автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Кинетические особенности структурообразования в толстолистовых конструкционных сталях при сварке и их влияние на сопротивление разрушению

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ .

На правах рукописи ЕМЕНКО ЛЮБОВЬ АЙЗИОВНА

УДС 621.791

КИНЕТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ТОЛСТОЛИСТОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТМЯХ ПРИ СВАНЕ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ РАЗРУШЕН®

05,03.06. -Технология и машины сварочного производств;!

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учрно^ степени .ГОКТОрп ТСХИ^'ССКНХ наук

Спркт-П<-1",рбург - И*-'

Работа выполнена в Московской Государственной Акадашш нефти и газа им.И. М.Губкина

Научннй консультант - доктор технических -наук, профессор Стеклов О.М.

Официальные оппонента:

доктор технических наук, чд.-корр. РАН Игнатов В.А. доктор технических наук, профессор Макаров З.Л. доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, лауреат Ленинской премии, профессор Радчвнко В.Г. ' -

Ведущее предприятие - НПО "ВНИИНЕФТЕМАШ"

__ Защита состоится О_ 1992 года

в часов на заседании специализированного Совета

Д 063.38.17 при Ленинградском- Государственно техническом униБэрсктата С 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая,2!

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛГТУ.

Автореферат разослан " /7 " _ 1992 г.

Ученый секретарь Совета, д.т.н.

ЛОПОТА В. А.

...У'.--' Обиэл характеристика работы

Ш&зЫкиость проблемы. Интенсивное разпитие эноргетической,

химической, газовой, нефтяной промышленности и других отраслей техники предполагает увеличение обьема производства сварного крупногабаритного технологического оборудования и прежде всего сосудов, работающих под давленном. Распнряется диапазон условий их эксплуатации по темпоратурам, параметр:«.! рабочей с роди, характеру и числу циклов приложения нагрузки, возрастают абсолютные размеры сосудов, услогняется их конструктивное оформление. При этом значительно повышается экологическая опасность крупногабаритного оборудования, возрастают требования к его свойствам, оцениваемым совокупностью характеристик, в том число их сопротивлением разрушению.

Основным конструкционным материалом в производство такого оборудования является толстолистовой прокат низкоуглеродистых и низколегированных сталей, а наиболее эффективными процессами сварки -процессы с внеокг,и тепловложением, в частности электрошлаковая сварка (ЕШС). Несмотря на очевидные преимущества по экономичности и производительности этот прогрессивный вид спарки все еще находит ограниченное применение.'Последнее объясняется нсблагопрпятннм влитием термического цикла СТПС на Формирование структуры и свойств сварных соединении.

В мировой практике к настоящему времени определились два под-сода рскеиия этой проблема. Первый связан с созданием специальных <омшюкснолегированннх сталей, что длительно по времени, спл->—с Золмшмп экономическими затратами, и с использованием т*. цигннх тегирующих материалов.

~ Другой подход, основан на изменении свойств сталей относитель-ю простого-химического состава, распространенных в промышленности, 1 их епт'.чнх соединении в заданном нанранленип в процессе технологического передела при изготовлении оборудования. При о том наиболее укзбо нзучеипт продолжает оставаться структурны!: аспект. Вместе с "ем, эмч'ектнгность цпдтстэтпго урояггя кехат'чрскгос и техчгологичес-спх с»о"отп спамтох сопл'ншги!! во гчогем определяется процессами 1],рпра,н"'и,:1 аустоилто при смрк», влиянием на них химического сос-'ала, Г'г:ол1Ю1ч> структурного со<лояи.ш стали и торчмеского цикла.

к сзарнш соединениям, ^ормпууршичел в условиях по-!\,;"г,,:о--ч'п.'{ нрч сна ¡те лкт'/аллюпть такого ко'шл'чссно-ч) I;'">;"■■.л гсзгастл^'г. !! с.ч'гзп с "чем гоосгннеете::

структурообразования в толстолистовых конструкционных сталях при сварке, их влияния на сопротивление сварных соединений разрушению и на этой основе разработка путей повышения их вязкости относятся к числу важных проблем сварочной науки-и техники.

Работа является частью исследований, выполняемых в ГАНГ км.И.А'.Губкина согласно постановления 1КНТ и Академии наук СССР N2 573/137 по решению научно-технической проблемы 0.72.01, связанной с созданием и освоением ресурсосберегающих технологий производства сварных конструкций, обеспечивающих повышение качества, надежности и долговечности машин, механизмов и сооружений.

Цель -работы. .Установление особенностей структурообразования в конструкционных толстолистовых сталях, применяемых.и перспективных для производства крупногабаритного оборудования при высокопроизводительных способах сварки, их влияния на сопротивление разруше нию и на этой основе разработка путей повышения работоспособности сварных соединений.

Основные задачи > решение которых необходимо для достижения поставленной цели:

- определение влияния исходного структурного состояния, пара . метров термических циклов на кинетику превращения аустенита при

сварке углеродистых и низколегированных сталей;

- оценка влияния структурных факторов на сопротивление раэрз шению околошовного участка и металла шва сварных соединений углерс дистых и низколегированных сталэй;

- исследование особенностей кинетики разовых и структурных превращений при ЭШС двухфазных ферритно-аустенитных сталей и их взаимосвязи с механическими характеристиками сварных соединений;

/ • ■ • - установление связи фазового состава и параметров структур с ыикромеханязмом вязкого и хрупкого разрушения и его фрактографи-. ческими характеристиками;

- по данным исследований кинетики фазовых превращений и ник .■ ромеханизыа разруиения выбор регулируемых параметров термических

циклов,и разработка высокопроизводительных технологических процес 'сов влектроашковой, сварки углеродистых, низколегированных и двух .фазных ферритно-аустеннтньгх сталей, обеспечивающих заданный урове .сопротивления сварных соединений разрушению без их последующей вы сокотемперагурной термической обработки.• • ■ ■

- з -

Научная новизна работы.

1. Установлено, что сопротивление разрушению металла шва и эколошовного участка (ОШУ) сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей контролируется не только (разовым составом структуры и диаметром зерна аустенита, но и, в значительной степени,, фрагментацией субзеренной структура. В феррито-перлитной структуре размер хрупкой микрогрещины транскристаллитного скола пропорционален диаметру зерна Феррита. В структуре верхнего бейнита - пакету Зейнита. В структуре нижнего бейнита сопротивление продвижении тре-шшы зависит, наряду с размером пакетов, от ширины реек и расстояния между карбидами, с уменьшением которых возрастает вероятность зарождения и распространения в объеме одного пакета, большего чис-

иа элементарных микротрещин гранскристаллитного скола и уменьшения ах размеров.

Размеры вязких кикротрешин определяются размерами, форлой и распределением карбидов и неметаллических включений. Для ОПТУ с [юррито-перлитной, феррито-бейнигной и бсйнитной структурами, путем доставления частиц второй фазы, содержащихся в металле, и частиц, тициируюших микропоры, а затем и ямки на поверхности разрушения, установлено, что зарождение микропор происходит у частиц размером 5ольше критического (0,02-0,04 мкм). Выявлена попарная корреляцион-ian линейная свйзь между размерами частиц второй фазы, микропор, шициированных этими частицами и ямками.

2. Определено, что фазовый состав я дисперсность структуры )ШУ' ЗТВ сварных соединений низколегированных сталей и^как следст-зие, его сопротивление хрупкому разруше mo, определяются, при про— 1Их равных условиях, исходный структурным состоянием основного металла. Наблюдаемое с повышением неравновесности и дисперсности негодной структуры повышение чувствительности к росту зерна аустени-га, степени его гомогенизации и устойчивости к распаду, способству-!т ограничению (предотвращению) выделений при сварке в структуре

Ш полигонального феррита. При этом требуемый структурный состав и . гаобходимсе сопротивление ОПУ хрупкому разрушению низколегированных ¡талей, походная структура которых состоит кя пысокодиспсрсной фер-жто-кар&икой ст-пси, сбсспочигаотся в процесса сварки при более шзких скоростях охлотшонил ( V/<.__-) по срапчепию со сталью, в юходло!: структуре .которой лрисутстсукт а.орркг'рш и тоалптаа! фазы. )теечзнчгк> тчупся ютпует о цолесообразности оптрмкзшдо парам? т-

ров термических циклов сварки (ПТЦС) с учетом исходного структурного состояния стали.

3. На основе анализа данных количественной металлографии и электронной фрактографми определены условия обеспечения вторичной структуры металла швов, гарантирующей их высокое сопротивление разрушению, заключающиеся в необходимости повышения ^ о с в процессе вторичной кристаллизации до значений, ооеснечивамшхтйеггее легированных объемов аустенита осей ячеек и дендритов в области образования промежуточных структур. Интенсивность охлаждения должна быть тем ниже, чем более дисперсна и однородна первичная структура металла шва.

4. На основании изучения киногики разовых и структурных превращений двухфазных ферритно-аустенитных сталей в условиях сварки с повышеным тепловлокениемпоказано, что среди причин снижения пластичности и охрупчивания сварных соединений: рост ферритного зерна, изменение соотношения (к. , у фаз, выделение избыточных фаз, главнь образом карбидов и карбонитридов' титана по межфазным границам, две последние имеют доминирующее значение. Установлено, что отрицательное влияние крупного ферритного зерна может быть компенсировано сокращением выделений избыточных фаз,и увеличением в структуре ОШУ вторичного аустенита, содержание которого вар.-ьируют в зависимости от количества избыточных фаз.

Определены условия оптимизации структурного состава и свойст! сварных соединений двухфазных ферритно-аустенитных сталей при ЭШС, заключающиеся в увеличении длительности пребывания металла 31В в ■интервале температур выделения вторичного аустенита и повышении скорости охлаждения в интервале температур выделения карбидной Фаз1

Положения, вдноси.ше на защиту:

- установленные закономерности влияния исходного фазового со тага, морфологии структуры и ПТЦС на кинетику превращения аустенит; при сварке толстолистовых углеродистых и низколегированных сталей и формирование структуры ЗТВ;

- результаты экспериментальных исследований влияния структур них факторов на склонность к охрупчиванкю металла шва и ОШУ ЗТВ сварных соединений углеродистых, низколегированных и двухфазных ферритно-аустенитных сталей и разработанные на их основе принцип» оптимизации параметров термических циклов ЭШС;

- выявленные закономерности взаимосвязи элементов структуры

(размера зерна, субзерна, пакетов реек беинита, размеров и распределения частиц дисперсной фазы и неметаллических включений) околошовной зоны и металла шва с размерами элементарных хрупких микротрещин транскристаллитиого скола и вязких трешин, развивающихся по механизму зарождения, роста и коалесценции пор;

- режимы технологических процессов ЭИ1С углеродистпх, низколе-гированньгх и двухфазных церритно-аустенитных сталей, обеспечивавшие заданный комплекс механических свойств сварных соединений, в том числе, их сопротивление хрупкому разрушению, без их последующей высокотемпературной термической обработки;

- результаты промышленного широкомасштабного применения разработанных технологических процессов в производстве газонефтехимического оборудования.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований разработаны высокопроизводительные ресурсосберегающие технологические процессы электрошлаковой сварки (одно- и двухпроходной) с регулированием термических циклов продольных и кольцевых стыков крупногабаритного оборудования из углеродистых, низколегированных и двухфазных ферритно-аустенигннх сталей, обеспечивающие нормативный уровень механических характеристик сварных соединений без их последую-цей высокотемпературной обработки.

Способ электрошлаковой сварки с регулированием термических циклов углеродистых и низколегированных сталей включен в отраслевой стандарт ОСТ 26-291-87 "Сосуды и аппараты. Стальные сварные.Техни-1еские условия", регламентирующий его применение.

Разработанные технологические процессы получили широкое внед-зениэ на головных предприятиях отрасли химического и нефтяного ма-пшостроения при изготовлении оборудования для оснащения важнейших ¡ефтегазовпх п нефтехимических комплексов страны; Западно.'' Сибири, ¡редней Азии, Оренбурга и других регионов. Экономический э^ект от * ¡недроншт разработанных технологических процессов составил около : млн.руб.

.Построены анпзотермичсские и,соответствующие им,структуршо даграмгн, использование которых в инженерной практике позволяет птимизирошть технологию сварки конструкционных сталей с учетом их сгнроплтгости, исходного структурного состояния, томпературпп-нре-енннх условий процесса.

Результат/ работы тякасо используется в ГЛГН им.И.!.'.Губкина

в учебном процессе по ряду курсов и дипломному проектированию специальности 1205 "Оборудование и технология сварочного производства".

Апробация и публикация результатов. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на двух международных и десяти всесоюзных и региональных научно-технических конференциях. Работа в целом обсуждалась на совместном заседании специализированного научного семинара кафедр "Сварка и защита от коррозии", "Технология конструкционных материалов", "Металловедение и неметаллические материалы" ГАНГ им.И.М.Губкина (1991 г.); совместном заседании кафедры "Оборудование и технология сварочного производства ЛГТУ и семинара ДДНТП "Научные достижения в сварке" (1991 г.).

По результатам работы опубликовано: обзор; ЗБ статей в научно-технических журналах и сборниках; получено 8 авторских свидетельств на изобретения и 4 патента ( США, ФРГ, Франции, Японии).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, ; списка литературы из 338 наименований и приложения. Работа изложена на 452 страницах машинописного текста, содержит 78 таблиц и 116 рисунков.

В первой главе на основе анализа известных литературных данных рассматриваются особенности структурных превращений в конструкционных сталях при сварке и их взаиыосачзь с прочностными и плас-: тичесними свойствами сталей и сварных соединений) с милрсакханизмом разрушения.

В настоящее время основным конструкционным материалов для сварного толстостенного оборудования продолжают оставаться углеро-■ дистые и низколегированные- стали. Для конструкции, эксплуа-

тируемых в окислительных и окислительно-восстановитслышх средах, перспективно использование двухфазных экономнолегировашшх Фсрритно-аустенитных сталей. Общим для всех указанных сталей является их неблагоприятная реакция на термический цикл сварки, выражавшаяся в ухудшении механических свойств, в том числе, сопротивления сварных соединений хрупкому разрушения.

: В работах отечественных и зарубежных ученых показано, что по-'.нижению вязкости металла в ЗГВ способствуют процессы роста зерна, .'формирование неблагоприятного структурного состава. Вместе с тем, недостаточно изученным является вопрос о влиянии на указанные про, цессы исходного Фазового состава и дисперсности структуры стали, а .также параметров термических циклов сварки, особенно лропссоои.ха-

рактеризущихся повышенным тепловложением в свариваемый металл, в частности, элсктротлакового.

Продолжает оставаться дискуссионным вопрос о влиянии структурных '(¡.акторов на сопротивление сварных соединений разрушению. В работах Котрсдла А.Х., Петча Н.Ля., Курлда.ова Г.В., Мешкова 10.А.., Копельмана Л.А., Горицкого В.М. и других отмечается положительное влияние повышения дисперсности и однородности структуры на снижение критической температуры хрупкости и увеличение сопротивления отрыву. Имевшиеся в литературе данные, как правило, относятся к основному металлу и практически отсутствуют для гетерогенной структуры 3'1В сварных соединений. Наиболее изучено влияние на механические характеристики дисперсности ферритной и перлитной структур (диаметра ферритного зерна, размеров перлитных колоний), гораздо в меньшей степени, промежуточных бекнитннх структур. По существу не ясно, какой элемент структуры вносит свой вклад и является ответственным за сопротивление разрушению металла ЗТВ и ее наиболее "слабого" около-еошюго участка.

С згой точки зрения большое значение имеет установление связи фазового состава и параметров структуры (размера зерна, субзерна, пакетов реек бейнита, размеров и распределения дисперсной фазн я неметаллических включений) с микромеханизмом вязкого и хрупкого разрушена и их фрактографическими характеристиками.

Исследования выполнены на толстолистових конструкционных сталях широкоприменяемых и перспективных для изготовления сварных конструкций, в том числе газонефтехимического оборудования (табл.1.). С целью изучения влияния исходного структурного состояния на процессы структурообразования при сварке, в сталях марок 09Г2С, 09ХГ2СЮЧ, 10Х2ГШ1 предварительной термической обработкой была сформирована разнообразная гамма «Газового состава и механических свойств (табл.2).

По втотюй главе получили дальнейшее развитие представления о кинетике полиморфных превращений в углеродистых и низколегированных сталях при сварке_в зависимости от химического состава, исходного структурного состояния п параметров термического цикла. Исследованы особенности роста зерна аустенита, степени его гомогенизации, устойчивости к распаду.

Установлено, что несмотря на то-, что при способах сварки с высоким теижшочонисм процессы роста зерна и гомогенизации аустенита получглзт наиболее полное развитие, возможно в определенных про-

Таблица I

Химический состав исследуемых марок сталей

Марка • - Содержание элементов, %

стали : С Si Мп /У/ Cr ña ¿V У № Ti tiè Ce fis 5 P

Г. 20ЮЧ 0,25 0,26 0,52 0,14 0,09 - 0,15 - 0,01 - - 0,001 0,0S 0,020 0,008

2. 0ST2C 0,-09 0,63 1,51 _ - - - - 0,009 0,016 0,021

3. isrc 0,14 0,48 I.II 0,016

4. I2XM 0,16 0,25 C,7I 0,11 1,00 0,53 - - - - - -0,017 0,016

5. : ютян 0,17 0,25 1,09 0,10 0,11 0,42 0,05 - - - - ' - 0,035 0,021

6..' 09ХГ2НАБЧ 0,09 0,31 1,49 1,13 0,49 - - 0,1 - 0,03

7. 09ХГ2СЖЧ 10Г2ФР- *} 0,12 0,44 2,39 0,12 I,C0 0,04 0,14 0,008 0,065 - 0,01 0,02 0,002 0,024 0,028

8. 0,12 0,48 1,54 0,30 0,30 - 0,07 0,110

9. 10Х2ГНМ ■ 0,08 0,30 1,03 0,20 2,34 0,49 - 0,006 0,029 - - - 0,014 0,007 0,008

10. 08X22H6T 0,08 0,61 C,37 5,73 22,3 - 0,61 - 0 ,52 - - 0,013 0,034

II. 08X2IH6M2T 0,07 0,32 0,31 6,00 20,3 2,22 - - 0 ,38 - - 0,015 0,028

s) недержание В - 0,001

Таблица 2

Структура и .таханлчаскиэ свойства исследуемых сталей

от:"',„г.: состав ^ЛЗГОЛ прочности, МПа , Яхздпл теку-чзсти, ^ :ша Относительное удлинение, % Твердость, НУ 10

СЕГ2С оС » Террлта, 20 2 ле о.тлта пластллча-того (;-Пл) 546 320 27 165

5 % .гз-отзита, 50" бел-;-::;та, 45 ,1 глаитенсята (ггр-зги/ушгзствонно Б-Ш 1023 660 . П.I 311

сорбит отпуска ей 435 24 185

СО/- 1орт>;1та, 2С % перлита зернистого (1-Пз) 486 239 29 147

50 Й'е^рлта, 50 % бей-кг.та Б) 594 446 19 180

5' Я ¿«рсята, 60 % йе/лита, 15'Ъ .таитенсата {прйглущвстевЕно Б) 858 644 18 260

С2лГ2СГ.Ч 40 % .'-еррпта, СО % бзл-'¡глта 900 720 19 276,

, 10 % террлта, 50 % глар-т^нелта 1170 930 18 355

СО % 'Т-еррита, 40 % бейки? а 760 540 21 231

делах управлять имя за счет изменения параметров термических циклов. В частности повышение W с сокращение ^ , V способству-

1 л

ет уменьшению размера зерна аустенита. Эффективность этого процесса определяется легированностью стали, особенно содержанием углерода и карбидообразующих элементов, и зависит от неравновес.чостл исходного структурного состояния. При этом, чем более неравновесна и дисперсна исходная структура стали, тем вкмо ее чувствительность к росту зерна аустенита и тем более полно протекает процесс его гомогенизации. Последнее объясняется влиянием исходного структурного состояния стали на положение критических точек, значения которых тем ниже, чем диоперснве исходная структура. Аустониг, образовавшийся из назг иболес неравновесных структур, больше времени пребывает в области., высоких температур, что отражается на размере его зерна и завершенности процесса гомогенизации. Отмеченные особенности в состоянии аустенита значительно предопределяют степень его устойчивости к распаду при охлаждении.

На основе анализа построенных диаграмм анизотермичсского превращения аустенита и структурных диаграмм (рис.1) показано, что увеличение дисперсности исходной структуры стали способствует повышению устойчивости аустенита к распаду. Он переохлаждается до более низких температур, области превращений сдвигаются в сторону больших длительностей и меньших скоростей охлаждения. Снижение ферритной составляющей в исходной структуре способствует ее уменьшению в структуре ЗГВ,при прочих равных условиях.

Аналогичное влияние на повышение устойчивости аустенита к распаду оказывает скорость нагрева. Определено, что для всех исследованных сталей аустенит ЗТВ при ЭШС ( ^ П=Ю °С/с) по сравнению с АДС ( WH = 150 °С/с) характеризуется повышенной устойчивостью. Одинаковая направленность воздействия рассмотренных выше факторов на кинетику распада аустенита определяется их влиянием на процессы роста зерна и гомогенизация. Среди-ПТЦС одним из самых значимых в процессе структурообразования является скорость охлаждения. Она ответственна не только за формирование фазового состава структуры, но.и ее морфологии, р увеличением повышается вероятность

превращения аустенита по бездиффузионному механизму, увеличивается . содержание продуктов промежуточного превращения в структуре.

■л.' Методами оптической и электронной металлографии установлена возможность фрагментации структуры га счет изменения параметров

| 1; И!

Л

|! ¡¡]! I-

N11 сГ

| I | |; м •

1 \

1/1

1/1

]1|1-;1 /!

I = т!

П+Б

! И

а)

10"

10х

10й

Сшххнь охлаждения, С/с

Т, °С

800 700 600 500 400 300

<31

а

и

щ11 „ AUdi.lL-¡и. "1! I— V _

' —тм 11>

/'ПГ

/ ы

V/.

т^тггп

\

1Р

п

¡_5, 25,0 10,0 3,0 0,5

а'

Ша

2320 2000 1540 1400 10' 2880 2510 2100 1750

М I" ,, , .....

б)

.10

I

Бремя, с

1С"

Рис.1. Ашзотермические (5) и структурные (а) дкагрия/л участка ЗТВ с Тмах =1250 °С при ЭШС стали 09Г2С ------Ф-П, - - - - Б-М - исходное структурное, состояние

термического цикла сварки. Анализ бейнитной фазы 0Е1У ЗТВ сварных соединений низколегированных сталей показывает, что измельчение пакетов бейнита достигается путем сокращения 1/н, а увеличение дисперсности бейнитных реек феррита, уменьшение расстояния ыекду карбидами и изменение характера их распределения в ферритной матрице наблюдается при увеличении ^8-5* Б частности, при увеличении скорости охлаждения ОШУ ЗТВ стали 16ГМ0Ч с 3 до 12 °С/с,и прочих равных условиях, почти в два раза уменьшается ширина ферритной ройки, и в 1,7 раза сокращается расстояние между карбидами. Наблюдаются изменения в распределении карбидов в ферритной матрице от преимущественного выделения их по границам реек феррита С = 3°С/с) к выделению как по границам, так и в теле ферритных реек ( °С/с). Последнее свидетельствует о появлении в структуре рассматриваемого участка ЗТВ нижнего бейнита.

Таким образом, на основании проведенных исследований показана возможность управления полиморфнши превращениями и процессами структурообразования в углеродистых и низколегированных сталях при сварке на только за счет варьирования параметров термических циклов но и исходного структурного состояния стали.

В третьей главе изучено влияние параметров термического цикла ЭШС и структурных факторов на сопротивление хрупкому разрушению , ОШУ ЗТВ, оцениваемое с использованием ряда критериев, таких как: ударная вязкость (КС О , КС\/ ), удельная работа зарождения С КС \У 3) и распространения (КСУр) трешшш, температурный порог хрупкости (Т^д), коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации К|С, критическое раскрытие грешны (дс ), доля вязкой составляющей в изломе образца ( В, %).

Установлено, что снижение сопротивления хрупкому разрушению • углеродистых и низколегированных сталей, имеющее место при ЭШС, может,быть частично, а в ряде случаев, полностью восстановлено за счет регулирования ПТЦС и, в частности, повыиешя до значений

обеспечивающих* преимушетсвонное превращение аусгенита в бейтштной области,: предотвращение или ограничение выделений полигонального феррита-.илй перлита. Это положение подтверждается данными рис.2., из которых видно, что'дал. всех рассматриваемых сталей увеличение скорости охлаждения ог нгжпего. уровня (0,5-0,7 °С/с) характерного . для ЭШС по общепринятой технологии, до-некоторого (для катдой марки устали своего) значения, .обеспечивающего >зкаясшге фазового состава

паз

Скорость охлаждения, °С/с, V/,

'il

га 01 га «J н о

50 О О

40

зо а m о » к

Ц

8-5

ЕС V »'л/и'

■71

1,0 0,9 О. в

0.7 0,8 . 0,5 0,4 0,3 0,2 0.1

m vï

р> «

н о о о

W о

га

0'корость ох.пшк.тенгя,°С/с, ^ _(3

б

Скорость охлаждения, °С/с,

W8-5

г

Рис.2. Г-д^нио йазотнтго состава и ПТДС на сопроткпжшяе рззктгстч» СГ.У С'ГВ г.п'ютрукц'логг'ч:; стало;';: а - ir:C;, б - 2014, n - in: 1 ч, г - (I , 1' )

С'Г]'у:::урт, (2, ) - -p.^v-pcTmmo }'■; о - до nrny".;n, с - г.осд? cvrcua.

и морфологии структуры, способствует повышению показателей сопротивления ОЗУ ЗТВ разрушению, даже при значительном диаметре зерна аус-тенига. Это свидетельствует о доминирующем влиянии на ударную вязкость фазового состава структуры по сравнению с размером исходного зерна аустенйта при изменении величины последнего в определенных пределах.

Максимальные значения КС1Г ОШУ исследованных сталей обеспечиваются при бейнито-мартепситной структуре с содержанием мартенсита не более 10-15 %, когда практически полностью предотвращается выделение феррита, а ^ ^ a¡'

Вместе с тем следует отметить, что значения KCU , соответствующие нормативным требованиям, обеспечиваются',' как правило, и при более низких скоростях охлаждения, когда структурный состав отличается от оптимального. При этом в структуре ОШУ может присутствовать определенное количество ферритной и перлитной фаз.

На основе изучения взаимосвязи исходного фазового состава стали с формированием структуры ОШУ при электрошлаковой сварке, и как следствие,с его сопротивлением хрупкому разрушению установлено, что требуемый структурный состав и необходимое сопротивление О'ЛУ ЗТВ хрупкому'разрушению, для низколегированных сталей, исходная структура которых состоит из высокодисперсной феррито-карбидной смеси, обеспечивается в процессе сварки при более низких ^8-5 по сравнению со сталью, в исходной структуре которой присутствует феррит-■ нал и перлитная фазы. Например, предотвратить выделение в структуре ОШУ структурно-свободного сТеррита стали 09Г2С с исходной структурой сорбит отпуска возможно при скорости охлаждения около 10-12 °С/с, в. то время как при SIJIC стали с исходной феррито-пе.рлитной структурой необходимо обеспечить скорость охлаждения около 40 °0/е. Методами электронной металлографии (исследования выполнены на фольгах, подготовленных из основного металла и 0П!У ЗТВ стали 10Х2ПШ) показа.. но, что в ОШУ под действием ЩС ЗШС формируется структура, состоящая из смеси нижнего, незначительного количества верхнего бейнита , и мартенсита для стали с исходной преимущественно бейнитной струк--турой и смеси преимущественно верхнего и незначительного количества шит чего бейнита-и 'мартенсита для стали с исходной феррито-бейяит-jj ной .структурой.', - •

- Равномерное выделение карбидов в толе кристаллов бейнитнего ; феррита, .'повышенная дисперсность структуры обеспет."тваыт более buco-

кую вязкость потаяла со структурой нижнего бейнита (рис.2г). Это влияние структурных факторов е;де более усиливается под воздействием отпуска, выполняемого с-цолью снятия остаточных сварочных напряжении. Отпуск нижнего бег.нита и реечного мартснспта, имевшегося в структуре, сопровождается выделением дисперсных кристаллов феррита, образовагшхоя п результате отпуска рсок мартенсита, и карбидов, что поьншет фрагментацию структуры.

Электронные фрактогрзмми поверхности разрушения показывают па смену мжеромеханизка разрушения от хрупкого транскристаллитного (для ОРУ со структурой верхнего бейнита) к преимущественно вязкому (для (Ж со структурой нижнего бейнита).

Таким образом, дана оценка значимости влияния параметров термических циклов С-ИС на показатели сопротивления сварных соединений хрупкому разрутенгао, показана возможность обеспечения их значений на уровне нормативных требовании за счет регулирования фазового состава и морфологии структуры основного металла и ЗТВ.

В чотлептпп т'даре исследовано влияние структурных факторов на микромеханизм разрушения. На основе фряктографического 'анализа установлено, что разрушение металла иШУ Ы'Ь сварных соединений низколегированных сталей происходит по двум механизмам: хрупкому транс-кристаллитному и вязкому.

Поверхность разрушения хрупкого излома представлена, как правило фасетками траискристаллитного скола (ФТС) с небольшими участками вязкого, ямочного строения. Анализ механизма распространения хрупкой трещины показал, что при формировании в ЗТВ феррито-перллт-ной, феррлто-бейнктной, прегакугествепно бейнитной структур распространенно хрупкой трешпны происходит в основном путем зяроядения вле-ррди г/агистральной лидирующих кнкротрошин трапскристзллитного скола и их продппуочшя навстречу еП, до слияния с макротрешпноц.

Гпссглотропп спязь элементов структуры (зетон феррита, пакетов роек брПнкта, размеров ферритпвх реек беГшита, размеров и распределения карбидов к нгг'рта.ш1чгск:1х вклпоннЛ) с <Трзктогра$пческ:чш хэрактерт'пгпкппи огрсекзя нзпомов при хрупком и вязком разрушениях.

Viriwrnnn роль стгуктури'ч i:iK*ropoi! n рпа^опла трлнскристал-лптшл сколг/л (таол.о.). Еоюсппо, что n tTо^рпто-порлитной структуре рпзру in"' кцкполнруртс.-г ¿»a sr-vi: й-пррптя. Размер хрупкой гикрот ';:;:':!,' трапск" пог^лтатного охола ( dr ) п р о j! о р [? i о' т а л е I г -дна-t.;crp7 •, .'п^ггл ( dtp). Гацр'.ъгр, при dojxyjwrm! ферргло-пор-

Таблица 3

Характеристики элементов структуры и фрактографические параметры хрупкого излома ударных образцов из основного металла к ОШУ ЗТВ сварных соединений.

"арка ДТЦС - . Фазовый Десствит. Размер Ширина Расстояние Размер От:-; :опение

стали состав, диаметр пакета серрптнок между кар- .ФТС,

зетаа аер- бепнита рейки, бидами, ¿X

Ф <1-К рита. (¿г, мкм • ь мил Ыт сЛ-

смесь с^мкм мкм ыкм <1,

основной ке галл

1 25/ 75,

50 50 19,5р1,3

15,6-0,70 0,4

3

17

25 / 75, _ а5 12

80,6±1,3 1,8^0,2 3,4-0,3 24,0±0,72 "3,3-2,5 0,93±0,17 2,0±0,1 14,0±0,59

0,39 0,22

14

См

I

О

/с а- тс о±Т "

5 25 30 7С

9,31-0,78 0,50

зонознод

сртяг-уг

23 у ) ( 24,0±2,0

12,0-1,5 4,<34±0,50

Ю,4±1,0

0,63

0,21 0,43

литной структура в стали 1617.ВЧ отношение /с/ф составляет 0,7-0,8. Это указывает на то, что в некоторых зернах феррита возможно зародцение более одной микротрешины, а также на то что зародив-иаяся мг.кротреигана транскристаллитного скола (ТС) практически беспрепятственно пересекает ферритноо зернение изменяя-плоскости ТС. Размер никротроамнн ТС будет тем меньше, чем выше фрагментация структуры.

В болнптной структуре ОПТУ в каядом пакете бейнита имеет место неоднократное изменение направления единичного скачка микротрешины. В верхнем бейните размер <гТС пропорционален размеру пакета реек бейнита. Так для рассматриваемых структур ОПУ сварных соединений стали Ш7.ХЧ отношение составляет 0,2-0,4.

В июнем бейните структурный элемент, контролирующий разрушение, значительно дисперсное. Сопротивление продвижению трешоты в структура я'.ишего бейнита зависит, наряду с размером пакетов, от ипршш фгрритннх реек и расстояния г/езду карбидами. С повышением внутрнпакетнол <1 раггонгации структуры возрастает вероятность зарождения и распространения л обьеке олного пакета большого числа зле-тентарт'!« г.н-черотрепнн ТС и уменьшения их размеров. Например, при уггпьтегот прл?.:орио в дяа раза шарянн ферритних роек бейнита с 1,8 - 0,2 до 0,55 ± 0,П г'.км и расстояния тедцу карбидами, наблюдаемой в ОПУ ЗТБ (сталь 1СП1Ч) при практически одинаковкх размерах (Iа (около СО размер единичного скачка кикротрешинн сокраща-

ется с 2/,0 ± 0,72 до 14,0 - 0,59 им.:. У:лсньтенне размеров ФТС способствует сни>грш1Г! температурного порога хрупкости. Б рассматриваешь лрн'тр» Тг.у с:.:^кается в область отрицательных температур на 30°С.

Результат» ''селгдован;*;"; так^с- хоропо сочетаются с данншн работ К;/р,лр-;оп Г.Р., ¡>."пкоет Ю.А., Триднова В.Н., Лоу, в которых 1';. птнзтрлыто к осгсвнс:.:/. зотталлу сталой с беГнптной структурой отучается роль "рнтянутнх плястгп Л -Газы в пакетах" на ограниче->'•.1° свободно!! ласкягцпя пко-гккеиш» и, как структурного элемента, кочтрелрр'лтего Т.,_.

/и'^лпа пзлсуоп грл вязком разрушении выявил их смешанное крупно- и -^хкол^очнор '"тропп;:е. Газг-урн газгих гллкротрещин определи тел рез-ерпмп, и распределение!« карбидов и неметаллических в&ярямйК ¿^ратде^/е круптх ¡елок связано с образованием носп-лой'сстей г,ре<м1ще?~зет9 у "йекетадличйских включений, мелких - у

Путем сопоставления частиц второй '|азн, содержащихся в структуре исследуемого металла, и частиц, инициирующих мпцропоры, а затем ямки, на поверхности разрушения,установлено, что зарождение мик-ропор происходит у частиц размером больше критического (0,02-0,04 мкм ), доля участия которых в образовании микротрещин уменьшается с повышением дисперсности структуры. Методами корреляционно-регрессионного анализа показано, что в условиях ямочного разрушения металла' ОИУ 3ГБ существует тесная корреляционная линейная связь мехцу размерами частиц второй фазы, ыикропор, инициированных этими частицами, и ямок.

Таким образом, на основании установленной взаимосвязи структурных факторов с характеристиками микроыеханизма хрупкого и вязкого разрушений показано, что сопротивление разрушению ОКУ ЗТВ сварных соединений углеродистых и низколегированных стало!: контролируется не только фазовым составом структуры, но и,в значительной степени дисперсностью всех^ее элементов.

В пятой главе изучены особенности формирования структуры металла шва при электрошлаковой сварке. Оценена взаимосвязь элементов первичной и вторичной структур и их влияние на сопротивление хрупкому разрушению.

В процессе ЭШС стали 09Г2С за счет изменения тепловых условий кристаллизации было обеспечено формирование различных типов структур: ячеистой, ячеисто-дендритнои, преимущественно дендритной (табл.4).

Методами количественного металлографического анализа показано, что микронеоднородность первичной структуры и размеры ее элементов являются одним из ¿[акторов, определяющих, характер процесса вторичной кристаллизации. Чем более дисперсны элементы первичной структуры и меньше микронеоднородность, тем внше гомогенность аустенита перед началом фазовой перекристаллизации. Его приводит'к сдвигу превращений в область образования промежуточных структур при сопоставимых условиях охлакления в процессе вторичной кристаллизации.

- базовая перекристаллизация литого металла происходит с образованием лоэвтеглоидного Феррита и Феррнто-карбпднол смеси. Характерно образм,типе фпррита из копе мгирояанпого объема аустенита осой ячеек и деняритов, звтоктоида - v : -■г.-оенкх промежутках. Для ссаринх дав с феррито-лерзхткое егдаяудо?. раблшлртсл ссотштсгрвс процентного содоргл»г.5я £ттр:чгио.': состоглшзакП пторятиоП структур» г.

Таблица 4

Характеристики элементов структура металла сварных швов

вариант сварки

первичная структура

Ширима Величина осей мегсосных дендри- расстоя-тов или НЙЙ, ячеек,

кал

мкм

Доля площади. занимаемой !

осями меяос-денд- нил рит. простили ранет-ячеек, вом,

<И

а /о

Вторичная структура

Фазовый Услов- Диаметр Размер состав,^ ньа! зерна пакета

-диаые трлзррита, бе:лш-

Ф Ф-К зерна та,

смесь аусте-н:;та,

мкм

мкгд

Скорость охлаждения за-крнстал-лмзо^^в—

ехгосе

металла шва,

^8-5'

°С/с

ЗШС

гше+гпм

сШС+ЕВО

гше+пи+п.з.+вво

ВШС+Узк.з.+ВВО +

н.э.

300-18 67*3 77 . 23 81 19 288*19 22*2,4 - 0,8

290*15 31*2 67 33 65 34 175*10 19*1,5 - 1,0

60*5 54*3 43 57 24 76 132*8 13*1,3 40*3,8 3,0

190*10 41*3 62 38 28 72 170*12 17*1,7 48*4,0 3,0

92*5 43*4 72 28 20 80 140*8 14*1,1 35*2,5 4,2

0

1

доли занимаемой осями дендритов и ячеек в первичной структуре.

Для сварных швов с феррито-беннигной структурой характерно' уменьшение $ерритной и увеличение бейшгглол составляющей, повышение дисперсности эвтектоида и доэвтектоидного аеррята, как пограничного, так и внутризеренного (табл.4), причем тем интенсивнее, чем более фрагментирована первичная структура.

Исследовано влияние первичной и вторичной структур на характеристики разрушения металла шва. Определено, что корлативгшй уровень ударной вязкости обеспечивается только в тех случаях, когда содержание полигонального Феррита в структуре металла шва но превышает 30-35 %. Наблюдается та!с;:е, как и для ОПТ ЗТВ наибольшая корреляция между размерами единичного скачка мякротрсизшн и сродним диаметром ферритного зерна в феррито-лерлитной структуре и пакетом бейнита в бейнитноа структуре. При этом отношение диаметра -фасетки транскристаллитного скола к диаметру зерна феррита сос-

тавляет 0,8-0,9, а с1т/Ы6 -0,4-0,5.

Полученные для сварных ивов стали С9Г2С данные о возможности обеспечения высокого сопротивления их хрупкому разрушению непосредс: венно в процессе .■91ЕС, за счет изменения фазового состава и дисперсности структуры,экспериментально подтверждены дога сварных соединений ряда углеродистых и низколегированных сталей (20К, 20ЮЧ, 16ГС, 16ШСЧ, 12ХМ и др.).

На основе анализа данных количественной металлографии и электронной фрактографии определены условия обеспечения рациональных, с точки зрения, сопротивления разрушению, параметров структуры металла шва при ЭШС, заключавшиеся в необходимости повышения V/ „ «с в процессе вторичной кристаллизации, с целью обеспечения превращения менее легированных обьемов аустеиита осей ячеек и дендрлтов в области образования промежуточных структур. Причем интенсивность охлаг-дения_, в зависимости от условий первично]: кристаллизации, предопределяющих размеры элементов первичной структуры и их микрохимическую неоднородность, будет тем ниже, чем более дисперсна и однородна первичная структура металла шва.

В шестой главе исследована кинетика фазовых и структурных превращений при сварке толстолистовых двухфазных ферритко-аустмг'т-иых сталей, вручены закономерности влияния структурных факторов на склонность сварных сосдпношт'? этих сталей к снижении пластичности а сопротиьлешю хрупке:,у разиупепи», и на ото;' осногм продоозепо

способы повышения их вязкости.

Установлено, что при 8ШС охрупчивание ф>ерритио-аустенитных сталей связано не только с ростом зерна феррита, но и с изменением соотношения Л- ^ фаз и с выделенном избыточных фаз, главным образом карбидов и карбонитрпдов титана по границам зерен и во вторичном аустенито. В работе проведена оценка влияния яа~ сопротивление разрушению как каадого из этих факторов, так и их комплексного воздействия, а такте установлена их зависимость от параметров термического цикла сварки. Аналитическое определение влияния параметров термических циклов сварки на размер зерна феррита позволило получить уравнения для оценки длительности инкубационного периода роста зерна феррита, а также рассчитать его размер на стадии нагрева в различных участках ЗТВ. Установлено, что увеличение dtp пропорционально времени пребывания металла околошовнол зоны в интервале его интенсивного роста, а зависимость КС С от d<p имеет экспоненциальный характер, что указывает па его весьма значительное отрицательное влияние на изменение ударной вязкости околошовного участка.

Методами количественной металлографии и фрактографического анализа показано отрицательное влияние карбидной фазы на сопротивление разрушении. Загрязнение границ зерен карбидами и карбонитрида-ми титана способствует хрупкому мезгзереншму разрушении металла.

Не основе анализа построенных терконинетических и структурных диаграмм превращений в фсрритно-аустпшиннх сталях показано, что уменьшению количества избыточных фаз в структуре ОПУ ЗТВ и повышению их дисперсности способствует увеличение скорости охлаждения в процессе превращения <f-феррита. Одновременно установлено, что положительное влияние на сопротивление хрупкому разрушению может быть достигнуто только за счет повышения скорости охлаждения и интервале температур выделения этих уаз, так как увеличение скорости охлаждения вообие во всем интервале превращения 5-феррита будет сопровождаться уменьшением содержания в структуре аустенитной фазн, причем более интенсивно.

Показано,дто одним из условий компенсирования отрицательного влияния крупного зерна фо.ррита а карбонитрздов титана на ударную вязкость околоповного участка 3ТЗ является увеличение содержания в структуре вторичного аустенита, не загрязненного карбидными выделениями. Выступая в роли вязких прослоек, он будет тормозить развитие трегаш'ьг и опособстговать пошкпию ударней штзкостп. Например, при

увеличении в структуре С!!У ЗТВ стали G8X22H6T вторичного аустенита с 44 до 60 % иупрочих равных условиях, значения KCl/ повиваются с 0,17 до С,94 ВДк/м2.

По результатам оценки влияния структурных факторов на показатели сопротивления разрушении и его микромеханизм установлена целесообразность регулирования параметров термического цикла 21Ю в направлении увеличения длительности пребывания металла околошовного участка ЗГВ в интервале температур интенсивного выделения вторичного аустенита и в уменьшении - в интервале температур выделения кар-бонитрвдов титана.

Получены уравнения регрессии, описывающие зависимости прочностных и пластических свойств от параметров термического цикла сва ки окологаовного участка. Установлена область.рациональных значений этих параметров, обеспечивавших оптимальное -соотношение структурных составляющих в ОШУ ЗТВ сварных соединении (вторичного аустенита -не менее 50-60 феррита не более 35-40 %, карбонитридов титана -не более 5-10 %) и механические характерчетег.и на уровне нормагив-ных требований.

В седьмой главе рассмотрены технологические особенности сварки с регулированием термических циклов толстолистового проката. Исследованы структура и свойства сварних соединений. Приведены результаты практической реализации научных разработок.

На основе анализа рациональных, с точки зрения обеспечения требуемого комплекса механических свойств сварных соединений, параметров термических циклоп и их значений при ЭЮС толстолистового металла, обоснована целесообразность регулирования термических циклов путем внешнего управления процессов за счет применения водо-воздутного сопутствующего охлллления металла шва и ЗТВ гго определен ной программе.

По результатам экспериментальных исследований разработаны тех нологическио процессы (ojjho- и лпухпшходно;;) э'гс о рсчулирован^ем термических циклов угл'-родисткх л вкгкэдегиродоипнх ctüjjoS толшиноП 40-200 !.-::. Применение ик аозт.'олчет г1ор;.;;:роБПТь непосредственно при Ciapro заданную структуру и споГстзп езчринх ссодте»««»; без нх пос-ледекда>8 чор:.\тлш<яцк:з. 'Рзудьтстч проявленной нрокорк? пехаттчес-гпх. свойств cpapüKX cotyn::í>'s:'í; f.r;:.'» «w ."¡ипарато;! пзготовлолних В". ПО ">-.олго'|'1'ПЛ!1(,'1т-,г'.':-;;'' с пр"-. »\«'Н. «•»,; дугкого i!¡;oooCa (табл.5), nr^rp^pxrewt .'х i-y.-c.ov ovprvterovo стпнпярта

Таблица 5.

Механические свойства сварных соединений при ЭШС с ?ТЦ

.'/арка стали, толщина % ¡ыА Предел прочности, Температура испытаний, Ударная вязкость, КС и Коэйкцаент ностз напряз Ша • г^/2 лнтонскз-

по центру шва на расстоянии I гл.; от линии сплавления

ОРУ

2СК •

80 4S0 +20 -20 1,27 ± 0,25 0,50 * 0,24 1,03 0,72 + + 0,26 0,18 - :

ICO 490 +20 -20 1,19 ± 0,28 0,73 ± 0,08 1,08 1,05 + + 0,19 0,22 82,2 88,5

2СЮЧ

85 530 +20 -20 1,09 ± 0,20 0,74 ± 0,11 0,83 0,67 + + 0,12 0,14 - -

ICO 530 +20 -20 1,19 ± 0,22 0,61*0,18 1,30 0,88 + + 0,34 0,37 69,5 79,0 •

С2Г2С 65 520 +20 -60 0,25 ± 0,22 0,66 ± 0,31 0,96 0,76 + + 0,35 0,31 -

100 510 +20 -60 1,20 ± 0,16 0,66 ± 0,10 0,99 0,86 + + 0,11 0,25 50,6 72,7

16ГС

60 rao 510 ; 510 +20 -30 +20 -30 1,16 ± 0,24 0,60 ± 0,22 1,00 ± 0,18 0,63 ±.0,17 1,01 0,70 1,10 0,65 ± ± + + 0,19 0,38 0,15 0,20 - -

Примечание. По ударной вязкости приведены значения средне-араТиетической величины ударной вязкости - средне-квадратичное отклонение ударной вязкости. Использованы данные испытаний образцов-свидетелей примерно 5С0 аппаратов./

(ОСТ 26-291-87). Также показано положительное влияние технологии на прочность сварных соединений в условиях одно-и двухосного растяжения, при малоцикловом нагружснии, на повышение коррозионной стойкости.

Разработан способ ЭШС ферритно-аустснитних сталей повышенных толщин, включающий нагрев металла непосредственно поело выхода из-за ползунов сварочной установки до температуры 900-950 °С, выдери ку металла при этой температуре и последующее принудительное охлаждение .

Технология ЭШС с РТЦ включена в ОСТ 26-291-87, что явилось основанием для использования ее при изготовлении' газонефтехишчес-кой аппаратуры.

К настоящему времени с применением данной технологии изготовлено более 2600 единиц крупногабаритного оборудования (газосепара-;орц, газгольдеры, абсорберы, ресиверы, реакторы, коксовые камеры, пылеуловители и др.). Экономический эффект от внедрения составил около I миллиона рублей.

Основные выводи.

I. Развиты представления о кинетике полиморфных превращений к процессах структурообразования в конструкционных толстолистовых сталях при сварке с повышенным тепловложением в зависимости от химического состава, исходного структурного состояния стали и параметров термического цикла сварки. Установлено, что эффективность регулирования процессов роста зерна аустенита и степени его гомогенизации при способах сварки с высоким тепловлокениом определяется не только изменением параметров ТЦС ( и/«, V, Ь ), но и в значительной мере исходным структурным состоянием стали. При этом чей белое неравновесна и дисперсна исходная структура стали, тем выше ее чувствительность к росту зерна аустенита, тем более полко протекают процессы ого гомогенизации, тем выше ■ его устойчивость к распаду при, охлаглен-нп и больке вероятность сод^рлэния продуктов промежуточного превращения в структуре о'ТВ.

Определена роль тра'/отров топических циклов в фратгхнтации структуры РТЯ. Метода'",! .оптнч'ч'т" и ^локтронпоГ здтодлогргвТпя ус-тпипплппо, что в <5гГ;гюп;о,'1 структуре СНГ/ СП'ч |;зчдал1лкчгго плксглв с.'Яигга досп г пл: гея гукт- сокрпилппя {,„ , а уголичоцис д!!спе"П'гост! С"1...;тт:псх ро'Т "¡ерг'/г.ч, у; и^ь-т рпсотояч.т т'о-тду карбидами и пз-."'."".'!;;;■: х- : г:: п -.рр^тчс!': мчтр'.'Ц'': ь'лблЛ'Д.чгтся

•ч п уг- -;г—- ■ \л'

2. Установлены закономерности, позволяющие дать дифференцированную оценку значимости влияния параметров термических циклов сварки на показатели сопротивления хрупкому разрушению. Показана возможность компенсирования неблагоприятного влияния времени пребывания выше температуры Асд, вызывающего рост зерна аустенита,за счет повышения ^8-5 до з11340™'"1! обеспечивающих распад аустенита преимущественно в бейнятной области, предотвращение или ограничение выделений полигонального феррита и перлита.

3. Изучет взаимосвязь исходного фазового состава стали с формированием структуры 0[!!У при электрошлаковой сварке, и;как следствие, с его сопротивлением разрушению.

Установлено, что требуемый структурный состав и необходимое сопротивление СШ разрушению низколегированных сталей, исходная структура которых состоит из высокодисперсной феррито-карбидной смеси обеспечивается в процессе сварки при более низких V/ по сравнению со сталью, в исходной структуре которой присутствует фер-ритная и перлитная фазы. Отмеченное свидетельствует о целесообразности оптимизации параметров термических циклов сварки с учетом исходного структурного состояния стали.

4. Выявлена взаимосвязь фазового состава и параметров структуры (размер зерна, субзерна, пакетов реек бейнита, ферритных реек,

а также размера и распределения карбидов и неметаллических включений) с микромехапязмом хрупкого и вязкого разрушения и его фрактографи-ческими характеристиками.

Установлено, что при формировании в ОШУ феррито-перлитной, феррито-бейнитной, преимущественно бейнитной структур распространение хрупкой трещины происходит преимущественно путем зарождения впереди магистральной, лидирующих микротрешия транскристаллитного скола, их распространения навстречу ей до слияния с макротрещиной.

Показано, что сопротивление разрушению металла шва и ОКУ сварных соединений углеродистых и низколегированных сталей контролируется не только фазовым составом структуры и диаметром зерна аустенита-, но и, в значительной степени, фрагментацией субзеренной структуры.,

5. Определена роль структурных факторов в разрушении транс-кристаллитным сколом. В феррито-перлитной структуре размер хрупкой микротрешшш транскристаллитного скола' пропорционален: диаметру зерьа форрига. В структуре верхнего бейнита"-'пакету, бейнита.' В, структуре . нижнего бейнита сопротивление продвижению грешины зависит,' наряду; :.'

с размером пакета, от ширины ферритных реек и расстояния между карбидами. При этом, с повышением внутрипакетной фрагментации структуры возрастает вероятность зарождения и распространения в объеме одного пакета большего числа элементарных микротрещин транскристаллит-ного скола и уменьшения hx размеров.

6. Установлено, что при вгзком ямочном разрушении ОШУ STB

с феррито-перлитной, феррито-бейнитной и бейнитной структурами размеры вязких микротрещин определяются размерами, формой и распределением карбидов и неметаллических включений.Зарождение крупных ямок связано с образованием несплошностей преимущественно у неметаллических включений, мелких - у карбидных частиц размером больше критического (0,02-0,04 мкм), доля участия которых в инициировании микротрещины уменьшается с повышением дисперсности структуры.

Методами корреляционно-регрессионного анализа определено, что в условиях ямочного разрушения металла ОШУ ЗТВ существует тесная корреляционная линейная связь между размерами частиц и микропор, инициированных этими частицами, частиц и шок.

7. Изучены особенности формирования первичной и вторичной структуры и их влияния на характеристики разрушения металла швов сварных соединений из углеродистых и низколегированных сталей при электрошлаковой: сварке.

Определены условия обеспечения вторичной «структуры металла швов при ЭШС, гарантирующей их высокое сопротивление разрушению, заключающиеся в необходилости повышения W 8_5 в процессе вторичном кристаллизации до значений, обеспечивающих превращение менее легированных объемов аусгенита осей ячеек и дендритов в области образования промежуточных структур. Интенсивность охлаждения должна быть тем ниже, чем более дисперсна и однородна первичная структура металла шва.

8. Изучены особенности структурообразования в двухфазных форритно-аустенитных сталях при ЭШС. Установлено, что на охруп-чиваиис ферритно-аустенитных сталей доминирующее влияние оказывает но столько рост зерна феррита, сколько изменение соотношения фаз и выделения избыточных фаз, главным образом карбидов и карбо-нитридов титана, неметаллических включений по межфазнш границам и во вторичном аустените.

S. Показано, что отрицательное влияние крупного ферритного зерна ыохет быть компенсировано увеличением содержания в структуре

Ж'вторичного аустенита (не менее 60 %) и сокращением выделений избыточных фаз (не более 10 %).

10. Определены условия формирования структуры околошовного /частка ЗТВ ¿[оррмно-аустенитных сталей, обеспечивающих их стойкость % хрупкому разрушению, при способах сварки с высоким топловложением, заключающиеся:

- в увеличении длительности пребывания металла в интервале температур конца интенсивного роста зерна феррита - начала выделения карбидов (SCG-950 °С, 40 Ьв £ 60 с);

- ускоренном охлаждении в интервале температур выделения карбидной фазы (0,0 £ ^э^" £ 16 °С/с).

Разработан способ получения сварных соединений ферритно-аус-генитннх сталей повышенных толщин, включающий нагрев металла непосредственно после выхода из-за ползунов сварочной установки до температур 900-950 °С, выдержку металла в этом температурном интервале и последующее принудительное охлаждение.

11. Разработаны технологические; процессы ЭШС с регулированием термических циклов конструкционных сталей толщиной 40-200 мм, применение которых позволяет формировать непосредственно при сварке, структурный состав металла шва и ЗТВ, гарантирующий получение заданного комплекса свойств сварных соединений (по сопротивлению хрупкому разрушению, прочности при одно- и двухосном растяжении, малоцикловой прочности, коррозионной стойкости), без их последующей нормализации.

Включение технологии электрошлаковой сварки с регулированием термических циклов без последующей нормализации сварных соединений в отраслевой стандарт ОСТ 2G-29I-87 позволило провести ее широкомасштабное внедрение в производство газонефтехимического оборудования на крупнейших заводах отрасли. Экономическая эАктивность от внедрения составила около I млн.руб.

Основное содержание диссертации изложено с следующих публикациях.

1. Кузмак E.H., Когаелев H.H., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А. Технология сварки нефтехимической аппаратуры из стали 10Г2ФР с регулированием термических циклов.//Химическое и нефтяное машиностроение.

1975. № 8. С.23-25. . : v ■ .'• ",• <;--,' , , ^ ;•'■, ;: .

2. з;узмак E.I.U, Кошелей ti.Я., лакимоз А,Н., Ефименко, I.A. Свариваемость закадпно-отпуташнх сталей, применяемых для изготовлв-

ния сосудов, работающих под давлением.// Технология, экономика и организация производства химического и нефтяного машиностроения. IS76. № 6. - С. 18-20.

3.Кошелев H.H., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Крутов А.Н., ■митькин В.М. Сопротивление малоцикловой усталости сварных соединений термически упрочненной стали 10Г2ФР.// Химическое и нефтяное машиностроение. 1978. Н°2. С.27-29.

• 4. Кошелев H.H., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Погорелова Л.Н. Электрошлаковая сварка стали 20ЮЧ с регулированием термических циклов. // Экспресс информация. Серия ХМ-9.№ 23. М.ЦЩПШМШЕШШ. 1978. 12 с.

5. Кошелев H.H., Хакимов А.Н., Щшменхо Л.А. Электрошлаковая сварка в нефтехимическом аппаратостроении.// Обзорная информация. М.ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ. Серия ХМ-9. 1979. 61 с.

6. Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Погорелова Л.Н., Гуренко А.Т. Применение рациональных термических циклов при электрошлаковой сварке нефтехимической аппаратуры. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1980. № 6. С.23-24.

7.Кошелев H.H., Ефименко Л.А., Хакимов А.Н., Эпштейн Ü.M. Выбор рационального термического цикла стали I2XM электрошлаковой сварки.// Эюлресс информация о работах НИИ и КБ. Ы.ЦИНТИ. IS8L. Серия ХМ-9. ß с.

8. Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Эпштейн Ü.M. Регулирование структуры и свойств стали I2XM при электрошлаковой сварке. //Химическое и нефтяное машиностроение. 1980. te II. С.13-16.

9. Ефименко Л.А., Эпштейн ILM., Пушкина O.A. Кинетика роста ' зерна аустенита и степени его гомогенизации стали I2XM в условиях

термического цикла.// В сб."Сварка с регулированием термических циклов конструкций нефтяной и тазовой промышленности ".Труды ШЯХ и ГП. вып.151. 1080. С.36-41.

10. Хакимов A.II., Щимонко Л.А., Пушкина O.A., Маляревская Е. Влияние структурных составляющих на вязкость сварных соединений ■ низколегированной стали 1БГС. // Автоматическая сварка. IS85.NJ-2 . С. 44-46..

ГГ.. Ефименко Л.А., Погорелова 'Л.Н., Гурэнко А.Т. Экспериментальное исследование влияния параметров охлаждения на термические цикли при эл^ктрошлаког.о?! сварке.// Б сб. Сварка с регулированием термичпеких цщцяон конструкций нефтяной и газово!; прожшлскпости.

Труда ШНХ и ГЛ. вып. 151. 1980. С.С7-74.

12. Хакимов А.Н., Щименко Л.А., Зпштсйн П.И. Кинетика превращения аустенита при электротлаковой сварке стали I2XM. //Автоматическая сварка. IS0I. 1X3. C.I3-I5.

13. Ефкменко Л.Л., Хакимов А.Н., Эпштейн П.М. О возможности регулирования термических циклов при элехтрошлаковой сварке кольцевых стиков нефтехимической аппаратуры их стали I2XM.// Автоматическая сварка. 1981. № 12. С.36-39.

14. Хакимов А.Н., Ефкменко Л.А., Сушук-Слюсаренко И.И. Вязкость разрушения электрошлаковых сварных соединений с регулируемым термическим циклом. // ZVAHAWE !ü II.1980. С. 6-9.

15. Ефимонко I.A., Маляревская E.K., Пушкина O.A. Высокопроизводительная технология электрошлаковой сварки применяемых и новых сталей. // В сб.Повышение качества, и эффективности сварочного производства на предприятиях г.Москвы, М.МДНТП им.Дзержинского. 1982. С.49-53.

КЛакимов A.II., Е<]'именко I.A., Захаров В.А., Агафонов В.В. Статистический анализ результатов испытаний сварных соединений нефтеаппаратуры выполненных ЭШС с РЩ. //Химическое и нефтяное машиностроение. 1983. Ife 6. С.30-31.

17. Стеклов О.И., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А. Сопротивление разрушению и стойкость против сульфидного коррозионного растрескивания сварных соединений из стали 2СКЧ. // ФШ. 1984,1,'? 4.0.44—17.

18. Стеклов O.K., Хакимов A.II., Ефименко Л. А. .Пушкина O.A. Сопротивление коррозионному разрушению сварных соединений из стали 16Г1.3СЧ. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1985.№5.С. 12-15.

19. Хакимов Л.II., Ефименко Л.А., Горицкий В.М. О роли структурных с]акторов, определявших вязкость сварных соединений низколегированной стали.// Автоматическая сварка. 1985. №2. С.6-9.

20. Хакимов А.Н., Ефгаюнко Л.А., Ф Афонина Н.И., Бриксман А.Н. Предупреждение разупрочнения стали повышенной прочности типа I2XH3A при электротлаковой сварке.//Сварочное производство.I985.?i,02.C.IS—21.

21. Стеклов О .И.,Хакимов А.И., Ефименко Л.А., Пушкина O.A. Влияние дополнительного охлаждения при электротлаковой сварки на сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений стали 16ГМЮЧ. // Автоматическая сварка. 1986. № 10. С.б-8,

22.Ефименко I.A., Пушкина O.A., Харитонова M.A« Выбор оптимального режима сварки стали CBX22II6T.// Химическое и нефтяное маюи-

построение. 1987. № 3. С.32-34.

' 23.Стеклов О.И., Ефименко Л.А., Пушкина O.A., Харитонова М.А., Санников В.И. Сопротивление хрупкому разрушению сварных соединений экономнолетированной стали 08Х22Н6Т. // Сварочное производство.

1987.№ 2. С.21-23.

24. Ефименко I.A., Душкина O.A. Пути повышения вязкости разрушения сварных соединений сосудов давления.// В cd.Совершенствование технологических процессов сварки в аппаратостроении и повышение качества оборудования. Труды ШНГ. 1387.вып.196.С.28-37.

25. Хакимов А.Н., Ефименко H.A., Пушкина O.A..Горицкий В.М. Хромов Д,П. Особенности механизма разрушения электрошлаковых сварных соединений .стали 16Ш0Ч.// Металловедение и термическая обработка металлов. 1988. № 3. С.28-31.

26. Хакимов А.Н., Стеклов О.И., Ефименко Л.А., Пушкина O.A.и д] Влияние режимов термической обработки на структуру и механические свойства стали 10Х2ГШ. // Химическое и нефтяное машиностроение.

1988. № 12. С.22-23.

27. Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Пушкина O.A., Горицкий В.М. Отпускная хрупкость сварных соединений стали 10Х2ГШ // Химическое и нефтяное машиностроение. 1988. № 12. С.23-24.

■ 28.Ефименко Л.А., Стеклов O.Ii., Пушкина O.A., Малярезская Е.К. Реакция стали ЮХ2ПШ на термический цикл сварки // Химическое и нефтяное машиностроение. 1988. К'. 12. С.24-26.

29. Стеклов О.И., Ефименко I.A., Пушкина O.A., Скудицкий U.C. Структура и механические свойства сварных соединений стали 10Х2ГШ. // Химическое и нефтяное машиностроение. 1988.К; 12. С.28-30.

30.Ефименко Л.А., Пушкина O.A. .Коновалова О.В. Влияние исходного состояния стали 10Х2ГШ на кинетику превращения аустенита при сварке/Димическое и нефтяное матшостроение.1988.№12. С.26-28.

31. Щимепко Л.А., Пушкина O.A., Харитонова К,А. Процессы структурообразования при высокопроизводительных способах сварки экономнолегированных сталей. // В сб.Повышение эффективности технологии, надежности ооорудооания -и инструмента газонефтехшпчоокого машиностроения и аппар-чтостроения. ЬиОКС IIEM'E.'.Al!!. 1987. С.76-84.

32. Ефименко Л.А., Хакжов А.!!., ''.аллропская Е.К., Пушкина О.А Влияние сопутствующего охлаудоита пш 01ГС на структуру и свойства металла ква.//Артотг-^рскоя отркл. IP09."" 3.С. 12-15.

33. Eivj.'ciu.o Г.Л., -iyi-b:n4'i f.'.Л., „(ар^топова У,.h. Г/.татометри-

ческий анализ структурных превращений при сварке ферритно-аустенит-ных сталей.//Сварочное производство. IS90. № 5. C.I6-I8.

34. Ефименко Л.А., Коновалова О.В. Особенности кинётлки превращения стали 09ХГ2СОТ при сварке. // В кн.Применение прогрессивных методов обработки в машиностроении, тез.докл. Грозный.1988. C.IO.

35. Стеклов О.И., Ефименко Л.А., Коновалова О.В., Якиревич Д.И. Влияние исхрдной структуры стали 10Х2ГШ и термического цикла сварки на изменение предела усталости и характеристик тревдностойкости. // Сварочное производство. 1990. Its 6. С.7-9.

36. Ефименко Л.А., Коновалова О.В., Пархоменко М.А. Влияние исходного состояния стали 10Х2ГНМ на структуру и свойства ОШУ.//Сварочное производство. 1990. № 7. 11-14.

37. Ефименко I.A., Коновалова О.В., Якиревич Д.И. Влияние исходной структуры стали и параметров термического цикла сварки на изменение предела выносливости и статическую трещиностойкость.

// В кн.Сварные конструкции. Международная конференция? Тез.докл. Киев. 1990. C.2I0-2II.

Авторские свидетельства и патенты.

38. A.c.470150 кл.В23К 25/00 Способ электрошлаковой сварки.

/ Кузмак Е.М., Кошелев H.H., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Яшунская Т.В.J

39. А.С.554974 кл.В23К 25/00. Устойство для электрошлаковой сварки./ Кузмак Е.М., Кошелев H.H., Ефименко Л.А., Хакимов А.Н. и др.

40. Л.С.733926 кл.В23К 25/00 Способ получения сварных соединений с заданными механическими свойствами./ Коиелев H.H., Хакимов А.Н., Яшунская Т.В., Ефименко Л.А., Прнгаев А.К. и др.

41. А.С.919836 кл.23ВК 25/00 Способ регулирования термических циклов при электрощлаковой сварке./ Касаткин B.C., Кошелев H.H., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А.

42. А.С.903023 клВ23К 25/00 Устройство для принудительного " формирования сварного шва./ Кошелев H.H., Ефименко Л.А., Смирнов А.Х., Лидванский П.Г., Пушкина O.A.

43.A.C.120403 клВ23К 25/00 Способ электрошлаковой сварки /Стеклов O.K., Ефименко H.A., Хакимов А.Н..и др. •' ; , ; ,' ..•

44. A.C.II89II2 C2I/50» Способ термической обработки сварного .соединения/ Стеклов О.И., Хакимов А.Н., Ефименко Л.А., Афонина Н.И.■

45. A.C. 1424259 клВЙЗК 25/00 Устройство для эл.ектрослаковой ■ Сварки и наплавки./ Стеклов .О.И. Хакимов А.Н.'г Ефименко ДД» , ;

Дарьявага Н.Г. и др. . "" '". \;";'i;;-.

46. Способ и устройства для электрошлаковой сварки. Патент ФРГ № 2553601 /Кузмак Е.М., Кошелев H.H., Яшунская Т.В., Бршенко Л Хакимов А.Н.

47. Способ и устройство для электрошлаковой сварки. Патент США № 4200782 / Кузмак Е.М., Кошелвв H.H. , Яшунская Т.В., Ефиме н-во Л.А., Хакимов А.Н.

48. Способ и устройство дшг электрошлаковой сварки. Патент Франции fe 7538524 / Кузмак ЕЛ-!., Кошелев H.H., Яшунская Т.В., Ефименко Л.А., Хакимов А.Н.

49. Способ и устройство для элоктрошлаковой сварки. Патент Японии 1<? 995525. /¡Су смак Е.М., Кошелев H.H., Яшунская Т.В., Ефимен-ко Л.А., Хакимов А.Н.

Подписано к печати зо1г9г тирак IOQr ?кз. заказ. 2.5 öscnjtwRO Отпечатано на рстапрннт* ЛГГУ