Автореферат (Обоснование критического значения эквивалента углерода на основе оценки свариваемости сталей для труб класса прочности К65 и К70), страница 3

Сварка всех образцов проводилась с использованием одинаковых сварочных материалов ирежимов сварочного процесса (скорость охлаждения около 18°С/с). Содержание диффузионноговодорода, наплавленного на медную пластину металла, соответствовало 6,5 см3/100 гр.При проведении испытаний серия образцов нагружалась различными по величине постояннодействующими усилиями в течение 24 часов. За исходную принималась нагрузка, при которойпроисходило разрушение сварного соединения образца в состоянии после сварки. Испытанияпродолжались до установления минимального разрушающего напряжения (σ minразр).Данные обизменении минимальных разрушающих напряжений, при которых образовывались холодныетрещины в исследованных образцах, представлены на Рис. 6.Анализ полученных результатов показал, что сварные соединения из сталей с эквивалентауглерода 0,35% разрушились по сварному шву.

В ОШУ ЗТВ холодных трещин не обнаружено.Образцы остальных партий металла разрушились с образованием холодных трещин в ОШУ ЗТВ.При этом минимальные значения напряжений (около 83 МПа) характерны для взятой в качествесравнения традиционной низколегированной стали 10ХСНД (Сэкв=0,46%, С=0,085%).10Рис. 6. Минимальные разрушающие напряжения образования холодных трещин в сварныхобразцах с различным значением эквивалента углерода и содержанием углеродаЗначения соответствующих напряжений сварных соединений высокопрочных сталейзначительно выше. Для исследованных плавок сталей напряжения изменяются примерно от 160 до320 МПа. Это свидетельствует об отсутствии прямой зависимости склонности к холоднымтрещинам от значений эквивалента углерода.

При прочих равных условиях это объясняется,очевидно, различным содержанием углерода в исследуемых высокопрочных сталях. Приэквиваленте углерода равном 0,54% и содержании углерода 0,027%, значения напряжений, прикоторых возможно появление трещин, практически в 2 раза выше, чем для сталей с эквивалентомуглерода 0,38% и 0,44%, но с более высоким содержанием углерода (0,068% и 0,085%соответственно).Фрактографическиеисследованияповерхностейизломовобразцовневыявилисущественной разницы в микромеханизмах их разрушения.

Во всех случаях вязкая составляющаяизломов представлена разновеликими ямками. Поверхности хрупких изломов образованыотносительно плоскими фасетками транскристаллитного скола и фасетками квазискола.Таким образом, выполненные с использованием «машинных» методов исследованияпоказали, что при оценке склонности малоуглеродистых сталей для труб класса прочности К65 иК70 к образованию холодных трещин при сварке необходимо учитывать не только значениеэквивалента углерода, но и содержание его содержание в стали, определяющее пластичностьформирующихся в ОШУ ЗТВ закалочных структур.

При использовании эквивалента углерода вкачестве показателя оценки свариваемости малоуглеродистых микролегированных сильнымикарбидообразующими элементами сталей и их склонности к образованию холодных трещин, егозначения могут быть увеличены относительно нормативных (критических) значений эквивалентауглерода, принятых для традиционных низколегированных сталей.В пятой главе обоснованы значения коэффициентов эквивалентности углероду легирующихэлементов, отражающих особенности системы легирования исследованных сталей на их твердость.11В общем виде формулу для определения углеродного эквивалента (Сэкв, %) можно представить какзависимостьСэкв СSi Mn CrNi Mo VNb TiZr,mC mSi mMn mCr mNi mMo mV mNb mTi mZr(1)где C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Nb, Ti, Zr содержание легирующих элементов, %;mC, mSi, mMn, mCr, mNi, mMo, mV коэффициенты эквивалентности соответствующихлегирующих элементов.В работе была определена взаимосвязь между приростом твердости, вызваннымувеличением содержанием углерода на 0,01%.

Обобщение данных по значениям твердостинелегированных сталей показали, что увеличение концентрации углерода на каждые 0,01% (ΔС, %)приводит к приросту твердости (ΔHV, МПа) на 1,21 единиц HV (Рис. 7а).а)б)Рис. 7. Изменение твердости в зависимости от содержания в малоуглеродистых нелегированныхсталях углерода (а) и в низкоуглеродистых низколегированных сталях марганца (б)Для оценки вклада марганца в прирост твердости были обобщены данные по значениямтвердости для малоуглеродистых низколегированных сталей (0,01-0,043% С, 0,01-0,03% Si)(Рис.

7б).Согласно полученным данным прирост твердости рассмотренных сталях составил 1,48единиц HV при увеличении марганца на каждые 0,1% Mn. Сопоставляя данные по приростутвердости от углерода и марганца было найдено значение коэффициента эквивалентности длямарганца в диапазоне от 8 до 9 единиц.Влияние карбидообразующих элементов на уровень механических свойств сварногосоединения было определено на основе данных по твердости выделяющихся карбидных фаз и ихколичества. Процентное содержание выделяющейся карбидной фазы (К МеС, %) рассчитывалось поформулеК МеС  ( Zr  Ti  Nb  V ) 12Zr  k Zr  Ti  kTi  Nb  k Nb  V  kVk min  k c,(2)где Zr, Ti, Nb, V – содержание легирующих элементов, %;kZr, kTi, kNb, kV, kС – коэффициенты перевода весового содержания легирующего элемента всплаве на железной основе в атомарные проценты;kmin – коэффициент карбидообразования.Учитывая значения микротвердости карбидных фаз, их вклад в прирост твердости (∆Нμ,МПа) стали определяется следующим образомН  Н ср К МеС100,где Нμср – среднее значение твердости карбидной фазы на основе Zr, Ti, Nb, V.(3)Используя полученный прирост прочностных свойств за счет выделения карбидных фазнашли эквивалентную суммарную концентрацию карбидообразующих элементов (СэквZr,Ti,Nb,V, %)C эквZr ,Ti , Nb ,VН C эквНV  10,(4)По эквивалентной концентрации карбидообразующих элементов и их фактическомусодержанию в 45 марках проанализированных сталей определено значение коэффициентаэквивалентности mZr, Ti, Nb, VmZr ,Ti , Nb ,V Zr  Ti  Nb  VC эквZr ,Ti , Nb ,V,(5)которое составило 4 единицы.Таким образом, для расчета эквивалента углерода сталей для труб категории прочности К65и К70 предложено использовать следующую зависимостьСэкв ( Н )  С Mn Cr  Mo Ni  Cu Zr  Ti  Nb  V,85154(6)Выполненные в работе исследования позволили разработать методику определениякритического значения эквивалента углерода Сэкв (Н), предусматривающую:1.

Расчет фактического значения эквивалента углерода для рассматриваемой стали попредложенной зависимости.2. Определение погонной энергии (q, кДж/мм) применяемого процесса сварки по выражению13qI Uv,(7)где I – сила тока, кА;U – напряжение дуги,В; v – скорость сварки, мм/с.3. Определение по погонной энергии, соответствующей процессу сварки, скоростиохлаждения металла ОШУ ЗТВ сварного соединения труб с различной толщиной стенки (графикиприведены в работе). Для толщин стенок от 10 мм до 16 мм и от 23 мм до 32 мм графики дляперевода значений представлены на Рис. 8.а)б)Рис. 8. Графики изменения скорости охлаждения (w8-5) металла ОШУ ЗТВ в зависимости отпогонной энергии сварки и температуры подогрева для толщин стенок от 10мм до 16 мм (а) и от23 мм до 32 мм4. Определение критического значения эквивалента углерода с использованием полученногозначения скорости охлаждения металла ОШУ ЗТВ по графику для определения допустимогонормативного значения твердости (Рис.

9).а)б)Рис. 9. Зависимости критической скорости охлаждения w8-5 и предельно допустимого значенияуглеродного эквивалента высокопрочных сталей, обеспечивающих получение максимальныхрегламентированных значений твердости: а) 350 HV10 и б) 325 HV10 металла ОШУ ЗТВ145. Сравнение критического (по требуемой твердости в ОШУ ЗТВ) и фактического (похимическому составу) значений эквивалентов углерода.6. Принятие решения о возможности применения выбранной технологии и режимов сваркидля рассматриваемых сталей или необходимости их корректировки в целях снижения скоростиохлаждения металла ОШУ ЗТВ.ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ1. Анализ долевого участия легирующих элементов в формировании значения эквивалентауглерода показывает, что в сталях для труб классов прочности К65 и К70 по мере прироста значенияэквивалента углерода наблюдается тенденция по снижению долевого участия углерода вформировании значения эквивалента углерода по сравнению с другими легирующими элементами.2.

При легировании сталей сильными карбидообразующими элементами необходимоучитывать тот факт, что на процесс образования закалочных структур при сварке влияет содержаниеуглерода, оставшегося в аустените после образования специальных карбидных фаз.3. В малоуглеродистых микролегированных сильными карбидообразующими элементамисталях с содержанием углерода менее 0,05% количество углерода в аустените по отношению к егосодержанию в химическом составе стали может снижаться до 2 раз.

В этом случае образованиезакалочных структур при распаде аустенита в процессе сварки вызовет уменьшение степенитетрагональности решетки мартенсита, снижение уровня микронапряжений и склонности кобразованию холодных трещин.4. Выполненные исследования по оценке реакции на термический цикл сваркималоуглеродистых,микролегированныхсильнымикарбидообразующимиэлементамивысокопрочных сталей с эквивалентом углерода Сэкв (МИС) от 0,35% до 0,54% показаливозможность обеспечения комплекса механических характеристик – твердости и ударной вязкостина уровне нормативных значений в зоне термического влияния при способах сварки, используемыхпри строительстве магистральных газопроводов.5. На основе экспериментальной оценки реакции малоуглеродистых микролегированныхсильными карбидообразующими элементами сталей для труб класса прочности К65 и К70 натермический цикл сварки и их склонности к образованию холодных трещин при сварке показанавозможность увеличения эквивалента углерода относительно нормативных значений, принятых длятрадиционных низколегированных сталей.6.

Показано, что в зависимостях для определения эквивалента углерода сталей для оценкитвердости ОШУ ЗТВ труб классов прочности К65 и К70 необходимо использовать значениякоэффициента эквивалентности для марганца равное 8, а для ниобия, титана и ванадия равное 4.157. Показано, что определение критического значения эквивалента углерода Сэкв (МИС) приоценке склонности сталей для труб классов прочности К65 и К70 к образованию холодных трещиннеобходимо проводить на основе взаимосвязи значений эквивалента углерода, содержания углеродав стали с параметрами термического цикла сварки (например, скоростями охлаждения w 8-5),обеспеченными режимами принятых процессов сварки, при которых достигается предельноезначение выбранных показателей (фазового состава структуры, твердости).8.

Результаты выполненной работы явились основанием для создания методики определениякритического эквивалента углерода сталей для труб классов прочности К65 и К70 на основе анализаих склонности к образованию холодных трещин при сварке, которая нашла отражение в Р Газпром2-2.3-992-2015.Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:1. Обеспечениепрочностныххарактеристикметалласоединительныхдеталейтрубопроводов из стали категории прочности К60 / Ефименко Л.А. [и др.] // Ежемесячный научныйжурнал. 2014. № 9. С. 17-18.2. Особенности процессов распада аустенита высокопрочных сталей при многопроходнойсварке / Ефименко Л.А.