удара и особенностями эволюции структуры в ЗТВ привоздействии высокой погонной энергии в процессе двукратного термического цикла.ЭволюцияструктурыидеградациясвойствметаллавЗТВвысокопрочныхнизколегированных сталей требует определенных ограничений в части применяемыхрежимов при сварке. Такие ограничения на энергетические параметры процесса (воизбежание появления выпадов работы удара на участке перегрева относительнонормативных значений) требуют строгого контроля над ними.5.
Полученные в настоящей главе результаты, отражающие закономерностиэволюции структуры и деградации свойств металла при повторных нагревах,потребовалипроведениядальнейшихэкспериментальныхработтехнологичности исследуемых сталей, включая ремонтоспособность.поизучению79ГЛАВА 5. ЭВОЛЮЦИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМЫХ СТАЛЕЙПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛУЧЕВЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИЗа рубежом в машиностроении активно переходят к широкому применениювысококонцентрированных лучевых источников энергии. Такая тенденция имеет местои в отечественном машиностроении. Для сталей, применяемых при изготовлениимашиностроительных деталей и элементов конструкций, предназначенных дляэксплуатации в тяжелых условиях, например, в арктических регионах, где высокаяхладостойкость материала должна быть сохранена и в зоне теплового влияния, котораяформируется в процессе их изготовления или ремонта при локальных технологическихнагревах.Однимизпрогрессивныхтехнологическихметодов,уменьшающихдеградацию свойств металла в ЗТВ под воздействием термического цикла, являетсяприменение лучевых источников нагрева [65, 68].
Это обусловлено особенностямивоздействия энергии луча на металл в связи с ее высокой концентрацией, в результатечего термический цикл характеризуется высокими температурными градиентами искоростями нагрева и охлаждения металла в ЗТВ. Такой процесс обуславливает малыевыдержки во всех температурных интервалах.
При локальных нагревах электроннымлучом или лазерным пучком, как и при воздействии дуги, различные участки ЗТВнагреваются каждый в своем определенном интервале температур, и на каждом изучастков ЗТВ протекают соответствующие фазовые превращения при охлаждении, чтоопределяет соответствующую эволюцию структур и различие в свойствах металла наразных участках ЗТВ [66-68].
Снижение вязкости и хладостойкости (деградациясвойств) низколегированных сталей, как правило, обусловлено формированием в ЗТВ научастке перегрева крупнозернистой структуры [27, 70-74].В настоящей главе на первом этапе исследования (для оценки применимостилучевых технологий на низколегированных сталей с целью снижения деградациисвойств в ЗТВ при локальных кратковременных однократных и многократныхтехнологических нагревах) были проведены следующие исследования:- изучение эволюции структур в ЗТВ при однократном и многократномвоздействии электронного и лазерного лучей на исследуемые стали;- определение свойств металла ЗТВ (микротвердости, прочностных свойств иударной вязкости при отрицательных температурах) на опытных пробах;80- изучение эволюции структур металла модельных образцов из исследуемыхсталей после имитация на дилатометре термических циклов, характерных для ЗТВ привоздействии на материал электронного и лазерного лучей.5.1.
Исследование воздействия электронного луча на металлЗаменатрадиционных источников нагрева налучевые,как показываетматематическое моделирование и подтверждают опытные данные, существенно меняетхарактеристики термических циклов, процессы при формировании структур и размерыЗТВ. Например, при использовании электронного луча (ЭЛ) размеры ЗТВ, в частности,как показывают эксперименты на всех исследованных сталях (10ХСНД, 15ХСНД,10ХН3МД, 07Г2НДМФБТ) не превышают 3мм (рис.5.1), при воздействии лазерноголуча она существенно уже (в 2 раза и более в зависимости от вводимой энергии). Сдругой стороны, сокращение размеров участка перегрева создает проблемы приизучении структурных изменений в металле методами металлографии.
Математическоеи имитационное моделирование позволяют в этом случае подробно изучитьзакономерности фазовых превращений при формировании структур металла в областитеплового воздействия и дать их адекватное описание [43, 55, 96].Высокая плотность мощности в электронном пучке (до 5•107 Вт/см2 при площадипятна в фокусе до 1•10-2 мм2) обеспечивает глубокое проплавление металла большихтолщин. ЭЛ относится к высококонцентрированным источникам энергии и обладаетширокими технологическими возможностями, позволяя проплавлять за один проходметаллы и сплавы толщиной от 0,1 мм до 400 мм. Развитие оборудования и технологий,основанных на взаимодействии ЭЛ с металлами, позволяет решать всѐ более сложныезадачи в различных областях техники.
Ведение процесса в вакууме (10-2–10-5 Па)обеспечивает не только защиту ванны, но и дополнительное рафинирование металла взоне плавления [56, 68].Основные исследования проводились на установке ЭЛУ-20Бс энергоблокомноминальной мощность 60 кВт (участвовали в экспериментах к.т.н. Александров Н.В. иоператор инж. Курта С.Н.).
Были определены режимы и сделан выбор технологическихрешений для реализации электронно-лучевой технологии взамен электродуговых наисследуемых сталях применительно к машиностроительным деталям различныхмеханизмов, машин, оборудования и элементам конструкций морской техники и81нефтедобывающих объектов. Наибольший интерес представляли исследования навысокопрочных хладостойких сталях типа 10ХН3МД и 07Г2НДМФБТ. Сравнительныеисследования были выполнены на стали повышенной прочности10ХСНД.Типичный шлиф при воздействии ЭЛ на сталь 10ХН3МД представлен на рис.5.1.Пробные провары на этой стали, полученных авторами работы [69] на установке ЭЛУ20Б позволяют прямыми измерениями оценить размеры ЗТВ при воздействииэлектронного луча.
Видимые размеры ЗТВ находятся в пределах 2-3мм.Макрошлифы пробных проваровСталь АБ22-2 (10ХМ3МД),100лучомммАБпробных(10ХМ3МД), толщинаРис.5.1. МакрошлифпроваровэлектроннымСталь 10ХН3МД, толщина 100 мм [69]Для оценки прочности металла в ЗТВ использовали пробы из сталей 10ХСНД(толщиной 15мм), 07Г2НДМФБТ (толщиной 25мм) и 10ХН3МД (толщиной 100мм).Вдоль продольной оси пробы сделали по одному проходу в режиме неполногоСталь 38Х38Х2Н2МА,МА, толщина 50 мм8проплавления (провар 90% толщины во избежание дефектов в корне).
После разделкипробы на поперечные шлифы и травления (рис. 5.2 и 5.3) осуществляли разметку подвырезку образцов.Поперечные цилиндрические образцы вырезались, в первую очередь, с цельюустановить место разрыва, т.е. является ли участок перегрева самым слабым звеном, иликрупнозернистый участок ЗТВ в части прочности не уступает другим зонам.Образцы Шарпи были вырезаны таким образом, чтобы надрез проходил поучастку крупного зерна (рис. 5.2).82абРис.5.2. Схема разметки на макрошлифах образцов Шарпи после однократного (а)и двукратного (б) теплового воздействия ЭЛ; сталь 10ХН3МД, толщина 100ммах100Рис. 5.3.
Макрошлифобразца детали из стали10ХН3МДв области однократного (а) идвукратного (б) тепловоговоздействия ЭЛбх10Испытанныемалогабаритныецилиндрическиеобразцы,вырезанныеизисследуемых сталей поперек ЗТВ, не имели разрушений по ЗТВ и показали прочностьна уровне временного сопротивления основного металла (т.е. не ниже прочностиосновного металла), что удовлетворяют нормативным требованиям (таблица 5.1).83Таблица 5.1Результаты испытаний образцов на статическое растяжениеМарка сталиТип ирасположениеобразцаВременноеМестосопротивление, разрушенияМПа10ХСНД07Г2НДМФБТТип IIГОСТ 6996Поперечный10ХН3МДТребования квременномусопротивлению, МПа509-527519Основнойметалл490-630Нормы РМРС721-779751Основнойметалл690-790Стандарт API 5L840-884865Основнойметалл720-890Нормы РМРСПосле изготовления из исследуемых сталей образцов Шарпи были проведеныиспытания на ударный изгиб при отрицательных температурах.
Испытания показали,что работа удара металла в области участка крупного зерна ЗТВ у хладостойких сталей10ХСНД, 07Г2НДМФБТ и 10ХН3МД, полученная при испытаниях образцов Шарпи приустановленных температурах, удовлетворяет действующим требованиям к этимматериалам (таблица 5.2).Учитывая, что при тепловых воздействиях ЭЛ в ЗТВ действуют жесткиетермические циклы и, как показывают расчеты, скорости охлаждения достигаютзначений 100оС/с и более [105], структура ЗТВ должна иметь существенные отличия посравнению с металлом в ЗТВ после воздействия дуги.Таблица 5.2Результаты испытаний на ударный изгиб образцов Шарпи с надрезом по участкукрупного зерна ЗТВМарка сталиТипобразца10ХСНД07Г2НДМФБТ10ХН3МДТип 1ХГОСТ 6996Температураиспытания, С− 40− 60− 60Работа удараДж79-21314780-188129135-19017284Расстояниелинии замера отповерхности, ммТвердость, HVМакрошлиф210203038Рис.
5.4. Результаты измерений микротвердости HV на разных участках ЗТВ после воздействияЭЛ на сталь 10ХН3МД, толщина 40 ммС этой целью было проведено исследование микроструктуры зоны термическоговлияния после воздействия ЭЛ на металл пробы из стали 10ХН3МД. Как показалиизмерения твердости в ЗТВ (рис.5.4) около линии сплавления, ее значения колеблются85по глубине детали (от 330 HV), достигая максимума в корне шва (месте наиболеевысоких скоростей охлаждения) - около 375 HV при средних значениях в ЗТВ - 285 HV .Более подробно результаты исследования стали 10ХН3МД представлены в главе 6.Здесьжеприведемвесьмаинформативныерезультаты,подтверждающиепреимущества лучевых технологий, полученные на высокопрочной стали 12Х2Н4МД,которая по технологической свариваемости уступает стали10ХН3МД из-за болеевысокого эквивалента углерода (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
