автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Модифицирование и формирование структуры металла сварных швов низкоуглеродистых сталей

На правах рукописи

Кривоносова Екатерина Александровна

МОДИФИЦИРОВАНИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ ШВОВ НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

А ВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Пермь - 2005

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шалимов Михаил Петрович; доктор технических наук, профессор Мелюков Валерий Васильевич; доктор технических наук, профессор, Сигаев Анатолий Алексеевич

Ведущее предприятие - ОАО " Пермский моторный завод" г. Пермь

Защита состоится 22 апреля 2005 г. в 9 час. на заседании диссертационного совета Д212.188.02 при Пермском государственном техническом университете (614000, г.Пермь, Комсомольский пр.,29, ауд. 212)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГТУ

Автореферат разослан " " г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор

А.А.Ташкинов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Сварные швы представляют собой многокомпонентные сплавы, свойства которых во многом определяются фазовым и структурным состоянием, сформировавшимся в них на этапе получения исходного материала и на стадии образования сварного соединения. Поэтому управление структурным состоянием является важным элементом в общей стратегии разработки новых сварочных материалов и получения качественных сварных соединений. Основная проблема структурообра-зования при ручной дуговой сварке низкоуглеродистых сталей заключается в формировании неблагоприятной структуры металла шва, которая и определяет низкие значения хладостойкости и усталостных характеристик. Объектом исследования является сталь Ст.З, широкое распространение которой экономически обосновано на данном уровне прочности. Сталь относится к феррито-перлитному классу, структура металла шва таких сталей в условиях сварки характеризуется нестабильностью. Наиболее эффективным методом повышения характеристик металла шва таких сталей является модифицирование. Однако, существующие подходы к решению этой проблемы, основанные на улучшении структуры металла шва путем модифицирования при легировании компонентами электродного покрытия, продолжают, в значительной мере, базироваться на эмпирических методах поиска путей обеспечения оптимальных свойств. Нет научного обоснования возможностей и результата модифицирования металла шва, формирующегося в условиях температурного цикла сварки.

В работе решается проблема управления структурообразованием металла шва при модифицировании с позиций термодинамического и кинетического моделирования процесса, фрактального подхода к описанию структуры металла шва и адекватных методик оценки его свойств.

Возможности и особенности модифицирования структуры металла сварных швов исследованы недостаточно: несмотря на то, что разработана общая теория модифицирования (Гольдштейн М.И., Попов В.В.), систематических исследований особенностей этого процесса для условий сварки нет. Определяющую роль в проблеме формирования структурного состояния металла сварного шва при модифицировании играют кинетические факторы, которые даже в более простом случае, не для условий сварки, являются наиболее сложной частью проблемы.

В связи с этим, для решения задачи эффективного модифицирования металла шва, существует необходимость оценки термодинамической вероятности образования модифицирующих фаз в сварном шве, а также кинетики их развития в условиях температурного цикла сварки. Кроме того, требует теоретического обоснования вопрос о концентрационных пределах введения модификатора, дающих максимальный эффект модифицирования.

Оценка структурообразования сварных швов связана с необходимостью количественного описания структуры, к которой не всегда можно корректно применить критерий «балл зерна». Таким образом, актуальной является задача использования нового для металловедения сварки фрактального подхода к анализу структурообразования швов.

Результаты анализа комплекса методов изучения и управления структурооб-разованием позволяют заключить, что существуют значительные пробелы в вопросах теоретического обоснования возможностей модифицирования структуры металла шва низкоуглеродистых сталей и в области разработки адекватных методик оценки свойств металла шва. В этих условиях разработка моделей процессов формирования и модифицирования структуры в многокомпонентных сварных швах на основе термодинамического, кинетического подхода и теории фракталов в сочетании с адекватными методиками оценки свойств металла сварных швов является необходимой и эффективной в решении фундаментальной проблемы управления структурообразованием сварных швов и создания сварочных материалов с гарантируемыми свойствами.

Работа посвящена актуальной проблеме разработки основных принципов формирования и модифицирования структуры металла сварных швов для управления процессом структурообразования металлов при сварке и создания сварочных материалов с повышенным уровнем свойств на основе модельных представлений.

Материалы диссертации являются результатом экспериментальных и теоретических работ, выполненных автором в Пермском государственном техническом университете на кафедре «Сварочного производства и технологии конструкционных материалов» в соответствии с Инновационной научно-технической программой 13.10 «Трансфертные технологии, комплексы и оборудование» в 19951999гг., раздел 04, утвержденной Приказом Государственного комитета по высшей школе Министерства науки, высшей школы и технической политики РФ от 16.11.1992г., №686; Заданием Министерства образования Российской Федерации на проведение отдельной НИР № 1.23.04Д от 07.04.2004 г и тематическими планами научно-исследовательских хоздоговорных работ 111 1У в период 1997-2004 гг.

Цель работы:

Научное обоснование закономерностей процессов модифицирования и формирования структуры металла сварных швов при легировании через электродное покрытие на основе термодинамического, кинетического моделирования и теории фракталов для создания сварочных материалов с повышенным уровнем свойств.

Задачи работы:

1. Установить термодинамические условия выделения модифицирующих фаз в металле сварных швов. Адаптировать концепцию рациональной температуры выделения модифицирующих фаз для условий сварки.

2. Разработать кинетическую модель роста модифицирующих фаз в металле шва с учетом температурных и временных особенностей сварки. На основе модельных результатов установить эффективный размер модифицирующих включений.

3. Разработать алгоритм фрактального анализа структурообразования металлов при сварке. Определить фрактальную размерность - количественный показатель степени однородности и фрагментарности структур сварных швов.

4. Изучить разупрочняющее действие неметаллических включений в процессе охлаждения и деформирования металлической матрицы.

5. Разработать методики экспресс-оценки механических свойств металла сварного шва и технологических свойств электродов.

6. Установить закономерности влияния состава электродного покрытия на формирование структуры, показатели хладостойкости и характеристики усталости металла сварного шва.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• Концепция рациональной температуры выделения модифицирующих фаз для условий кристаллизации металлов при сварке.

• Кинетическая модель роста модифицирующих фаз в металле шва, учитывающая температурные и временные особенностей сварки и позволяющая оценить размер модифицирующих карбонитридных фаз.

• Метод фрактального анализа структурообразования сварных швов, алгоритм определения фрактальной размерности - количественного показателя степени неоднородности и фрагментарности структур сварных швов.

• Структурные факторы хладостойкости металла сварных швов;

• Методика экспресс-оценки хладостойкости металла сварного шва по температурному коэффициенту твердости.

Научная новизна работы.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих при использовании модифицирования металла сварного шва через электродное покрытие целенаправленно воздействовать на процессы, определяющие структуру и свойства металла сварного шва:

- Разработана концепция рациональной температуры выделения модифицирующих фаз для условий кристаллизации металлов при сварке, позволившая определить концентрационные пределы оптимального введения модификатора;

- Разработана кинетическая модель роста модифицирующих фаз в металле шва с учетом температурных и временных особенностей сварки, позволяющая оценить размер модифицирующих фаз;

- Впервые в металловедении сварки разработан и применен метод фрактального анализа структурообразования сварных швов, определена фрактальная размерность - количественный показатель степени однородности металла сварных швов; показана большая информативность этого показателя по сравнению с традиционным критерием «балл зерна»; установлена связь фрактальной размерности структуры металла сварных швов с показателями хладостойкости.

Методы исследований.

В работе использован комплекс физико-химических и металлографических методов исследований, включая спектроскопию (Квантометр ARL 3460), растровую электронную микроскопию, металлофафический комплекс с цифровой фотокамерой, автоматизированный комплекс количественного металлографического анализа SIAMSr 600™ на микроскопе Neofot-32. Для моделирования структуры металла шва использован аппарат фрактального анализа на базе программных пакетов Mathcad 2001 Professional, MATLAB 6.1.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность результатов, выводов и рекомендаций подтверждается применением надежных методик экспериментальных исследований и современного оборудования, хорошим согласием результатов экспериментальных и теоретических исследований, применением статистической обработки экспериментальных данных. Обоснованность разработанных методик подтверждена тремя патентами России. Качество разработанных электродных покрытий серии «ЭЛУР» подтверждается актами внедрения.

Практическая значимость работы.

Практическое значение работы состоит в использовании полученных модельных представлений о фазо- и структурообразовании сварных швов для разработки новых сварочных материалов с повышенным уровнем свойств и применении новых экспресс-методик для оценки механических и специальных свойств:

Разработана и запатентована методика экспресс-оценки хладостойкости металла сварного шва.

Разработана и запатентована методика оценки стабильности горения сварочной дуги по амплитудно-частотным характеристикам переменной составляющей сварочного тока. Методики рекомендованы к применению в испытательном центре ЗАО «Уралэлектросварка», регионального представительства концерна «ES AB».

На основе установленных теоретических закономерностей влияния фазо- и структурообразования на хладостойкость металла сварного шва оптимизирован состав покрытия и разработаны электроды серии «ЭЛУР», которые производятся

акционерами ЗАО «Уральские электроды», ОАО «Среднеуральский завод металлоконструкций» и ОАО «Магнитогорский метизно-металлургический завод». Замена в электродных покрытиях рутила на ильменит, ферромарганца на силико-марганец и ферротитан позволила существенно снизить затраты на изготовление электродов, экономический эффект подтверждается актами внедрения.

Полученные результаты используются в учебном процессе Пермского государственного технического университета, что отражено в учебных пособиях и лекциях для студентов специальности «Оборудование и технология сварочного производства».

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались более чем на 15 научно-технических конференциях и семинарах разного уровня, в том числе: Всероссийской научно-технической конференции «Перспективные пути развития сварки и контроля -Сварка и контроль» Воронеж, 2001 г.; XI Международной научно-технической конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали»,2001, Челябинск.; Международном симпозиуме «Сварка и родственные технологии: Расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварочных конструкций ответственного назначения», 2003 г., Минск; Всероссийской с международным участием научно-технической конференции, посвященной 150-летию Н.Г. Славянова « Сварка и контроль -2004», 2004 г., Пермь; Научных чтениях « Maschinen und Technologie der Schweißtechnik» в рамках стажировки в Институте сварки и лучевых технологий Магдебургского университета им. Отто-фон-Герике, Германия, 2004 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 43 работы, в том числе 33 статьи, 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 1 учебное пособие с грифом УМО Минобразования РФ, получено 3 патента.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, общих выводов, списка литературы -186 наименований, трех приложений; содержит 250 страниц текста, в том числе 106 рисунков и 22 таблицы.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность зав. кафедрой СП и ТКМ проф., д.т.н. Мусину Р.К. за консультации и постоянное внимание к работе, научному консультанту проф., д.т.н. В.М. Язовских, профессорам Клейнеру Л.М., Вассерману H.H. за советы и консультации при выполнении работы, инж. Вылежневой Н.В., инж. Худякову H.A., к.т.н. Трушникову Д.Н. за помощь в проведении исследований, директору ЗАО «Уральские электроды» к.т.н. В.И.Шумякову за консультации и помощь на этапе внедрения работы, к.т.н. A.C. Табатчикову за изготовление электродов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования.

ГЛАВА 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В МЕТАЛЛЕ СВАРНОГО ШВА

В теории модифицирования металла сварного шва при легировании через электродное покрытие наиболее сложным является вопрос о концентрационных пределах введения модификатора, не всегда увеличение содержания модификатора приводит к усилению эффекта измельчения структуры. Кроме того, открытым остается вопрос о температуре выделения модифицирующих фаз: нитридов, кар-бонитридов и карбидов титана. Методологической основой исследований являются, с одной стороны, огромная экспериментальная база данных по протеканию различных металлургических процессов, сформированная в традиционной металлургии (Куликов И.С., Григорян В.А., Попель С.И., Турчанин А.Г.), с другой стороны, подход математического моделирования металлургических процессов при сварке (Бороненков В.Н., Королев Н.В., Шалимов М.П.).

Для развития направления модифицирования титаном металла сварного шва адаптирована концепция рациональной темепературы выделения модифицирующих фаз, разработанная в металлургии стали. В работах ученых МИСиС выявлено, что пластичность стали повышается, если при охлаждении частицы нитрида титана начинают выделяться при некоторой,так называемой рациональной температуре (Гр). Понятие рациональной температуры условно, ее значение определяется активностями азота и титана. При повышенных активностях титана и азота нитриды образуются до завершения кристаллизации (т.е. при Т >ГР), при этом они оказываются крупными и ухудшают свойства стали. При низком содержании титана и азота выделение нитридов идет в твердом металле (при Т<ТР), нитриды образуют квазипленки по границам зерен, что тоже охрупчивает сталь. И только при оптимальных концентрациях Т1 и N обеспечивается измельчение зерна (модифицирующий эффект) и выделение мелкодисперсных нитридов, что обусловливает повышение ударной вязкости и понижение порога хладноломкости.

Общий подход к проблеме рационального микролегирования сварного шва через электродное покрытие, флюс или проволоку применительно к сварке заключался в следующем:

- уточнялись значения рациональных температур Гр выделения основных модифицирующих микрочастиц: нитридов, карбидов, карбонитридов для условий сварки;

- для этих температур обратным термодинамическим расчетом определялись соответствующие равновесные содержания титана и азота для стали определенного состава;

- оценивался состав покрытия, обеспечивающий найденное рациональное содержание титана в сварном шве при данном способе сварки.

При анализе условий образования карбонитрида титана рассматривали реакцию: [Til + х[С] + (1-х) [N] = [TíCfNi.J

Получена итоговая формула для расчета температуры начала образования карбида, карбонитридов различного состава и нитрида титана при охлаждении стали, которая имеет вид:

_(-Л/19Д4) + 2557- lg/T1„a7J + 2557л: Ig/, „,тз->-(1-х)3280- lg/4 ,„,_

' ~ (В/19,14)-lg([%T/][%C]A\%Nfr) + 0365xlg/Ti „„ + 036S*lg/¡filí73 + 0,75(1 - x)■ lg/N lll7J

Коэффициенты активности элемента i при стандартном состоянии «1% раствор /элемента в железе» определялись по соотношению lg/,„73 = £ е! f%il> гДе ~

коэффициент взаимодействия j и i при 1873 К (Григорян В.А). Температурные зависимости Igf приняты по теории квазирегулярных растворов. Вычислены значения коэффициентов А и В для температурной зависимости энергии Гиббса ЛG° -А + ВТ по АС" промежуточных реакций (Турчанин А.Г., Куликов И.С.)

Значения Тр определяли по экспериментальным [%Ti], [%N] и [%С], при которых металл шва обладает наибольшей хладостойкостью. Рациональные температуры начала выделения TiN, TiCxN|.x, TiC и TiCo.6 при охлаждении металла сварного шва низкоуглеродистой стали приведены в таблице. Состав металла шва: 0,1 С; 0,6 Мп; 0,2 Si; 0,0075 Ti; 0,016 N; 1,6 10"40( % мае.)

Таблица

Рациональные температуры начала выделения ТСЫ, Т1СХЫ].Х, ТЮ и Т1Со.б в металле сварного шва, К

TiN TiCxN|.x TiC TiCo.6

х=0 х=0,3 х=0,5 х=0,8 х—1 -

1465 1349 1276 1186 1000 972

Полученные величины Тр показывают, что при охлаждении сварного шва указанного состава термодинамически вероятно выделение, в первую очередь, нитрида титана (с Тр=1465 К), затем - карбонитридов титана в порядке повышения в них доли углерода, и, в последнюю очередь, карбида титана с дефицитом углерода.

Обратным расчетом по значению Тр=1465 К для нитрида титана установлены рациональные концентрации титана и азота в сварном шве, обеспечивающие максимальный эффект модифицирования и лучшую хладостойкость металла шва (по изотерме рациональных содержаний на рис. 1.). Там же приведены экспериментальные данные по содержанию азота и титана. Хорошее совпадение расчет-

ных и экспериментальных данных свидетельствует о достаточной точности термодинамической модели.

Анализ данных, полученных по термодинамической модели позволили сделать ряд важных выводов:

1.Соединения "ПСХМ|.Х при любых значениях х нельзя отнести к модификаторам 1 рода, поскольку температура их появления ниже ликвидуса стали, но не исключается их действие как модификаторов II рода.

2.Существует термодинамическая вероятность трансформации нитрида титана в карбонитрид при понижении температуры.

На основе термодинамической модели установлены рациональные соотношения нитридообразующих элементов, титана и азота, обеспечивающие максимальный эффект модифицирования металла сварного шва.

Рис. 1. Изотермы равновесных содержаний азота и титана в металле сварного шва стали Ст.З и экспериментальные данные:

(•) - данные спектрального анализа (квантометр АМ>3460). (—) - изотерма рациональных содержаний титана и азота. Установлены закономерности составления рецептуры электродных покрытий: рациональные концентрации титана и азота в сварном шве обеспечиваются соотношением ферротитана и мрамора - 1:4 - в покрытии. Именно такое соотношение компонентов электродного покрытия обуславливает лучшую степень модифицирования и высокую хладостойкость металла шва.

ГЛАВА 2. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В МЕТАЛЛЕ СВАРНОГО ШВА Полученные на основе термодинамического расчета выводы относительно условий образования модифицирующих частиц, представленные в главе 1, являются ориентировочными, поскольку в алгоритм расчета не входят основные кинетические характеристики структурообразования в сварных швах, такие, как ско-

рость охлаждения. Разработка математической модели кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве с учетом температурных и временных условий сварки позволила уточнить результат фазообразования.

При построении математической модели кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве, использовался шаговый метод расчета. Интервал охлаждения сварного шва, определенный по температурному циклу сварки, делили на участки по 20 К. Устанавливали время пребывания металла шва в пределах этого температурного интервала и для каждого шага рассчитывали концентрационную ситуацию, предполагая, что на межфазных границах устанавливается локальное термодинамическое равновесие, а кинетика процессов близка к диффузионной.

Для описания концентрационной ситуации для каждою шага использовали кинетические уравнения, предложенные в работах М.И.Гольдштейна, Б.Я.Любова. На границе с включением устанавливается равновесная концентрация титана иР. Начальная концентрация титана в металле шва (матрице) - и(), концентрация во включении - ив- Положение межфазной границы «включение - матрица» в начальный момент - Хо =0.

Для нахождения распределения концентрации растворенного вещества в рамках модели постоянных коэффициентов диффузии использовали второе урав-

ди пдги

нение Фика: —— - " ——Г~ > (2-1)

дтдх

где И - коэффициент диффузии растворенного вещества Начальные и граничные условия Щх=Хо, т)=1/г, и(х=оо,т)=ио, и(х<Хо,т)=ив . (2.2)

На межфазной границе должно выполняться условие баланса масс:

Распределение концентрации растворенного вещества в полубесконечной матрице в случае образования включения имеет вид:

где х - текущая координата, т - время, Т - температура, Яо -начальный размер частицы.

Константа к находится из условия баланса масс:

= (2.5)

Коэффициент самодиффузии титана в аустените расчитывали по выражению: 1>п =68 1 О^ехр(-251 ООО/ИТ), м2/с , Я - Дж/моль-К (2.6)

Для определения равновесной концентрации титана на границе TiN - аусте-нит было использовано выражение для произведения растворимости нитрида титана в твердой стали:

lg |%Ti][%N] = lg Lt,n -5>л' [%|| -гет! [%i| (2.7)

где lg L|,n = -I5660/T + 4,24 - логарифм произведения растворимости нитрида титана для аустенита тройной системы Ti-N-Fe ; в\ и е,/ - коэффициенты взаимодействия азота и титана с легирующими элементами; [%]] - массовый процент легирующего. Из уравнения (2.7) с учетом пересчета массовых процентов на атомные получили температурную зависимость равновесной концентрации титана в сварном шве:

иР(Т) = 1,137-10"6-Т2 - 2,538-10"3-Т +1,409 , ат.% (2.8)

Начальную температуру нитридообразования в твердой фазе устанавливали по приведенной математической модели, считая за температуру начала процесса ту, при которой равновесная концентрация титана на межфазной границе станет ниже концентрации титана в матричном растворе. Условием нитридообразования является соблюдение неравенства

UP(T)< U(x,x,T)

Согласно условию баланса масс, масса титана, диффундирующего из питающей области с размером X, равна массе титана, образующего нитрид радиуса

С _ м«__TfN

Л : тп тт. , т.о.

^ it (A")J • pvc

J(|t/„ -{/(*,r,T)\ ß)dx

100

yn{SyPr,

A Tl

■ (2.9)

z*

где AJ - атомные массы нитридообразующих элементов, р - плотности,/? - коэффициент пересчета концентрации в атомных процентах на массовые проценты, а интеграл определяет концентрацию уходящего в нитрид титана. Из соотношения (2.9) находили размер частицы нитрида титана.

Расчет вели шаговым методом, условно считая процесс охлаждения дискретным. Значения и<> для каждого последующего шага задавались конечными значениями 1Дх) на предыдущем шаге.

Шаг по температуре был выбран равным 20К. Время нахождения металла шва в выбранном температурном интервале 20К определяли по термическому циклу сварки, рассчитанному для бесконечной пластины с нулевыми граничными условиями второго рода от нормально-кругового источника (Язовских В.М.)

На рис 2. показана схема роста частицы нитрида титана в металле сварного шва для исследуемого интервала охлаждения на термическом цикле сварки.

Рис,2. Схема роста частицы нитрида титана размером Б из питающей области с размером X для двух температур Т\ Т"(а) и термический цикл сварки для низкоуглеродистой стали (б)

Полученные уравнения (2.1)-(2.9) представляют собой математическую модель кинетики роста нитридной фазы при охлаждении сварного шва. На рис.3 представлена совмещенная картина концентрационной ситуации вблизи растущей частицы нитрида титана.

Установлено, что температурные границы образования ИЫ в металле шва, определенные по кинетической модели (1230-1000К), в точности совпадают с температурным интервалом формирования Видманштаттова феррита по данным Курдюмова Г.В. Следовательно, становится очевидным механизм модифицирования: принимая во внимание размер и температурные границы образования нитрида титана можно утверждать, что подобные частицы модифицируют структуру в твердом состоянии, тормозя рост пластин Видманштеттова феррита и подавляя образование крупной Видманштеттовой структуры.

Определены эффективный размер модифицирующих частиц нитрида титана и размеры диффузионной области:

Рис.3. Распределение концентрации титана в диффузионной области у границы растущей частицы нитрида титана:

Ь1о - начальная концентрация титана (в матрице); ирТ - равновесная концентрация титана для температуры Т; и(х, т, Т) - распределение концентрации титана по глубине диффузионной зоны х для временя х (с) и температуры Т.

диффузионная область имеет размеры в пределах 0,3-0,7 мкм в зависимости от температуры и времени охлаждения; для такого размера питающей диффузионной области радиус частицы нитрида титана равен 0,50-0,53 мкм.

ГЛАВА 3. ФРАКТАЛЬНЫЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ ПРИ СВАРКЕ Сложность структуры реальных сварных швов является основным препятствием при выборе адекватных моделей для компьютерного конструирования структуры и прогнозирования их свойств. Традиционно используемые методы описания

структур, выявляемых оптической и электронной микроскопией, в основном, имеют качественный характер, и недостаточно удобны для целей моделирования. Например, при анализе структур швов определенная трудность заключается в корректной оценке параметров Видманштеттовой структуры, к которой не всегда можно применить критерий "балл" зерна.

Привлечение концепции фракталов, разработанной в трудах Е.Федера, P.M. Кроновера, В.С.Ивановой и основанной на использовании общих понятий «меры» и фрактальной размерности, позволило дать количественную оценку конфигурации исследуемой структуры в целом, что дополнило традиционные методы описания, позволило количественно описать структуру в целом, оценить степень ее однородности и фрагментарности.

Суть фрактального подхода заключается в обработке масштабированием (или «скейлингом», как в первоисточниках) фрактальной структуры и описании распределения какой-либо структурной характеристики - или меры - при этом масштабировании. Фрактальная, или мультифрактальная, мера характризует распределение исследуемой структурной характеристики на соответствующем геометрическом носителе - наборе сеток с прямоугольными ячейками. В данной работе предложено в качестве меры для Видманштеттовой структуры принять плотность распределения участков феррита на условной прямоугольной сетке, покрывающей поле шлифа. Плотность распределения феррита P(L) на каждой сетке связана с размером ячейки L, этой сетки степенным соотношением:

Р(Ц) = constL,

Из этого соотношения вычисляли фрактальную размерность структуры - Dу.

График зависимости In P(L) от In ¿представляет собой прямую с угловым коэффициентом Df.

При фрактальном описании структур сварных швов алгоритм, реализованный программными средствами Mathcad 2001 Professional, MATLAB 6.1, заключался в следующем:

1. Бинаризация реального изображения структуры, т.е. установление границ распознавания полутонов.

2. Дискретная аппроксимация исследуемых структур: разбиение соответствующих бинарных изображений квадратной сеткой, состоящей из одинаковых ячеек, и присвоение ячейкам, приходящимся на область перлита, значений "0", а на однофазную светлую область Видманштеттова феррита - значений "I". Таким образом, исходное оцифрованное изображение структуры представляло собой матрицу, состоящую из нулей и единиц.

3. Обработка полученных массивов цифровых значений (матриц), путем разбиения матриц на более крупные ячейки с размерами L,\L, (/=1.. .32)

4. Построение для каждого разбиения характеристической меры в виде вероятности распределения единиц Р,, необходимых для покрытия поля феррита.

Линейная аппооксимаиия зависимости мевы от масштабного Лактооа и нахождение (Ьоактальной оазмепности ствуктусы

"01234

м.

Рис.4. Реализация программного алгоритма фрактального анализа и определение фрактальной размерности структур центра шва

5. Аппроксимация зависимостей 1п(Р) от 1п(Ь) методом наименьших квадратов и определение фрактальных размерностей О/ из приведенного выше соотношения.

Фрактальный анализ структур сварных швов проводили по основным зонам сварного соединения:

- по центру шва;

- зоне термовлияния (ЗТВ);

- зоне сплавления;

- основному металлу.

! Как видно из сопоставления значений фрактальной размерности Б/ с топо-

графией структуры на рис.4, более крупная структура имеет меньшее значение фрактальной размерности, а более гомогенная структура характеризуется большим значением фрактальной размерности. В целом, фрактальная размерность структур сварных швов изменяется от 1,60 до 1,89.

В работе на основе фрактального анализа установлены основные количественные критерии однородности и фрагментарности структуры сварных швов:

■ для крупной структуры, с выделением широких фрагментов Видман-штеттова феррита через все поле зерна первичного аустенита характерно значение фрактальной размерности 0/=1,60-1,78;

■ для более дисперсной структуры, приближающей к классической фер-рито-перлитной,характерно значение фрактальной размерности О/ =1,79-1,89;

Полученные значения фрактальных размерностей Df для центра шва, являющиеся показателями однородности структуры, были введены в задачи оптимизации состава покрытия сварочных электродов.

Таким образом, исследование особенностей структурообразования сварных швов с использованием нового для металловедения сварки метода фрактального анализа, позволило установить значения фрактальных размерностей Реньи О] , которые являются показателями однородности и фрагментарности структуры, ввести их в задачи моделирования свойств и оптимизировать состав электродного покрытия.

ГЛАВА 4. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В МЕТАЛЛЕ СВАРНЫХ ШВОВ

Процессы деформации и разрушения сварных швов связаны с разупроч-няющим действием неметаллических включений, образующиеся при высоких температурах в результате металлургических обменных реакций между металлической, шлаковой и газовой фазами. Разупрочняющее действие неметаллических включений представляет серьезную опасность, поскольку концентрация напряжений может превышать предельные для материала значения и включение, таким

образом, может явиться очагом разрушения (Г.Бельченко, И.Губенко, Р. Кислинг, Н. Ланге).

В настоящей главе рассмотрена актуальная проблема влияния неметаллических включений на деформационную способность металлической матрицы при охлаждении и при деформировании.

Оценен количественно уровень загрязненности металла шва неметаллическими включениями. Большинство разупрочняющих оксидных включений в сварных швах, выполненных электродами с рутиловым покрытием на углеродистой и низколегированной стали, относятся к системе Рех Мп|.хО - БЮг - А1203. Кроме того, часто встречаются включения оксидов кальция, магния, титана, сульфидов.

Количественный металлографический анализ, проведенный на автоматизированном комплексе анализа изображений и моделирования структур 81АМ8К 600™ со сканером БсапЫех на микроскопе КеорЬоь32, показал, что общее количество неметаллических включений в металле сварного шва (для данного уровня разрешающей способности) меняется от 60 до 400 штук на мм2, а большинство включений имеют размер около 2-3 мкм. Одна из гистограмм распределения включений в металле сварного шва показана на рис 5.

Распределение средних диаметров Фере

| 0,4 В § О-2 ■■ 0.10 ^^■■¡■ою е о 0 0 о о ^-в 0 2 4 « 8 10 12 14 1« 11 20 22 Диаметр, мкм Число частиц 62

Минимум 1,090

Максимум 22,610

Мола 1,098

Медиана 2,195

Среднее СКО 3,505 2,892

Асимметрия 2,880

Эксцесс 10,246

Рис.5. Статистический анализ (81АМ8К 600|М) неметаллических включений в металле сварного шва.

Установлен уровень снижения деформационной способности металла шва при охлаждении, связанный с различием физических констант неметаллического включения и металлической матрицы. Расчитывали уровень упругих напряжений в матрице, возникающих вблизи сферического включения вследствие различной температурной зависимости физических констант матрицы и включения (по Бель-ченко Г.И., Бруксбанку Д.) для включений кварца вЮг, корунда А12Оз и нитрида титана ПЫ. Расчетами показано, что наибольшие значения радиуса зоны повышенной пластической деформации - 20-70 мкм - характерны для крупных частиц оксида кремния, корунда; для нитрида титана радиус зоны повышенной пластической деформации очень мал -0,6-1 мкм в связи с малостью самих частиц.

Оценено разупрочняющее действие неметаллических включений (с учетом их размера и взаимного расположения) при деформации металла шва растяжением. Интенсивность деформации при испытании растяжением для каждого микроинтервала между репперными точками, наносимыми микротвердомером, определялась путем подсчета параметра относительной локальной неоднородности:

П,

-\ = К-\

где Kg е/ &ср коэффициент концентрации деформации; е, - деформация i -

It £

го микроучастка; еср = - средняя деформация; п - число микроучастков. t я

На рис.6 показаны кривые распределения микронеоднородной деформации т| для средней деформации растяжением еср = 8% и 15% для группы включений.

-Деформация 8% Деформация 15%

Д 20 40 60 ¿0 100 Расстояние вдоль репврной линии, мкм

Рис.6. Кривые распределения микронеоднородной деформации т| по длине реперной линии для средней деформации растяжением Еср = 8% и 15% для группы включений

В результате анализа распределения микронеоднородной деформации было установлено,что разупрочняющее действие неметаллических включений в сварных швах определяется размером и характером взаимного расположения включений:

- если неметаллические включения имеют крупный размер (20 мкм ), но расположены одиночно, то пластическое течение матрицы компенсирует повышенный уровень напряжений, вносимый такими включениями (параметр локальной неоднородности 11 составляет 0,8-1,0), и снижения пластичности не происходит;

- если крупные включения расположены недалеко друг от друга, т.е. расстояния

между ними сравнимы с их размерами, то зоны повышенных пластических деформаций сливаются и перекрываются, в результате образуется довольно протяженные области повышенной деформации (параметр локальной неоднородности т] превышает значение 1,5), вероятность образования трещин очень высока (одна из таких ситуаций показана на рис. 7), хладостойкость швов понижена.

ГЛАВА 5. ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА СВАРНОГО ШВА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕКТРОДА

Систематические исследования пластичности металла сварных швов показали необходимость создания методики экспресс-оценки хладостойкости, не требующей трудоемкой подготовки образцов. За основу принят метод инденторных испытаний твердости, а также теоретически обоснованный факт зависимости твердости от температуры (Давиденков H.H., Фридман Я.Б., Матюнин В.М.).

Была создана и запатентована экспресс-методика оценки критической температуры хрупкости по термическому коэффициенту твердости металла шва электродов типа Э42-Э50 для низкоуглеродистой стали.

На основе математической обработки многочисленных экспериментальных данных предложена эмпирическая зависимость твердости от температуры:

Рис.7. Зарождение трещины от группы неметаллических включений в деформированном образце металла сварного шва, х800.

ИВ (Т) = НВ 20° + А • ехр (-Р Т),

где НВ200 - твердость металла при комнатной температуре; р - коэффициент температурной зависимости твердости;

Т - температура, °С, А - константа, связанная с р соотношением А = -4- 103 + 3,3- 105 р Наиболее характерные случаи изменения твердости металла шва при охлаждении показаны на рис.8.

На рис.9 представлена зависимость, связывающая температурный коэффициент твердости р и критическую температуру хрупкости Ткр для металла сварных швов указанных электродов.

Методика была опробована на большом количестве партий электродных покрытий, в т.ч. при создании электродных покрытий с ферротитаном и уральским силикомарганцем.

Рис. 8. Низкотемпературная зависимость твердости металла шва для нескольких электродов:

Т - температура испытаний, °С НВ - твердость по Бринеллю, МПа (3 - коэффициент температурной зависимости твердости К - экспериментальные точки - математическая обработка

Разработанная методика оценки хладостойкости позволила сократить на порядок трудоемкость исследовательского цикла на начальном этапе. Кроме того, методика отличается высокой чувствительностью и точностью - ошибка в определении термического коэффициента твердости не превышает 8-9%, коэффициент корреляция между температурными коэффициентами твердости при повторении опытов составил 0,97.

Полное совпадение результатов определения Ткр металла шва наблюдается более, чем в 90% случаев. Расхождение результатов определения критической температуры хрупкости, в основном, не превышает 5°С.

Однако, необходимо подчеркнуть, что методика не универсальна, т.е. во-первых, применима только для сварных швов электродов типа Э 42-Э 46 по низкоуглеродистой стали, и, во-вторых, не заменяет собой обязательных при сертифицировании электродов испытаний на ударную вязкость.

Критическая температура хрупкости Ткр» С

/

г Г

№

(

Рис.9. Зависимость для определения критической температуры хрупкости Тцр по температурному коэффициенту твердости (3 для металла сварных швов электродов типа Э46

Температурный коэффициент твердости р

II 0013 от 0025 003 0035 0 04 0В45 0 05 0 035

Для контроля стабильности горения дуги была разработана и запатентована методика, основанная на измерении амплитуды переменной составляющей сварочного тока. Разработанная методика позволила оценивать стабильность горения дуги с большей точностью, чем использовавшийся ранее метод «разрывной длины дуги».

Методика позволила установить количественный критерий стабильности дуги: при среднестатистическом значении амплитуды переменной составляющей сварочного тока в интервале

до 7 А - процесс горения устойчивый, без разбрызгивания; от 7 до 10 А - процесс горения малоустойчивый, длина дуги в ходе процесса меняется, повышается разбрызгивание, образуются козырьки из покрытия;

свыше 10 А - процесс нестабильный, дуга горит жестко, образуются втулки из покрытия, высокое разбрызгивание.

В насюящей работе методика применялась для контроля стабильности горения дуги при исследовании электродов, обеспечивающих лучший по хладостой-кости металла шов.

ГЛАВА 6. СТРУКТУРНЫЕ ФАКТОРЫ ХЛАДОСТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ ШВОВ И ОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ЭЛЕКТРОДНОГО ПОКРЫТИЯ

Разработанные математические модели модифицирования металла сварного шва и методики оценки характеристик структуры и свойств применялись для установления структурных факторов хладостойкости металла сварных швов и оптимизации состава электродного покрытия.

Исследования проводились для нескольких серий электродных покрытий на ильменитовой основе (в состав покрытия, кроме ильменита, входили мрамор, алюмосиликаты, ферромарганец, целлюлоза, связующее): с ферротитаном; с уральским силикомарганцем.

Установлено, что тенденции изменения хладостойкости металла сварного шва адекватны структурным изменениям: главными факторами хладостойкости являются уровень загрязненности шва неметаллическими включениями и степень однородности сформированной структуры. Гомогенность структуры оценивали фрактальной размерностью

Показано, что, снижение хладостойкости вызывают не все, а только крупные включения (размером более 10 мкм). Корреляции между критической температурой хрупкости ТцР и загрязненностью металла шва для общего числа включений N очень низкая, а для числа включений размером более 10 мкм -достаточно высокая, коэффициент корреляции а=0,825. Построение корреляционных зависимостей проиллюстрировано на рис.10.

N. шт 60

40

20 0

Г • (1=0,009 1 • •

• • •• • • •

• • 1 • • •• •» • '

-60 -40 -20 0 Ткр, С а)

Рис.10. Корреляции между критической температурой хрупкости Тцр и N - общим числом включений (а), и между Ткр и № - числом включений размером не менее 10 мкм (б).

0 Ткр," С

Построена тройная диаграмма факторов хладостойкости (рис.11), дающая полное представление о взаимосвязи между критической температурой хрупкости Т,ф, фрактальной размерностью Б/ и загрязненностью включениями Область хорошей хладостойкости (вершина диаграммы, тонирована светлым тоном) нахо-

дится на уровне высоких значений фрактальной размерности и низкого уровня загрязненности, область низкой хладостойкости - это нижняя часть диаграммы (темный тон) смещена в зону низкой фрактальной размерности и высокой загрязненности металла шва включениями.

Крплесш температуре хрупкости Т*р,С

Отличная хла-

достойкость

о Хорошая хладо-

стойкость

■1 Удовлетворит.

хладостойкость

■1 Плохая

хладостойкость

Рис.11. Обобщенная диаграмма влияния фрактальной размерности и степени загрязненности неметаллическими включениями на хладостойкость металла сварного шва

Построены математические модели влияния состава электродного покрытия на хладостойкость металла сварного шва для обеих серий электродных покрытий: для электродов с ферротитаном - четырехфакторная модель при полном композиционном планировании 24

Ткр = -31,5 + 4.9-Х1 - 3,2 Х3- 1,3 Х4 + 2,8-Х,2 - 2,2 Х22+4,7 Х32+6,8-ХЛ

+3,0Х, Х2- 4,8 X, Х3 -7,1 X, Х4+2,6 Х3 Х2 +9,7X4X3 + 3,3 Х3Х4 где X, - содержания мрамора, каолина, ферротитана и графита соответственно номерам;

и для электродов с силикомарганцем - пятифакторная модель при композиционном планировании 25'1

Т»р = -53 - 8,8Х3 - 3,4Х4 - 2,7X5 + 6,4 X,2 + 7,1 Х32 + +2,6Х42 + 2,5Х52 + 5,4ХГХ2 + 5,2Х,-Х4 + 2,7Х2-Хз + 5,2Х2-Х4 +9,5Х2Х5 - 2,3Х3Х5 ,

где X, - содержания силикомарганца, слюды, ферротитана, графита и мрамора, соответственно номерам. Обе модели адекватны по критерию Фишера для уровня значимости 5% (для первой - ¥р=4,4, для второй - Рр=4,1, Р,ай = 4,7).

Результаты анализа влияния компонентов покрытия на хладостойкость сварного шва при построении поверхностей отклика представлены на рис. 12.

Графит-каолин Мрамор-ферротитан

Рис 12. Влияние компонентов электродного покрытия на хладостойкость металла сварного шва.

Подтверждается вывод главы 1, о том, что существует рациональное соотношение между титаном и азотом, которое обеспечивает лучшее модифицирование при охлаждении металла шва.

Методом Гаусса-Зейделя был оптимизирован состав электродного покрытия, обеспечивающий минимальное охрупчивание металла шва при отрицательных температурах (Ткр не выше -40°С).

Дополнительно исследовалась хладостойкость металла шва электродов с карбидной композицией в составе покрытия. Показано, что интенсивное образование мелкодисперсных карбидов сильно модифицирует структуру (рис 13), что приводит практически к отсутствию охрупчивания при охлаждении (ТкР = -55°С)

Таким образом, определены структурные факторы хладостойкости металла сварного шва низкоуглеродистых сталей: выяснено, что хладостойкость сварных швов недопустимо снижается в тех случаях, когда неблагоприятно сочетаются два структурных параметра: высокая степень загрязненности крупными неметаллическими включениями (размером не менее 10 мкм), и образование грубой Видманштеттовой структуры.

27Ш 23«) 2000 17ГО 14Ш

Ii ' 1) MUU7 VM 1

"К

г

"гН— D-WU 4P •

1«>->МС 1 1 1

-150 -120 -90 -60 -30 0 VI

Структура и карбидные включения В металле сварного шва электрода с карбидной композицией

Низкотемпературная зависимость твердости металла сварного шва (НВ) электрода с карбидной композицией (•) и без нее (х).

Рис. 13. Хладостойкость металла шва электрода с карбидной композицией в покрытии.

Установлены пути регулирования факторов хладостойкости через состав электродного покрытия: одновременное введениие ферротитана и мрамора при соблюдении соотношения 1 :4 и минимальное количество алюмосиликатов.

Оптимизирован состав электродного покрытия по критерию хладостойкости металла шва. Критическая температура хрупкости металла шва электродов с ферротитаном и силикомарганцем оптимизированного состава ниже -40° С.

ГЛАВА 7. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ ШВОВ

Сварные шва, с позиций общей теории усталости металлов и линейной механики разрушения, являются одними из наиболее сложных объектов. При их испытании возникает ряд проблем, связанных с неоднородностью свойств материала, сложностью структуры, наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений, остаточных напряжений и т.д (A.C. Куркин , Э.Л. Макаров). Банк данных об усталостных свойствах металла и характеристиках развития трещины в условиях циклического нагружения для сварных соединений ограничен. Все имеющиеся данные о поведении металла сварных швов в условиях знакопеременной нагрузки получены, в основном, на сплошных, однородных образцах.

Опробован малообразцовый метод определения порогового коэффициента интенсивности напряжений при страгивании усталостной трещины K,h\ который

является наиболее приемлимым для металла сварного шва с учетом ограничений по размерам образца.

Установлена зависимость порогового коэффициента интенсивности напряжений от уровня загрязненности металла шва неметаллическими включениями.

Установлен характер распределения зон упрочнения и разупрочнения по мере продвижения усталостной трещины по металлу сварного шва. Оценена глубина зоны повышенной пластической деформации вблизи усталостной трещины.

Определена фрактальная размерность излома - структурная характеристика поверхности усталостного разрушения, установлена ее связь с динамической характеристикой процесса - скоростью роста усталостной трещины.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе осуществлено обобщение теоретических, методологических и экспериментальных исследований автора по проблеме управления фазо- и структурообразованием металлов при сварке и создания новых сварочных материалов. Результаты их позволили сделать ряд выводов, имеющих научную и практическую значимость:

1. Для обоснованной разработки проблемы модифицирования сварного шва предложена концепция рациональной температуры выделения модифицирующих фаз при сварке.

Определены рациональные температуры начала выделения карбонитридных фаз "ПЫ, "ПСХК|.Х, ~ПС и Т1С0.6 при охлаждении сварного шва.

Установлена термодинамическая возможность трансформации нитрида титана в карбонитрид при понижении температуры сварного шва.

На основе термодинамической модели установлены рациональные соотношения нитридообразующих элементов, титана и азота, обеспечивающие максимальный эффект модифицирования металла сварного шва.

2. Разработана математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве с учетом временных и температурных условий сварки. По разработанной модели установлено, что в сварных швах при термическом цикле, характерном для ручной дуговой сварки, образование нитридов титана в твердой фазе происходит ниже 1240 К.

Показано, что образующиеся нитриды титана, модифицируют структуру металла сварного шва в твердом состоянии, тормозя рост пластин Видманштеттова феррита и подавляя образование крупной Видманштеттовой структуры.

Определены эффективный размер модифицирующих частиц нитрида титана и размеры диффузионной области: диффузионная область имеет размеры в пределах 0,3-0,7 мкм в зависимости от температуры и времени охлаждения; для такого размера питающей диффузионной области радиус частицы нитрида титана равен 0,50-0,53 мкм.

3. Впервые в металловедении сварки применен метод фрактального анализа для исследования структурообразования сварных швов. Разработан алгоритм фрактально! о анализа и определена фрактальная размерность - количественный показатель степени однородности и фрагментарности структур сварных швов.

Установлены основные количественные критерии гомогенности и фрагментарности структуры металла сварного шва:

- для крупной структуры, с выделением широких фрагментов Видманштет-това феррита через все поле зерна первичного аустенита характерно значение фрактальной размерности Оу-1,60-1,78;

- для более дисперсной структуры, приближающей к классической ферри-то-перлитной характерно значение фрактальной размерности £>/=1,79-1,89; Выявлена связь структурной характеристики - фрактальной размерности Бг - с уровнем вязко-пластических свойств металла шва. Фрактальные размерности, наряду с критериями хладостойкости и чистоты шва, введены в задачи моделирования свойств, в результате реализации которых оптимизирован состав электродного покрытия.

4. Установлен уровень снижения деформационной способности металла шва при охлаждении, связанный с различием физических констант неметаллического включения и металлической матрицы. Наибольшие значения радиуса зоны повышенной пластической деформации 20-70 мкм характерны для крупных частиц оксида кремния, корунда, для нитрида титана радиус зоны пластической деформации очень мал -0,6-1 мкм в связи с малостью самих частиц.

Показано, что разупрочняющее действие неметаллических включений в металле шва при деформировании определяется размером и характером их взаимного расположения.

5. Разработана и запатентована экспресс-методика оценки критической тем пературы хрупкости по температурному коэффициенту твердости для сварных швов электродов типа Э 46 для низкоуглеродистой стали (Патент 1Ш 2095783 и Патент Яи 99101177/28).

Разработана и запатентована методика оценки стабильности горения дуги по амплитуде переменной составляющей сварочного тока, которая использовалась для контроля технологических свойств электродов при разработке составов электродных покрытий (Патент ГШ 2063316).

Исследована низкотемпературная зависимость твердости металла сварных швов в широком диапазоне составов электродных покрытий. Определен температурный коэффициент твердости, высокие значения которого соответствуют низкой хладостойкости, а низкие - высокой хладостойкости. Применение новых методик позволило сократить на порядок трудоемкость исследовательского цикла. Показатели хладостойкости введены в качестве критериев оптимизации в задачи моделирования влияния состава покрытия на уровень пластических свойств ме-

талла шва, в результате реализации которых оптимизирован состав электродного покрытия.

6. Установлены структурные факторы хладостойкости металла сварного шва низкоуглеродистых сталей: уровень загрязненности шва неметаллическими включениями и степень однородности сформированной структуры. Выяснено, что хладостойкость металла шва недопустимо снижается в тех случаях, когда неблагоприятно сочетаются два структурных параметра: высокая степень загрязненности крупными неметаллическими включениями (размером не менее 10 мкм), и образование грубой Видманштеттовой структуры с низкой фрактальной размерностью.

Построена обобщенная диаграмма влияния фрактальной размерности и степени загрязненности шва неметаллическими включениями на хладостойкость сварного шва.

Построены математические модели влияния состава электродного покрытия на хладостойкость металла сварного шва для электродных покрытий с ферротита-ном и уральским силикомарганцем.

Оптимизирован состав электродного покрытия, обеспечивающий минимальное охрупчивание металла шва при отрицательных температурах (Ткр не выше -40°С).

7. Определен пороговый коэффициент интенсивности напряжений при стра-гивании усталостной трещины Kth* для металла сварного шва низкоуглеродистой стали.

Определена фрактальная размерность излома - структурная характеристика поверхности усталостного разрушения, установлена ее связь с динамической характеристикой процесса - скоростью роста усталостной трещины.

8. Разработанные математические модели и методики оценки сварочно-технологических свойств использованы при создании новых марок электродных покрытий серии ЭЛУР. Электроды ЭЛУР-10 в 2000 г. на Всероссийской выставке «Всероссийская марка «III тысячелетие» были награждены Золотым знаком «Всероссийская марка. Знак качества XXI века".

Основное содержание диссертации представлено в следующих публикациях:

1. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Шумяков В.И., Уточкин В.В., Табатчиков A.C. Термодинамическая оценка влияния состава электродного покрытия на взаимодействие металла сварного шва и шлака// Сварочное производство, 1994, N6. С.19-21.

2. Язовских В.М., Кривоносова Е.А. Шумяков В.И., Табатчиков A.C., Губин С.Н., Иванова Н..П. Разработка электродов для сварки низкоуглеродистых сталей во всех пространственных положениях // Современные проблемы сварочной науки

и техники: Материалы Российской научно-технической конференции. Пермь, 1995.С.46-48.

3. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Беленький В.Я., Игнатов М.Н. Экспресс-метод оценки хладноломкости металла сварных швов.// Там же.С.48-50.

4. Кривоносова Е.А.,Язовских В.М , Шумяков В.И., Табатчиков A.C. Исследование влияния содержания ферротитана в составе электродного покрытия на хладноломкость металла сварных швов // Проблемы сварки и смежных технологий: Материалы VII Республиканской научно-технической конференции. Тбилиси, 1995.С.19-21.

5. Патент RU 2063316 С1, М.Кл. 6 В 23 К 31/12, 9/073. Способ оценки стабильности горения сварочной дуги./ Язовских В.М., Беленький В.Я., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Табатчиков A.C. Заявл. 07.10.94; Опубл. 10.07.96., Bkui.N19.

6. Патент RU 2095783 С1, М.Кл. 6 G 01 N 3/18. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Табатчиков A.C., Беленький В.М./ Заявл. 27.02.96; Опубл. 10.11.97., Бюл.Ю 1.

7. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Уточкин В.В., Вылежнева Н.В. Влияние состава электродного покрытия сварочных электродов рутилового типа на структурообразование и сопротивление хрупкому разрушению металла шва // Сварочное производство, 1997, N2. С.17-22.

8. Уточкин В.В., Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Термодинамическая оценка рафинирования поверхности металлов при электронно-лучевом переплаве // Электронно-лучевая сварка: Материалы всероссийской научно-технической конференции, Москва, 1993.С. 12-13.

9. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Шумяков В.И. Влияние ферротитана в составе электродного покрытия на структуру и хладноломкость металла сварного шва //Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствования подготовки кадров: Тезисы докладов международной научно-методической конференции, Мариуполь, 1996.С.119.

10. Е.А. Krivonosova, V.M. Yazovskikh, V.I.Shumyakov, V.V. Utochkin, A.S. Tabatchikov. Thermodinamic evaluation of the effect of the composition of electrod coatings in interaction between weld metal and slag.// Welding International, 1995, N9.p.148-150.

11. Кривоносова E.A., Язовских B.M., Шумяков В.И., Табатчиков A.C. Методика оценки стабильности горения сварочной дуги // Вестник УГТУ-УПИ. Екатеринбург, 1997, N3. С. 34-36.

12. Язовских В.М., Кривоносова Е.А. Влияние компонентов электродного покрытия на качество металла сварного шва //Теория и практика сва-

рочного производства: Материалы конференции сварщиков Урала "Сварка Урала-97", Ижевск, 1997, С. 17-18.

13. Язовских В.М., Кривоносова Е.А. Исследование влияние состава электродного покрытия на качество металла сварного шва //Материалы Российской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "СВАРКА-97", Воронеж, 1997. С.17-18.

14. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И. Экспресс-методы оценки качества сварочных электродов// Сварочное производство, 1998. N5. С.26-30.

15. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Летягин И.Ю., Иванов A.A. Математическое моделирование влияния состава покрытия электродов на качество металла шва.// Материалы 2-й Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в соединении материалов ", Тула, 1998.С.27-28.

16. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Летягин И.Ю. Оптимизация состава электродного покрытия методом математического моделирования // Тезисы докладов 18-й конференции сварщиков Урала. "Сварка Урала - в XXI век", Екатеринбург, 1999.С.98-99.

17. Е A Krivonosova, VM Yazovskich, VV Utochcin and N V Vylezneva. Effect of the compozition of the electrode coating of rutile-type welding electrodes on structure formation and brittle fracture resistance of welding metal // Welding International, 1997, №11(8). p. 657-662.

18. Патент RU 99101177/28 (001032), МПК. 7 G 01 N 3/18. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов. / Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Табатчиков, Летягин И.Ю. Опубл. 18.01.99.

19. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Летягин И.Ю., Иванов A.A. Исследование влияния состава покрытия электродов на качество сварного шва методом математического моделирования // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. Пермь, 1999, №1, С.50-52

20. Уточкин В.В., Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Летягин И.Ю. Термодинамическая оценка условий выделения соединений TI, N, С в сварных швах стали Ст.З при микролегировании титаном через электродное покрытие // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. Пермь, 2000, №3. С.68-73

21. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Летягин И.Ю. Вылежнева Н.В. Структурные факторы хладостойкости сварных швов //Сварочное производство, 2002, N 1.С. 12-14.

22. Кривоносова Е.А.,Уточкин В.В., Язовских В.М. Микролегирование титаном при сварке углеродистых сталей // Сварочное производство, 2001, N5. С.6-9.

23. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Шумяков В.И./ Исследование возможности замены ферромарганца на силикомарганец в электродном покрытии// Конструк-

тивно-технологическое проектирование и производство сварных конструкций: Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 100-летию Н.И.Окерблома. 2000г., Санкт-Петербург, изд.СПбГТУ. С.88-89.

24. Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Летягин И.Ю. Хладостойкость и структура сварных швов // Сварка-контроль. Итоги XX века: Материалы докладов 19-й научно-технической конференции сварщиков Урала, Челябинск, ЦТНИ, 2000.С.52-53

25. Уточкин В.В.,Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков.В.И. Интегральный метод рационального легирования при дуговой сварке // Там же .С. 111-113.

26. Е.А. Кривоносова, В.В.Уточкин, В.М Язовских. К проблеме формирования свойств наплавленного металла при сварке плавлением и наплавке // Вестник ПГТУ. Механика и технология материалов и конструкций. Пермь. N4, 2001. С.72-75

27. Кривоносова Е.А„ Язовских В.М., Уточкин В.В., Шумяков В.И, Летягин И.Ю. Фазообразование в сварных швах при микролегировании титаном через электродное покрытие // Перспективные пути развития сварки и контроля -Сварка и контроль: Материалы докладов всероссийской научно-технической конференции, Воронеж, ВГАСУ. 2001 .С.103-105.

28. Кривоносова Е.А., Лазарсон Э.В. Теория сварочных процессов. Металлургические процессы при сварке и свариваемость. Учебное пособие. Рекомендовано УМО Минобразования РФ. Перм. Гос.тех ун-т. Пермь,- 1999,- 72 с.

29. Е.А. Кривоносова, В.В. Уточкин, В.М Язовских. Формирование свойств наплавленного металла при сварке плавлением и наплавке // Ремонт и восстановление, N5,2002. С.23-26.

30. Кривоносова Е.А, Язовских В.М., Уточкин В.В. Моделирование кинетики роста модифицирующих частиц в сварном шве // Современные проблемы электрометаллургии стали: Сборник докладов XI Международной научной конференции, Челябинск, 2001. С.210-215.

31. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Уточкин В.В. Карбидообразование при наплавке высоколегированной стали // Сварка, наплавка и специализированное оборудование в восстановлении и ремонте деталей машин. Тезисы докладов 7-ой Российской научно-технической конференции, Екатеринбург, 2001.С.43-44.

32. Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Уточкин В.В., Шумяков В.И. Математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве // Сварочное производство, N7, 2002 .С. 24-28.

33. V М V М Yazovskich, Е A Krivonosova, V.I.Shumyakov, I.Yu Letyagin, N V Vylezneva. Structural factors of the cold strength of welded joints in low-carbon steels // Welding International, 2002, № 16(6), p.481-484.

34. Кривоносова E.A., Язовских B.M., Уточкин B.B., Летягин И.Ю., Коротаева М.А., Федосеев A.C. Моделирование процессов структурообразования при созда-

нии сварочных материалов с повышенным комплексом свойств/// Вестник ПГТУ. Сварка. Выпуск, поев. 40-летию кафедры СП и ТКМ, Пермь , 2002. С.91-108.

35. Береснев Г. А, Кривоносова Е.А. Исследование температурно-скоростной зависимости сопротивления деформации железа // Там же . С.261-272.

36. Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов // Сварка Урала -2003: Сборник докладов 22-ой научно-техническая конференция сварщиков Уральского региона с международным участием, Киров, 2003 . С.55-56.

37. Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Математические модели и экспресс-методики при создании новых сварочных материалов // Сварка и родственные технологии. Расчет, проектирование и оценка остаточного ресурса сварочных конструкций ответственного назначения: Сборник докладов международного симпозиума, Минск, 2003. С.59-72.

38.Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Уточкин В.В., Трушников Д.А., Вылежнева Н.В. Фрактальный анализ структурообразования сварных швов // Механика и технология материалов и конструкций. Вестник ПГТУ, N6, Пермь, 2003. С.166-172.

39. Уточкин В.В., Кривоносова Е.А., Коротаева М.А., Папьшин Н.В. Теромоди-намическое моделирование фазового состава стали 09X16Н4Б в области температур 500-800°С // Там же. С. 177-185.

40. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Вылежнева Н.В. Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов // Тяжелое машиностроение, N12, 2003.С.36-39.

41. Уточкин В.В., Кривоносова Е.А., Коротаева М.А., Пальшин Н.В. Термодинамическое моделирование фазового состава стали 09X16Н4Б в области температур 500-800°С. // Механика и технология материалов и конструкций. Вестник ПГТУ, N6, Пермь, 2003 г.,С.177-185.

42. Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Математические модели и экспресс-методики при создании новых сварочных материалов// Сварка и контроль -2004. Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция, посвященная 150-летию Н.Г. Славянова, 17-20 мая 2004 г. ТомЗ. Сварочные материалы Технология. Сварочное оборудование. Пермь, 2004.С.24-30.

43. Летягин И.Ю., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Коротаева М.А. Планирование эксперимента при оптимизации состава электродного покрытия// Там же. С. 16-23.

Лицензия ЛР № 020370

Сдано в печать 2.03.05. Формат 60x84/16. Объём 2,0 уч.изд.п.л. _Тираж 100. Заказ 1091._

Печатная мастерская ротапринта ПГТУ.

РНБ Русский фонд

2005-4 45285

4

*

! I

678

Введение

Глава 1 Термодинамическая модель условий выделения моди- 14 фицирующих частиц в металле сварного шва

1.1 Применение концепции рациональных температур вы- 18 деления фаз для условий кристаллизации сварных швов 2 Термодинамическая оценка условий выделения карбо- ^ нитридных фаз титана в сварных швах низкоуглеродистой стали при микролегировании титаном через электродное покрытие

Глава 2 Кинетическая модель фазообразования модифици- 34 рующих частиц в металле сварного шва

2.1 Математическая модель кинетики роста частиц нитри- 35 да титана в сварном шве в твердом состоянии

2.2 Оценка эффективного размера частиц нитрида титана в 42 сварном шве

Глава 3 Фрактальный подход к анализу структурообразования 52 металлов при сварке

3 I Геометрические и естественные фракталы

3 2 Структура металла, как объект фрактального анализа

3 з Фрактальные мартенситные и дендритные структуры ^

3 4 Выбор меры для фрактального анализа структур метал- ^ ла сварных швов

3 ^ Фрактальный анализ Видманштеттовой структуры в 74 сварных швах

Глвав 4 Неметаллические включения в металле сварных швов

Глава 5 Экспресс-методики оценки механических свойств ме- 120 талла сварного шва и технологических свойств электрода

5.1 Определение механических свойств металлов по твер- 120 дости

5.2. Методика экспресс-оценки критической температуры хрупкости по твердости

5.2.1. Низкотемпературная зависимость твердости металла сварных швов

5.2.2. Стандартное определение критической температуры хрупкости

5.2.3. Взаимосвязь температурного коэффициента твердости Р и критической температуры хрупкости Ткр

5.2.4. Точность метода экспресс-оценки хладостойко-сти

5 2 Методика оценки стабильности горения сварочной дуги

5.3.1. Анализ влияния состава покрытия электродов на стабильность горения дуги

Глава 6 Структурные факторы хладостойкости металла сварных швов. Оптимизация состава электродного покры-^ тия

6.1 Электроды с ферротитаном и каолином

6.2 Электроды с карбидной композицией

6.3 Электроды с уральским силикомарганцем и ферротита-ном

Глава? Некоторые аспекты усталостного разрушения металла сварных швов

7.1 Анализ критериев оценки усталостных свойств металла сварных швов

7.2 Методика малообразцовых испытаний на усталостный Сщ изгиб металла сварных швов

7.3 Анализ кинетических диаграмм усталостного разруше- 196 ния металла сварных швов

7.4 Определение порогового значения коэффициента ин- 204 тенсивности напряжений

7.5 Метод микротвердости для оценки размеров зоны по- 214 вышенной пластической деформации при усталостном разрушении металла сварного шва

7.6 Фрактальный анализ поверхности усталостного разрушения

Сварные швы представляют собой многокомпонентные сплавы, свойства которых во многом определяются фазовым и структурным состоянием, сформировавшимся в них на этапе получения исходного материала и на стадии образования сварного соединения. Поэтому управление структурным состоянием является важным элементом в общей стратегии разработки новых сварочных материалов и получения качественных сварных соединений. Основная проблема структурообразования при ручной дуговой сварке низкоуглеродистых сталей заключается в формировании неблагоприятной структуры металла шва, которая и определяет низкие значения хладостойкости и усталостных характеристик. Объектом исследования является сталь Ст.З, широкое распространение которой экономически обосновано на данном уровне прочности. Сталь относится к ферри-то-перлитному классу, структура металла шва таких сталей в условиях сварки характеризуется нестабильностью. Модифицирование металла шва таких сталей является наиболее эффективным для повышения его характеристик. Однако, существующие подходы к решению этой проблемы, основанные на улучшении структуры металла шва путем модифицирования при легировании компонентами электродного покрытия, продолжают, в значительной мере, базироваться на эмпирических методах поиска путей обеспечения оптимальных свойств. Нет научного обоснования возможностей и результата модифицирования металла шва, формирующегося в условиях температурного цикла сварки.

В работе решается проблема управления структурообразованием металла шва при модифицировании с позиций термодинамического и кинетического моделирования процесса, фрактального подхода к описанию структуры металла шва и адекватных методик оценки его свойств.

Хотя эта задача давно привлекает внимание исследователей металлургов и сварщиков (Курдюмов Г.В., Кристиан Дж, Походня И.К., Фролов В.В.), до сих пор нет исчерпывающего понимания механизмов и факторов, контролирующих образование микроструктур при фазовых превращениях, особенно, в условиях сварки.

Традиционные представления, базирующиеся на принципах равновесной термодинамики, могут предсказать объемную долю фазы, выделяющейся при достаточно длительных временах изотермической выдержки, не характерных для сварки. Кроме того, эти представления не позволяют ответить на вопросы о размерах выделений и причинах появления той или иной морфологии выделяющихся фаз. Определяющую роль в проблеме формирования структурного состояния играют кинетические факторы, зависимость от траектории охлаждения, которые даже в более простом случае, не для условий сварки, являются наиболее сложной частью проблемы.

Сложность обозначенных проблем применительно к условиям сварки покрытыми электродами усугубляется тем, что, кроме температурных и временных параметров технологического режима, значительное влияние на структурообразование швов оказывает состав электродного покрытия, компоненты которого участвуют в процессах легирования, модифицирования и фазообразования металла шва.

Благодаря большому разнообразию составов и широким возможностям управления структурным состоянием и свойствами шва, покрытые электроды для ручной дуговой сварки занимают особое место среди сварочных материалов. По объему применения они лидируют в различных отраслях промышленности, причем уровень их потребления на протяжении последних десятилетий не снижается. По результатам статистических исследований Российского рынка, проведенных Концерном «ESAB», а также исследований Национального аттестационного комитета по сварке (НАКС), представленных на рис Л и 2, на покрытые электроды, совместно со сварочными проволоками, стабильно с конца 70-х г.г. приходилось более 85% объема применения сварочных материалов.Для предприятий Западно-Уральского региона, подконтрольных Госгортехнадзору, этот показатель еще выше - 87%.

Одним из важнейших требований, которым должны удовлетворять электроды, является обеспечение высокого уровня свойств металла сварного шва. Существенное влияние на уровень общих и специальных свойств металла шва оказывают структурные факторы: состав, гомогенность и характер взаимного расположения фаз, морфология неметаллических включений. Структурные факторы в большинстве случаев, становятся определяющими в достижении высоких показателей таких свойств как пластичность, хладостойкость, трещиностойкость, усталостная прочности и др. При управлении структурообразованием сварных швов исключительно перспективным является модифицирование структуры при легировании металла шва компонентами электродного покрытия. Возможности и особенности модифицирования структуры сварных швов исследованы недостаточно: хотя существует общая теория модифицирования (Гольдштейн М.И., Попов В.В., Ершов Г.С., Бычков Ю.Б., Гольд-штейн Я.Е., Стомахин А.Я., Турчанин А.Г.), исследований особенностей этого процесса для условий сварки низкоуглеродистых сталей нет. Существует необходимость оценки термодинамической вероятности образования модифицирующих фаз в сварном шве, а также кинетики их развития в условиях температурного цикла сварки.

Методологической основой исследований становятся,

Рис. 1. Соотношение объема использования различных сварочных материалов с 1975 по 2003 г

Рис. 2. Объемы применения различных способов сварки на предприятиях Уральского региона, подконтрольных ГГТН РФ:

РД - ручная дуговая сварка покрытыми электродами; РАД - ручная аргонно-дуговая сварка; МП - механизированная сварка в среде углекислого газа;

Г - газовая сварка;

Пр- прочие методы сварки. с одной стороны, огромная экспериментальная база данных по протеканию различных металлургических процессов, сформированная в традиционной металлургии (Куликов И.С., Григорян В.А., С.И.Попель, Турчанин А.Г.), с другой стороны, математические модели, описывающие металлургические процессы при сварке на основе фундаментальных законов химической термодинамики и кинетики, тепло- и массопереноса (Бороненков В.Н., Королев Н.В., Шалимов М.П.) .

Управление структурообразованием сварных швов связано с необходимостью корректного описания структуры. Сложность структуры реальных сварных швов является основным препятствием при выборе адекватных моделей для компьютерного конструирования структуры и прогнозирования их свойств. Для этих материалов основными методами изучения структуры остаются пока оптическая, электронная микроскопия, а также рентгенографические и спектрометрические методы. Однако полученные при этом данные полностью не используются в моделировании и компьютерном конструировании структуры, поскольку они либо качественно представляют структуру, либо характеризуют ее отдельные фрагменты. Например, при анализе структур швов определенная трудность заключается в корректной оценке параметров Видманштеттовой структуры, к которой не всегда можно применить критерий "балл" зерна.

Значительный интерес в этом направлении представляет теория фракталов, разработанная в ее классическом варианте Г.Хакеном, Б.Мандельбротом, а также фрактальный анализ - математический алгоритм выявления единого численного параметра — фрактальной размерности - для описания многоуровневых структур, какими являются, в частности, структуры металлов, поверхности изломов, пористые структуры, зоны разрушения, структурные границы вязко-хрупкого перехода и.т.п. (

Е.Федер, P.M. Кроновер, В.С.Иванова, И.Ж. Бунин, А.А.Оксогоев, Вос-тровский Г.В.). Таким образом, актуальной является задача использования нового для металловедения сварки фрактального подхода к анализу струк-турообразования швов, разработки алгоритма определения фрактальной размерности, как количественного показателя степени неоднородности и фрагментарности структур сварных швов. Практическое значение метода заключается в выявлении связи фрактальной размерности с уровнем свойств металла шва, а также введение фрактальных размерностей, наряду с критериями хладостойкости и чистоты шва, в задачи моделирования структурообразования и оптимизации состава электродного покрытия.

Не менее важным аспектом управления структурообразованием шва при модифицировании мелкодисперсными частицам карбонитридных фаз, является проблема прогнозирования влияния неметаллических включений на характер термодеформационных процессов при охлаждении сварного шва, связанных с различием физических констант неметаллического включения и металлической матрицы. Разупрочняющее действие неметаллических включений представляет серьезную опасность, поскольку концентрация напряжений может превышать предельные для материала значения и включение, таким образом, может явиться очагом разрушения (Г.И.Бельченко,С.И.Губенко, Кислинг Р., Ланге Н.). Актуальным также является вопрос о критическом размере включения, когда оно становится реальным концентратором напряжений, способным привести к появлению недопустимых при сварке дефектов - трещин.

Конечная цель изучения особенностей и управления структурообразованием заключается в достижении нужного уровня свойств металла сварного шва. Особое внимание было обращено на наименее изученные критериальные свойства металла сварных швов, такие как критическая температура хрупкости, характеризующая хладостойкость, и пороговый коэффициент интенсивности напряжений при страгивании трещины, характеризующий поведение металла в условиях циклического нагружения.

Систематические исследования пластичности металла сварных швов показали необходимость создания экспресс-методик, сочетающих в себе высокий уровень точности с возможностью сокращения трудоемкости этапа подготовки образцов. Это в особенности актуально на этапе лабораторной разработки состава электродного покрытия, когда их количество может достигать сотен вариантов.

В связи с этим достаточно перспективным является метод твердости, который давно и успешно используется для определения ряда механических характеристик металлов как наиболее простой, не требующий вырезки образцов и в то же время, достаточно точный метод (Я.Б.Фридман, Н.Н.Давиденков, М.П.Марковец, В.М. Матюнин, А.А.Бочвар, В.П.Шишокина, Георгиев М.Н., Григорович В.К.). Актуальной является задача опробования метода инденторных испытаний для определения критической температуры хрупкости и создание экспресс-методики оценки хладостойкости по термическому коэффициенту твердости металла шва.

Сварные шва, с позиций общей теории усталости металлов и линейной механики разрушения, являются одними из наиболее сложных объектов. При их испытании возникает ряд проблем, связанных с неоднородностью свойств материала, сложностью структуры, наличием конструктивных и технологических концентраторов напряжений, остаточных напряжений и т.д (A.C. Куркин , Э.Л. Макаров). Банк данных об усталостных свойствах металла и характеристиках развития трещины в условиях циклического нагружения для сварных соединений ограничен. Все имеющиеся данные о поведении металла сварных швов в условиях знакопеременной нагрузки получены, в основном, на сплошных, однородных образцах. Серьезным препятствием для применения методик оценки ресурса конструкции является отсутствие необходимых данных о свойствах материала, в частности о параметрах кинетической диаграммы усталостного разрушения. Этап экспериментального определения критериальных свойств материала, таких как показатель трещиностойкости - пороговый коэффициент интенсивности напряжений при страгивании усталостной трещины Kth, наименее разработан. Данные по критериальным свойствам (Kth) главным образом относятся к основному металлу и практически отсутствуют для металла шва и зоны термовлияния. Наряду с накоплением банка таких данных целесообразно развивать альтернативные методы их определения (Браун У., Сроули Дж., Коцаньда С., Вассерман H.H., Симонов Ю.Н.), а также принципиально новые способы их использования для создания высококачественных сварочных материалов.

Результаты анализа существующих методов изучения и управления структурообразованием позволяют заключить, что существуют значительные пробелы как в вопросах теоретического обоснования возможностей модифицирования структур металлов при сварке, так и в области разработки адекватных методик оценки свойств металла шва. В этих условиях разработка модельных представлений о процессах формирования и модифицирования структуры в многокомпонентных сварных швах на базе термодинамического, кинетического подхода и теории фракталов в сочетании с адекватными методиками оценки критериальных свойств сварных швов является целесообразной и эффективной в решении фундаментальной проблемы управления структурообразованием сварных швов и создания сварочных материалов с гарантируемыми свойствами.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Работа посвящена актуальной проблеме разработки основных принципов формирования и модифицирования структуры сварных швов в многокомпонентных сварных швах на базе термодинамического, кинетического подхода и теории фракталов для управления процессом структурообра-зования металлов при сварке и создания сварочных материалов с повышенным уровнем свойств.

Цель работы: Научное обоснование закономерностей процессов модифицирования и формирования структуры металла сварных швов при легировании через электродное покрытие на основе термодинамического, кинетического моделирования и теории фракталов для создания сварочных материалов с повышенным уровнем свойств.

Задачи работы:

1. Установить термодинамические условия выделения модифицирующих фаз в металле сварных швов. Адаптировать концепцию рациональной температуры выделения модифицирующих фаз для условий сварки.

2. Разработать кинетическую модель роста модифицирующих фаз в металле шва с учетом температурных и временных особенностей сварки. На основе модельных результатов установить эффективный размер модифицирующих включений.

3. Разработать алгоритм фрактального анализа структурообразования металлов при сварке. Определить фрактальную размерность - количественный показатель степени однородности и фрагментарности структур сварных швов.

4. Изучить разупрочняющее действие неметаллических включений в процессе охлаждения и деформирования металлической матрицы.

5. Разработать методики экспресс-оценки механических свойств металла сварного шва и технологических свойств электродов.

6. Установить закономерности влияния состава электродного покрытия на формирование структуры, показатели хладостойкости и характеристики усталости металла сварного шва.

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УСЛОВИЙ ВЫДЕЛЕНИЯ МОДИФИЦИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ В МЕТАЛЛЕ

СВАРНОГО ШВА

Многообразие и сложность структуры сварных швов, определяются физико-химическими процессами между металлической, шлаковой и газовой фазами. Управление структурообразованием сварных швов невозможно без исследования влияния металлургических факторов: формирования сварочной ванны, взаимодействия фаз в зоне сварки, первичной и вторичной кристаллизации металла шва.

Одним из путей решения проблемы повышения вязко-пластических свойств металла сварного шва низкоуглеродистых сталей является целенаправленное модифицирование и микролегирование металла, в частности, титаном.

Существует необходимость оценки термодинамической вероятности образования модифицирующих фаз титана в сварном шве, а также кинетики их развития в условиях температурного цикла сварки.

В теории модифицирования металла сварного шва при легировании через электродное покрытие наиболее сложным является вопрос о концентрационных пределах введения модификатора, не всегда увеличение содержания модификатора приводит к усилению эффекта измельчения структуры. Кроме того, открытым остается вопрос о температуре выделения модифицирующих фаз: нитридов, карбонитридов и карбидов титана.

Методологической основой исследований стали, с одной стороны, огромная экспериментальная база данных по протеканию различных металлургических процессов, сформированная в традиционной металлургии (Куликов И.С., Григорян В.А., С.И.Попель, Турчанин А.Г., Могутнов, Томилин, Шварцман), с другой стороны, математические модели, описывающие металлургические процессы при сварке на основе фундаментальных законов химической термодинамики и кинетики, тепло- и массопереноса (Бороненков В.Н., Королев Н.В., Шалимов М.П.) .

Действие титана в направлении повышении ударной вязкости объясняется разными эффектами:

-понижением концентрации кислорода из-за высокой раскислительной способности титана [6],

- снижением количества силикатных включений [6, 17, 8],

- уменьшением пористости по азоту,

- модифицирующим эффектом [7, 14, 17].

Для развития направления модифицирования сварного шва титаном представляет интерес разработанный в металлургии стали подход к анализу данного процесса на базе интегральных представлений о рациональном (оптимальном) микролегировании [1, 2, 3, 4]. В металлургии хорошие результаты достигнуты при микролегировании стали титаном и азотом при определенном их соотношении. Выявлено, что ударная вязкость и пластичность стали повышаются, если при охлаждении частицы нитрида титана начинают выделяться при некоторой так называемой рациональной температуре (Гр), которая определяется активностями азота и титана. Схематично концепция рациональной температуры выделения нитрида титана представлена на рис. 1.1.

Рациональное соотношение концентраций Т] и N. наблюдается 1ффект модифицирования (лруюуры

Рис. 1.1 Схема, поясняющая концепцию рациональной температуры выделения модифицирующих частиц

При повышенных активностях титана и азота нитриды образуются до завершения кристаллизации (т.е. при Т >ТР), при этом они оказываются крупными и ухудшают свойства стали.

При низком содержании титана и азота выделение нитридов идет в твердом металле (при Г<ГР). 11итриды образуют квазипленки по границам зерен, что тоже охрупчивает сталь.

И только при оптимальных концентрациях Тл и N обеспечивается измельчение зерна (модифицирующий эффект) и выделение мелкодисперсных нитридов, что обусловливает повышение ударной вязкости и понижение порога хладноломкости.

На основе термодинамической обработки экспериментальных данных установлено, что рациональная температура для нитрида титана примерно одинакова для разных сталей и равна Гр = (1661 ±30) К [4]. Однако определенные в металлургии Тр найдены для условий невысокой скорости охлаждения слитков.

В связи с этим, целью данного раздела исследований является :

• уточнение для условий сварки значения рациональной температуры выделения карбонитридных фаз титана Тр;

• установление рационального соотношения концентраций нитридообразующих элементов: титана и азота, обеспечивающих максимальный эффект модифицирования;

• установление закономерностей влияния изменения содержания углерода в сварном шве на температуру выделения модифицирующих карбонитридных фаз;

• установление термодинамической возможности трансформации нитрида титана в карбонитрид при понижении температуры сварного шва;

• теоретическое обоснование экспериментально установленного соотношения ферротитана и мрамора в электродном покрытии, которое обеспечивает лучшую степень модифицирования и высокую хладостойкость [16].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В диссертационной работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих при использовании модифицирования металла сварного шва через электродное покрытие целенаправленно воздействовать на процессы, определяющие структуру и свойства металла сварного шва. Результаты работы позволили сделать ряд выводов, имеющих научную и практическую значимость:

1. Для обоснованной разработки проблемы микролегирования сварного шва предложена концепция рациональной температуры выделения модифицирующих фаз при сварке. Определены рациональные температуры начала выделения карбонитридных фаз ТТМ, ИС^-х, ПС и Т1С0,6 при охлаждении сварного шва. Показано, что влияние содержания углерода в шве на рациональную температуру выделения ТлЫ незначительно Установлена термодинамическая возможность трансформации нитрида титана в карбонитрид при понижении температуры сварного шва.

2. Разработана математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве с учетом временных и температурных условий сварки. По разработанной модели установлено, что в сварных швах при термическом цикле, характерном для ручной дуговой сварки, образование нитридов титана в твердой фазе происходит ниже 1240 К и средний размер включений составляет 0,5 мкм. Разработана математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве с учетом временных и температурных условий сварки. Показано, что образующиеся нитриды титана могут играть роль модификаторов сварного шва, тормозя рост кристаллитов и подавляя образование грубой Видманштеттовой структуры.

3. Впервые в металловедении сварки применен метод фрактального анализа для исследования структурообразования сварных швов. Разработан алгоритм фрактального анализа и определена фрактальная размерность Df- количественный показатель степени неоднородности и фрагментарности структур сварных швов, установлены критерии гомогенности структуры по значению фрактальной размерности. Фрактальный анализ структурообразования сварных швов позволил установить основные количественные критерии гомогенности и фрагментарности структуры:

- для грубой структуры, с выделением широких фрагментов Вид-манштеттова феррита через все поле зерна первичного аустенита характерно значение фрактальной размерности =1,60-1,78;

- для более гомогенной структуры, приближающей к классической феррито-перлитной характерно значение фрактальной размерности Df =1,79-1,89;

Выявлена связь структурной характеристики - фрактальной размерности Df - с уровнем вязко-пластических свойств металла шва. Построена обобщенная диаграмма влияния фрактальной размерности и степени загрязненности шва неметаллическими включениями на хладостойкость сварного шва. Выяснено, что хладостойкость сварных швов малоуглеродистых сталей недопустимо снижается в тех случаях, когда неблагоприятно сочетаются два структурных параметра: высокая степень загрязненности крупными неметаллическими включениями ( размером не менее 10 мкм), и присутствие грубой Видманштеттовой структуры, характеризующейся низкой фрактальной размерностью.

Фрактальные размерности, наряду с критериями хладостойкости и чистоты шва, введены в задачи моделирования структурообразования, в результате реализации которых оптимизирован состав электродного покрытия.

4. Исследован характер термодеформационных процессов при охлаждении сварного шва, связанных с различием физических констант неметаллического включения и металлической матрицы, позволивший внести необходимые уточнения в понимание особенностей поведения неметаллических включений в сварных швах при разных видах механического и термического воздействия, а также оценить их влияния на формирование структуры и свойства стали. Действие неметаллических включений оценено с учетом взаимодействия включения и матрицы при их совместном деформировании в зависимости от температуры и степени деформации.

Установлено, что при понижении температуры наблюдается снижение деформационной способности металлической матрицы, которое усугубляется действием неметаллических включений как концентраторов напряжений. Наибольшие значения радиуса зоны повышенной пластической деформации характерны для крупных частиц оксида кремния, корунда, марганцевой шпинели, для нитрида титана радиус зоны пластической деформации очень мал - 0,6 -1 мкм в связи с малостью самих частиц.

Показано, что разупрочняющее действие неметаллических включений в сварных швах определяется размером и характером их взаимного расположения:

Наличие крупных (размером выше 10 мкм) неметаллических включений не приводит к снижению хладостойкости сварных швов, только в том случае, если они расположены одиночно, т.к. пластическое течение матрицы компенсирует повышенный уровень напряжений, вносимый такими включениями.

Образование групп неметаллических включений, расстояния между которыми ними сравнимы с их размерами, приводит к возникновению протяженных областей повышенной деформации (параметр локальной неоднородности г) превышает значение 1,5), зоны повышенных пластических деформаций сливаются и перекрываются, в результате, вероятность образования трещин очень высока, хладостойкость швов понижена.

5. Разработана и запатентована экспресс-методика оценки критической температуры хрупкости по температурному коэффициенту твердости для сварных швов электродов типа Э 46 (Патент 1Ш 2095783 и Патент 1Ш 99101177/28).

Исследована низкотемпературная зависимость твердости металла сварных швов в широком диапазоне составов электродных покрытий. Определен температурный коэффициент твердости, высокие значения которого соответствуют низкой хладостойкости, а низкие - высокой хладо-стойкости. Показатели хладостойкости введены в качестве критериев оптимизации в задачи моделирования влияния состава покрытия на уровень пластических свойств металла шва, в результате реализации которых оптимизирован состав электродного покрытия.

6. Разработана и запатентована методика оценки стабильности горения дуги по амплитуде переменной составляющей сварочного тока, позволившая контролировать технологические свойства электродов (Патент 1Ш 2063316).

7. Определен пороговый коэффициент интенсивности напряжений К^* при страгивании усталостной трещины для металла сварного шва, который является структурно-зависимой величиной, учитывающей наличие концентраторов напряжений. Установлена зависимость Kth* от уровня загрязненности шва неметаллическими включениями: для загрязненного ме \ /1 талла шва Kth = 4 МПа-м , для чистого - 6-8 МПа-м

Установлен характер распределения зон упрочнения и разупрочнения по мере продвижения усталостной трещины по металлу сварного шва. Оценена глубина зоны повышенной пластической деформации вблизи усталостной трещины.

Определена фрактальная размерность излома — структурная характеристики поверхности усталостного разрушения, исследована ее связь с динамической характеристикой процесса - скоростью роста усталостной трещины.

8. Разработанные математические модели и методики оценки сва-рочно-технологических свойств использованы в ЗАО «Уральские электроды» при создании новых марок электродных покрытий серии «ЭЛУР». Электроды производились акционерами ЗАО «Уральские электроды»: ЭЛУР-9 в ОАО «Среднеуральский завод металлоконструкций», а марки ЭЛУР-10 по ТУ 14-4-1783-96 - в ОАО «Магнитогорский металлургический завод». Электроды ЭЛУР-10 в 2000 г. на Всероссийской выставке «Всероссийская марка « III тысячелетие» были награждены Золотым знаком «Всероссийская марка. Знак качества XXI века".

242

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложен комплексный подход к решению проблемы создания электродных покрытий, обеспечивающих гарантируемый уровень свойств металла сварного шва низкоуглеродистых сталей, основанный на термодинамическом моделировании возможности образования модифицирующих фаз в металле шва, кинетических законах роста этих фаз в условиях сварки, фрактального подхода к описанию структуры металла шва и адекватных методик оценки его свойств.

Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена совокупность научных положений, позволяющих при использовании модифицирования металла сварного шва через электродное покрытие целенаправленно воздействовать на процессы, определяющие структуру и свойства металла сварного шва:

- Разработана концепция рациональной температуры выделения модифицирующих фаз для условий кристаллизации металлов при сварке, позволившая определить концентрационные пределы оптимального введения модификатора;

- Разработана кинетическая модель роста модифицирующих фаз в металле шва с учетом температурных и временных особенностей сварки, позволяющая оценить размер модифицирующих фаз;

- Впервые в металловедении сварки разработан и применен метод фрактального анализа структурообразования сварных швов, определена фрактальная размерность - количественный показатель степени однородности металла сварных швов; показана большая информативность этого показателя по сравнению с традиционным критерием «балл зерна»; установлена связь фрактальной размерности структуры металла сварных швов с показателями хладостойкости.

Разработанный научный подход к решению задачи управления структурообразованием при модифицировании на основе модельных представлений актуален не только для низкоуглеродистых сталей, но и для низколегированных сталей того же структурного класса, таких как стали 15Х, 20Х и др.

Создана экспресс-методика оценки хладостойкости по температурному коэффициенту твердости, не требующая трудоемкой подготовки образцов, позволившая оценить критическую температуру хрупкости металла сварного шва.

Для оценки стабильности горения дуги была разработана методика, основанная на измерении амплитуды переменной составляющей сварочного тока.

Работа имеет практическую значимость: разработанные математические модели и методики оценки сварочно-технологических свойств использованы ЗАО «Уральские электроды» при создании новых марок электродных покрытий серии ЭЛУР и получили положительную оценку в Уральском представительстве Шведского концерна ЕБАВ ЗАО «Уралэлектросварка».

1. Стомахин А.Я. К вопросу об оптимальном легировании стали нит-ридообразующими элементами // Изв. вузов. Черная металлургия. 1979. № 1. С.47-51.

2. Котельников Г.И., Стомахин А.Я., Серьезнов В.Н. и др. Оценка оптимальных концентраций нитридообразующих элементов в стали//Изв. вузов. Черная металлургия. 1979. № 1.С.42-46.

3. Ершов Г.С., Бычков Ю.Б. Физико-химические основы рационального легирования сталей и сплавов. М., 1982. 376 с.

4. Григорян В.А., Стомахин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. Физико-химические расчёты электросталеплавильных процессов. М., 1989. 288 с.

5. Волченко В.Н., Ямпольский В.М., Винокуров В.А. и др. Теория сварочных процессов/ Под ред. В.В.Фролова. М.; 1988. 559 с.

6. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением М., 1997 с.

7. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. М., 1986. 272 с.

8. Панасюк А.Д., Фоменко B.C., Глебова Г.Г. Стойкость неметаллических материалов в расплавах. Киев, 1986. 352 с.

9. Лепинских Б.М., Кайбичев A.B., Савельев Ю.А. Диффузия элементов в жидких металлах группы железа. М., 1974. 192 с.

10. Ю.Походня И.К. Газы в сварных швах. М., 1972. 256 с.

11. П.Куликов И.С. Раскисление металлов. М., 1975. 504 с.

12. Походня И.К. Металлургия сварки. Состояние и проблемы // Сварка и родственные технологии в XXI век: Тез. докл. Киев, 1998. С. 99-100.

13. Новожилов Н.М. Основы металлургии дуговой сварки в газах. М., 1979. 231 с.

14. Потапов H.H. Основы выбора флюсов при сварке сталей. М., 1979. 168 с.

15. Турчанин А.Г., Турчанин М.А. Термодинамика тугоплавких карбидов и карбонитридов. М., 1991. 352 с.

16. Куликов И.С. Термодинамика карбидов и нитридов. Челябинск: Металлургия, 1988. 320 с.

17. Лебедев Б.В. Расчеты в теории сварочных процессов. Киев, НМКВО, 1992, 320 с.

18. Белов А.Ф., Бенедиктова Г.П., Висков A.C. и др. Строение и свойства авиационных материалов.М.: Металлургия, 1989. 368 с.

19. Гольдштейн М.И., Попов В.В. Растворимость фаз внедрения при термической обработке стали. М.: Металлургия, 1989 . 200 с.

20. С.И.Попель,А.И.Сотников,В.Н.Бороненков. Теория металлургических процессов.М.:Металлургия,1986, 462 с.

21. А.Сидлин, В.Д.Тарлинский. Современные типы покрытых электродов и их применение для дуговой сварки.М.Машиностроение, 1984.68 с.

22. Электроды для ручной дуговой сварки в строительстве. Ката-лог.ВНИИСТ, 1981.

23. Металлургия дуговой сварки. Процессы в дуге и плавление электродов. И.К.Походня. Киев.: Наукова думка, 1990. 671 с.

24. И.Н.Ворновицкий, И.Н.Гальперин, А.В.Турецкий. Опыт усовершенствования электродов общего и специального назначения. Л-д.: ЛДНТП,1977. 20 с.

25. Г.И.Лесков. Электрическая сварочная дуга. М.,Машинострое-ние, 1970. 335 с.

26. А.Г.Мазель.Технологические свойства электросварочной дуги. М.: Машиностроение. 1969. 256 с.

27. Gupta S.R., Gupta Р.С., Rehfeidt D.Process stability and spatter generation during dip tranefer in MAG-welding// Welding Review. 1988.N 1 l.P.232-241.

28. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. Фихико-химические за-кономерности.М.Машиностроение. 1973.447 с.

29. Влияние щелочных элементов на поверхностное натяжеение электродных капель/ Разиков Н.М. и др.//Физико-химические исследования металлургических процессов. Свердловск. 1988.С.24.

30. Effect of elektrochemical reactions on submerger arc weld mettal composition/ Kim J.H.and oth.//Weld S.1990. N12.p.446-453.

31. К вопросу о достижении термодинамического равновесия при электродуговой сварке/ Ерохин А.А., Подгаецкий В.В., Галинич В.Н.//Автоматическая сварка. 1961 .N8. С. 1-6.

32. Термодинамический расчет легирования из шлака и раскис-ления металла при сварке/ Кох Б.А.// Там же. 1977. N7.C.20-25.

33. Фрумин И.И.Автоматическая электродуговая наплавка. М.: Ме-таллургиздат. 1961.422 с.

34. Восстановление титана из шлака при сварке стали под флю-сом./ Конищев Б.П.// Сварочное производство. 1971. N12. С.21-23.

35. Кубашевский 0.,Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.:Металлургия, 1982,370 с.

36. Расчет равновесия между многокомпонентным металлом и шлаком при сварке под флюсом./ Бороненков В.Н., Саламатов A.M. //Автоматическая сварка,1984, N7, с. 19-23.

37. Туркдоган Е.Т. Физическая химия высокотемпературных процессов. Справочник.М.Металлургия, 1985,360 с.

38. Методика расчета состава защитно-легирующих покрытий элек-тродов./Б.А.Кулишенко, А.С.Табатчиков, В.И.Шумяков // Сварочное производство. 1991 .N9.C. 14-16.

39. Могутнов, Томилин, Шварцман. Термодинамика железоуглеродистых сплавов.

40. Дж.Кристиан. Теория превращения в металлах и сплавах. М. Мир, 1978, 806 с.

41. Фазовые и структурные превращения в сталях: Сб. науч. Трудов, вып.З. Под ред. В.Н.Урцева. Магнитогорск, 2003, 576 с.

42. Куликов И.С.Термодинамика оксидов.М.,Металлургия,1986,340 с.

43. К проблеме рационального микролегирования сварного шва титаном/ Кривоносова Е.А., Уточкин В.В., Язовских В.М.// Сварочное производство, N5,2001 г., с.

44. Б.Я.Любов/ Диффузионные процессы в неоднородных твердых средах, М., Наука, 1981,277с.

45. М.И.Гольдштейн, В.В.Попов/ Растворимость фаз внедрения при термической обработке стали. М. .'Металлургия, 1989, 200с.

46. Курдюмов Г.В., Утевский JI.M., Энтин Р.И. /Превращения в железе и стали. М., Наука, 1977, 237 с.

47. Влияние нитридообразующих элементов на состав и структуру низколегированного металла шва/В.А.Шлепаков, А.С.Котельчук, С.М.Науменко// Автоматическая сварка, N6, 2000, с.7-10.

48. Попов В.В. В кн.: Термическая обработка и физика металлов. Научные труды УПИ. Свердловск, изд.УПИ, 1984., с. 19-25

49. Е.Федер. Фракталы. М. «Мир», 1991, 254с.

50. P.M. Кроновер. Фракталы и хаос в динамических системах. Основы теории. М.: Постмаркет, 2000 г.,352 с.

51. В.С.Иванова, А.С.Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А.Оксогоев Синергетика и фракталы в материаловедении. М.»Наука»,1994 383с.

52. Анализ влияния поверхностной обработки на структуру статических изломов малолегированного молибдена с помощью мультиф-рактального формализма/ Востровский Г.В., Колмаков А.Г.// Физика и химия обработки материалов, 1995, N6, с.66-81.

53. Мультифрактальный анализ особенностей разрушения приповерхностных слоев молибдена / Г.В.Встровский, А.Г. Колмаков, В.Ф. Терентьев// Изв.РАН, сер.Металлы, 1993 г. N4, с. 164-178.

54. Соколов И.М. Размерности и другие геометрические критическиепоказатели в теории протекания./ Успехи физических наук, 1986. т. 150,вып.2, с. 221-255

55. Рыкалин H.H., Скобелкин В.И., Зуев И.В. и др.// Доклады АН СССР. Физика. 1981. Т 26, N3, с.329-330.

56. Зуев И.В. Прикладная физика. М., 1994, Вып.1., с.26-32.

57. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Уточкин В.В., Трутников Д.А., Вылежнева Н.В./ Фрактальный анализ структурообразования сварных швов// Механика и технология материалов и конструкций. Вестник ПГТУ, N6, 2003 г.,сЛ66-172.

58. Баланкин A.C. Синергетика деформируемого тела. М.,МО СССР, 1991, 404с.

59. Hornbogen Е.// Intern.Material Rev. 1989. Vol.34, N6, р.277-296.

60. Hornbogen Е.// Ztschr.Metallk. 1987. Bd.78, N5, s.352-35664; Малыгин Г.А.// Физика металлов и металловедение. 1990. Т68 N5.C.22-30

61. Хворов М.М., Нигматуллин P.P.// Физика твердого тела. 1990,Т 32, N8 с. 2294-2297.

62. Мультифрактальное описание топографической структуры покрытий, полученных термическим напылением в вакууме./ Е.Е.Старостин, А.Г. Колмаков// ФиХОМ,1998ДЧ5, с.38-47 .

63. В.Ф. Грабин. Металловедение сварки плавлением/Киев, наукова думка, 1982г., 416с.

64. Коган Л.И., Файвилевич Г.А., Энтин Р.И./ Исследование условий и механизма образования видманштеттового феррита в сталях.// Физика металлов и металловедение, 1969,27,вып.4, с.696-702

65. Леонтьев Б.А. К теории переохлажденного аустенита.// Физика металлов и металловедение, 1963,16,вып.3, с.516-521

66. Леонтьев Б.А., Телегина Т.М. О кристаллографическом механизме у—хх превращения при образовании Видманштеттовой структуры стали. // Физика металлов и металловедение, 1970,30, вып.6, с.1250-1253.

67. Изотов В.П., Леонтьев Б.А. Тонкая структура видманштеттовых кристаллов феррита.// Физика металлов и металловедение, 1971,22,вып.1, с.96-98.

68. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И./ Превращения в железе и стали.М.: Наука, 1977,238с.

69. ANSI/A WS А5 Rutile Electrodes: The Effect of Woiiastonite// N.M.R.De Rissone and oth.// Welding Journal 76(11), november,1997: p. 498-507/

70. Параметризация структуры и мультифрактальный формализм в материаловедении./ Новиков В.У., Козицкий Д.В., Юндунов В.В., Бурьян О.Ю.//Тезисы. Фракталы и прикладная синергети-ка.Москва, 1999.С.162-163.

71. Фракталы в физике: Tp.VI Международ.симпоз. по фракталам (МЦТФ, Триест, Италия, 9-12 июля, 1985). М.Ж Мир, 1988.672с

72. Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем. Х.О. Пайтген, П.Х.Рихтер. М.:Мир,1993 г., 176с.

73. Ершов А.П., Куперштох А.Л., Коломеийчук В.Н.// Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16, №3 с.42-46.

74. Иванова B.C., Баланкин A.C., Ермишкин В.А. и др.// Доклады РАН, 1993, т.ЗЗО, №1, с.35-37.

75. Малыгин Г.А.// Физика твердого тела. 1990,Т 68, N5 с. 22-30.

76. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов. /Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И.,

77. Табатчиков, Летягин ИЛО.// Патент RU 99101177/28 (001032), МПК. 7 G 01 N 3/18; Опубл. 18.01.99.

78. Структурные факторы хладостойкости сварных швов/ Язовских В.М., КривоносоваЕ.А., Шумяков В.И., Летягин И.Ю. Вылежнева Н.В.//Сварочное производство, 2002 г. N 1, с. 12-14.

79. Г.И.Бельченко,С.И.Губенко. Неметаллические включения и качество стали. Киев,Техника,1980, 168 с.

80. Математическая модель кинетики роста частиц нитрида титана в сварном шве/ Кривоносова Е.А., Язовских В.М. Уточкин В.В., Шумяков В.И.// Сварочное производство, N7, 2002 г., с. 24-28.

81. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник, М., Металлургия, 1976 г.530с.

82. Справочник по элементарной физике. Н.И.Кошкин, М.Г. Ширке-вич, М., Наука, 1976, 255 с.

83. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М., Металлургия, 1971.

84. Brooksbank D., Andrews K.W.- J. Iron and Steel Inst., 1972, vol.210, N4.

85. Язовских B.M., Кривоносова E.A., Шумяков В.И. Экспресс-методы оценки качества сварочных электродов// Сварочное производство. 1998. N5. с.26-30.

86. Кривоносова Е.А., Язовских В.М., Вылежнева Н.В./Влияние неметаллических включений на развитие деформации сварных швов// Тяжелое машиностроение , N12, 2003 г., с.36-39.

87. Влияние состава неметаллических включений на зарождение микротрущин в металле шва./ Семенов С.С.и др.// Автоматическая сварка. 1988.N12.C.63-65.

88. Кислинг Р., Ланге Н. Неметаллические включения в стали. М.: Металлургия, 1968, 124 с.

89. С.И.Губенко. Трансформация неметаллических включений в стали. М., Металлургия, 1991, 225 с.

90. Металловедение и термическая обработка стали.Справочник. Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

91. Сварка керамики с металлами. Метелкин И.И., Павлова М.А., Поздеев H.B. М.: Металлургия, 1977 г. 160с.

92. Эшелби Дж. Континуальная теория дислокаций.М.: Иностранная литература , 1963 248 с.

93. Борисенко В.К. О связи твердости с сопротивлением пластической деформации при нормальных и высоких температурах.- В кн.:Термопрочность материалов и конструкций элементов. Киев.: Наукова думка,1985,с.61-68

94. Дрозд М.С. Определение механических свойств металлов без разрушения. М.:Металлургия,1965,171с.

95. Метод определения предела текучести металла вдавливанием пологой пирамиды/ Тылевич И.Н., Гликман К.А.// Заводская лаборатория, 1985,6,с.73 8-743.

96. Я.Б.Фридман.Механические свойства металлов. М.:Маши-ностроение. 1974.

97. Получение основных механических характеристик стали с помощью измерения твердости./ Давиденков H.H., Беляев С.Е., Марковец М.П.// Заводская лаборатория.1945.М10.с.964-973.

98. Об устойчивости связи между механическими характеристиками и твердостью стали 40ХН2МА./ В.А.Калашников, В.Ф.Кузнецов //Заводская лаборатория//1982.Н6.с.87-88.

99. Исследование связи ударной вязкости стали с характеристиками растяжения./М.П.Марковец, В.М.Матюнин// Доклада АН CCCP.1970.T.191.N1.C.179-181.

100. Марковец М.П. Определение механических свойств металлов по твердости.М:Машиностроение,1979, 230с.

101. Авторское свидетельство SU 1479847 AI. А.А.Барон, Ю.И. Славский. "Способ определения температуры хрупкости образца", опубликов. 15.05.89, Бюл.Ш 8, G 01 N 3/18.

102. Ю.А.Шульте. Хладностойкие стали. М.¡Металлургия, 1970.213 с.

103. Способ определения критической температуры хрупкости металлов и сплавов. / Язовских В.М., Кривоносова Е.А., Шумяков В.И., Табатчиков A.C., Беленький В.М.// Патент RU 2095783 С1, М.Кл. 6 G 01 N3/18; Заявл. 27.02.96; Опубл. 10.11.97., Бюл.Ы31.

104. Губенко С.И. Трансформация неметаллических включений в стали. М.: Металлургия, 1991, 224 с.

105. Шевандин Е.М., Разов Е.А. Хладноломкость и предельная •-тпластичность металлов в судостроении. JL: Судостроение, 1965. 336 с.

106. Хрупкие разрушения сварных конструкций/ В.Холл, Х.Кихара, В.Зут.М.:Машиностроение. 1974.265 с.

107. Разработка сварочных материалов для конструкций, работающих при низких температурах./ЛУеЫ J. 1981.60.N10,p.42-11 ИЗ. Исследование марганцеокислительных процессов в сварных швах при ручной дуговой сварке/ Abson D.S. Cambridge : Weld. Inst. 1989.5р.

108. Металлургическое развитие присадочных материалов, обеспечивающих большую вязкость сварных швов труб./Thewlig G., Taylor D.// Oerlikon schweissmitt.-1989.Nl 19.р.14-23.

109. Исследование хладноломкости стали по параметрам конического отпечатка./Савицкий Ф.С., Захаров И.А., Вандышев Б.А.// Заводская лаборатория, 1949, N9,c.l095.

110. Георгиев М.Н. Вязкость малоуглеродистых сталей. М.: Ме-тал-лургия, 1973,223 с.

111. Л.Энгель,Г.Клингеле. Растровая электронная микроскопия. Разрушение.М. .'Металлургия, 1986,23 0 с.

112. Металловедение и термическая обработка ста' ли.Справочник. Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.:1. Металлургия, 1983. 352 с.

113. Определение предела текучести стали по характеристикам твердости./В.М.Матюнин // Заводская лаборатория. 1986.N3.C.77-78.

114. Определение критических температур хрупкости методами измерения внутреннего трения и микротвердо-сти./В.А.Белошенко, О.И.Дацко, В.Б.Примислер, Л.К.Маняк, В.А.Акулов// Заводская лаборатория. 1986.N2.C.74-76.

115. Использование метода измерения твердости под нагрузкой для определения критической температуры хрупкости./ A.B.Велик, Д.А.Турсунов, В.А.Белошенко, С.В.Другарь// Заводская лаборатория. 1992. N7. с.29-30.

116. Сравнение различных критических температур хрупкости малоуглеродистых низколегированных сталей. /Георгиев М.Н.// Заводская лаборатория. 1981. Т.47. N11. с.78-80.

117. Методы определения критических температур хрупкости для материалов и элементов конструкций./ Махутов H.A.// Заводская лаборатория. 1981. Т47. N9 . с.78-81.

118. Григорович В.К.Твердость и микротвердость. М., Наука, 1976, 300 с.

119. Определение ударной вязкости по твердости. /Марковец М.П., Матюнин В.М.// Заводская лаборатория. 1984.N10.C.50-63.

120. Методика определения критической температуры хрупкости конструкционных сталей./ А.А.Попов, Д.М.Шур, А.В.Просвирин// Заводская лаборатория. 1979.N7.C.1134-1135.

121. Статистическая обработка результатов сериальных испытаний на ударную вязкость и определение критической температуры хладноломкости./ А.И.Карнаух, А.И.Невядомская// Заводская лаборатория. 1979.N 7.С.647-648.

122. Связь твердости по Бринеллю с основными механическими характеристиками пластичных металлов./ Б.П.Чебаевский// Заводская лаборатория. 1981.N11.С.84-86.

123. Определение критической температуры хрупкости строительных сталей при динамическом инициировании и распространении трещин./ Е.М.Баско, Н.А.Махутов.// Там же.с.70-73.

124. Деформационный критерий для определения критической температуры хрупкости материалов при испытании на ударную вязкость./Д.М.Шур, С.А.Шпак.// Там же.с.74-77.

125. Об устойчивости связи между механическими характеристиками и твердостью стали 40ХН2МА./ В.А.Калашников, В.Ф.Кузнецов //Заводская лаборатория//1982.Ы6.с.87-88.

126. Махутов H.A. Сопротивление элементов конструкций хрупкому разрушению.М.:Машиностроение,1973, 163с.

127. Григорович В.К. Твердость и микротвердость.М.Машиностроение, 1976,180 с.

128. ГОСТ 9454-78. Методы определения ударной вязкости. Издательство стандатров.1991.

129. ГОСТ 4543-71. Определение вязкой доли излома металли-чес-кого образца.(Приложение 3). Издательство стандартов. 1991.

130. Получение основных механических характеристик стали с помощью измерения твердости./ Давиденков H.H., Беляев С.Е., Марковец М.П.// Заводская лаборатория. 1945.N10.C.964-973.

131. Исследование связи ударной вязкости стали с характеристиками растяжения./М.П.Марковец, В.М.Матюнин// Доклады АН СССР. 1970.т. 191 .N1 .с. 179-181.

132. Новик Ф.С. ,Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования эксперимента. М.: Машиностроение, 1980, 303 с.

133. Авторское свидетельство SU 1385024 А1.Э.А.Кочаров, Н.В.Хомич,Л.А.Одновол, И.Х.Мингазов "Способ определения твердости материалов", опубликов.30.03.88,Бюл.Ш2,0 01 N 3/48.

134. Взаимосвязь критических температур хрупкости с механическими свойствами и трещиностойкостью сталей./И.В.Орыняк, В.М. Торол// Проблемы прочности. 1989.N3.C.40.

135. Адлер Ю.П., Марков Е.В., Грановский Ю.В.Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий.М.:Наука.1976, 270с.

136. Спиридонов A.A. Планирование эксперимента при исследовании и оптимизции технологических процессов. Свердловск, 1975,134с.

137. Металлургия дуговой сварки. Процессы в дуге и плавление электродов. И.К.Походня. Киев.: Наукова думка, 1990. 671 с.

138. Бернштейн М.Л., Займовский В.А./ Механические свойства металлов. М.: Металлургия. 1978 г., 495 с.

139. Головин С.А., Пушкар А. Микропластичность и усталость металлов. М., Металлургия, 1980. 239с.

140. Браун У., Сроули Дж. Испытания высокопрочных металло-ческих материалов на вязкость разрушения при плоской деформации. М. Мир 1972 , 246 с.

141. Усталость и вязкость разрушения металлов. Под ред. Ивановой B.C. М.Наука., 1974 г.,260с.

142. Школьник JI.M. Методика усталостных испытаний. М. Металлургия. 1978г., 213 с.

143. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений. Под ред. Ю.Мураками. Т1,2. М. Мир. 1990г.

144. Усталость и циклическая трещиностойкость конструкционных материалов. Киев, Наукова думка. 1990 г. ;4 том.

145. В.Т. Трощенко, Л.А.Сосновский. Сопротивление усталости металлов и сплавов. Справочник. Киев, Наукова думка. 1987 г.

146. Справочник по сопротивлению материалов. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Наукова думка , 1975, 702 с.

147. Микропластичность. Под ред. Геминова В.Н., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1972 г., 340 с.

148. Стандартизация фрактографического метода оценки скорости усталостного разрушения металлов Вып.5 Под ред. О.Н.Романова М., Издательство стандартов, 1984. 94 с.

149. Коцаньда С. Усталостное разрушение металлов. М., Металлургия , 1976, 454 с.

150. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. 4.2. М., Машиностроение, 1974.,365 с.

151. Yokobori T., Nanbu M., Takeuchi N. Rep.Res. Inst. Strength and Fracture of Materials Toh. Univ. 1969, vol.5, nr 1, s. 1-17 (a).

152. Paris P., Erdogan F. Journal of Basic Engineering. Trans ASME, Desember 1963, s. 528-534.

153. Cooke R.J., Beevers С J. Materials Scince and Engineering, 1974, vol. 5, nr 4, p.1061-1071.

154. Pook L. P. "Zb. ASTM Spec. Techn. Pub.", 1972, №513, p. 106109.

155. Kiesnil M., Lukas P. "Strojirenstvi', 1973, № 23, S. 34.

156. ГОСТ 25.502-79 «Метод усталостных испытаний металлов»

157. Куркин С.А. Ховов B.M. Аксенов Ю.Н., Касаткин О.Г. Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций. Уч. пособие для вузов М.Изд.МГТУ им. Н.Э.Баумана., 2002 г. 464 с.

158. Влияние структуры и механической неоднородности на усталостные характеристики сварных соединений из тиатна/ Гущин А.Н., Кипарисов А .Г.// Надежность судовых конструкций. Горьковский политехнический институт, Горький. 1990. С. 101-107.

159. Различия микрорельефов усталостных изломов стали при одно- и двухчастотном нагруженных /Коваль-чук В. С., Труфя-ков В. И., Степаненко В. А., Хильчевский В. В.// Автоматическая сварка .1990. № 12 .С. 3-5.

160. Рост и торможение усталостных трещин в зоне термического влияния сварных соединений стали 4140.Fatigue crack growth and retardation in the welded HAZ of4140 steel / Lim J. K., Stephens R. I. // Weld. J. 1990 , № 8 .C. 294 304 .

161. Влияние подрезов на усталостную прочность сварных соединений. Обзор литературы / The influence of undercut on thefatigue strength of welds — a literature survey / Petershagen H. // Weld. World. .1990 № 7-8 .C.l 14 125 .

162. Вассерман H.H., Згогурин B.B. Исследование условий нераспространения трещин усталости при круговом изгибе образцов из сплава типа ВТ6. В кн.: Динамика и прочность механических систем. Пермь, 1977, N207, с.131-133.

163. Рогозин Ю.И. Автореферат на соискание степени доктора технических наук, 1999, ПГТУ.

164. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М., Ме-таллургиздат, 1963.,272 с.

165. Вассерман H.H., Субботин В.А. Трещиностойкость сварных соединений из титановых сплавов. В кн.: Динамика и прочность механических систем. Пермь, 1986, с.59-63.

166. Симонов Ю.Н. Автореферат диссертации на соискание степени доктора тех. наук. Структурные аспекты прочности и трещи-ностойкости низкоуглеродистых конструкционных сталей. Пермь, 2004 г.

167. A.C. Куркин , Э.Л. Макаров. Методология оценки надежности и ресурса сварных конструкций при наличии дефектов. Сборник докладов всероссийской научно-технической конференции «Сварка и контроль-2004» Пермь, том.2 стр.339

168. Irwin G.R. Trans. ASME, 1960, vol.82, p. 417 425.

169. Irwin G.R. Seventh Sagamor Ordnanace Material Conference, Syracuse University Research Institute, 1960, v. IV, p.63-79.

170. Разрушение. Микроскопические и макроскопические основы механики разрушения. Под.ред. Г.Либовиц. М. Мир. 1973. 616 с.

171. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М. Наука, 1988, 711 с.

172. В.З.Партон, Е.М. Морозов. Механрка упругопластического разрушения. М. Наука. 1985, 504 с.

173. Россия, г. Екатеринбург, 620002, а/я № 9 Т/факс (343) 375-95-69. Телефон (343) 375-45-75 E-mail tsp@mail.ustu.ru от "15"февраля 2005 г. №141. ЗАО "Уральские электроды"

174. Разработка и производство сварочных материалов1. Директ1. АКТ ВНЕДРЕНИЯмяков В.И.

175. Эти электроды производились акционерами ЗАО "Уральские электроды": марка ЭЛУР-9 в ОАО "Среднеуральский завод металлоконструкций", а марка ЭЛУР-10 по ТУ 14-4-1783-96 -в ОАО "Магнитогорский метизно-металлургический завод" (МММЗ).

176. Электроды ЭЛУР-10 в 2000 г. на Всероссийской выставке "Всероссийская марка."111 тысячелетие" были награждены ЗОЛОТЫМ ЗНАКОМ "Всероссийская марка.(111 тысячелетие). Знак качества XXI века".

177. Р/с № 40702810649490150494 в Дзержинском ОСБ № 6984 в Западно-Уральском банке СБ РФ К/с № 30101810900000000603 БИК 045773603, ИНН 59030282531. УТВЕРЖДАЮ

178. Генеральный директор ЗАО «Уралэлектросварка» Нартымов В;С.1. SL m1. ГУ» /^УрЪ "цУ2005г.1. С Xi\

179. V -i > рз ^элгвюосггрча f . Í1. А ' я/1. АКТ ВНЕДРЕНИЯ

180. Разработанные методики характеризуются эффективностью и точностью. Применение новых методик оценки свойств металла шва позволило сократить затраты на изготовление образцов и материалоемкость этапа испытаний механических свойств.

181. Металл сварного шва для электродов новых марок имеет повышенные характеристики хладостойкости и усталостных свойств .

182. Экономический эффект от применения новых методик оценки механических свойств металла сварного шва составил (около 100 тыс.руб)jj1. Главный инженер1. ЗАО «Уралэлектросварка»1. Матафонов Г.В.

183. ЗАО "УралЭлектроСварка" адрес: дистрибьютор 614031концерна "ЭСАБ" Пермьтел:3422)13-76-21 13-79-10факс:3422)13-77-59 13-76-21e-mail:svarka@perm.raid.ru http:// esab.perm.ru

184. Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ614000 г. Пермь, Комсомольский проспект, 29,

185. Тел.: (3422)198-067, 123-927 Факс: (3422) 121147, E-mail: rector@PSTU.ac.ruот1. УТВЕРЖДАЮ1. Ректор ГТГТУ1. Г АКТ ВНЕДРЕНИЯ

186. Материалы диссертации включены в учебное пособие «Теориясварочных процессов. Металлургические процессы при сварке и свариваемость», утвержденном УМО Минобразования РФ в качестве учебного пособия для студентов специальности 120500.

187. Декан механико-технологического факультета ПГТУ1. М •>-t ,У

188. С КЕХАНИКО-h о TtyhO;.OfWiCKW! w ^ Д ФАКУЛЬТЕТ /i с// -Л /«■ л/11. W, V\ /V л/1. Ханов A.M.05 MON" 14:14 FAX 23735021. МЛ SHINO STR0 ENIE ~661. Sooi

189. Научно-техническнн и производственный журнал1. Сварочное произволе ^

190. ОАО «Издательство «Машиностроение* ^ Л129626, Москва, проспект Мира, 106 ^ /

191. К: 129626, Москва, а/я 78 (для корреспонденции) у287.89-93 g/fg 287-05-91 E-mail: svarka@mashin.ru

192. Пермский ГТУ, кафедра «СП и ТКМ» канд. техн. наук КРИВОНОСОВОЙ Е.А.614000, Пермь, Комсомольский, 29а2102.2005 г. № И-28/41. СПРАВКА

193. Настоящим сообщаю, что статья автора Кривоносовой Е.А. «Фрактальный анализ структурообразования сварных швов» будет опубликована в журнале «Сварочное производство» № 7 2005 г.