Влияние термического цикла сварки на трансформацию неметаллических включений в зоне термического влияния при сварке стали 16Г2АФ

Высокопрочная сталь 16Г2АФ за счет комплексного микролегирования и специальной обработки (контролируемой прокатке) обладает высокой прочностью, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью и используется при сооружении таких сварных конструкций, как резервуары высокого давления, железнодорожные и автомобильные мосты, магистральные трубопроводы [1, 2]. Надежность и долговечность указанных конструкций во многом будет определяться физикохимическими процессами и структурными превращениями, происходящими в металле в процессе сварки [3-12]. Под действием сварочного источника тепла в металле происходит изменение структуры и трансформация сульфидов и оксидов железа и марганца [13-16]. Появление в стали 16Г2АФ структуры бейнита и мартенсита при скоростях охлаждения свыше 20°С/с приводит к уменьшению ударной вязкости участка зоны термического влияния (ЗТВ) [17], а также влияет и на характер распространения трещины. Так как оксисульфид-ные включения являются главными концентраторами напряжений в структуре, их форма и размеры также существенно влияют на зарождение и траекторию движения трещины [13].

Разрушение сварных конструкций чаще всего происходит именно в ЗТВ, структура и свойства которой зависят от параметров термического цикла сварки (например, скорости охлаждения ш ₆₅ в интервале критических температур 600-500 ° С). Также следует отметить, что наиболее опасным участком ЗТВ является участок полной перекристаллизации (максимальная температура нагрева достигает 1350 ° С), так как в зависимости от режимов сварки и, соответственно, реализуемых скоростей

охлаждения на этом участке возможно образование как ферритных, так и бейнитных и мартенситных структур [18, 19]. Кроме того, под действием источника тепла в металле протекают физикохимические процессы, влияющие на форму и размеры неметаллических включений. В связи с малой протяженностью опасного участка ЗТВ реального сварного соединения для исследования использовалась методика имитации термических циклов сварки, позволяющая воспроизводить на образцах структуру любой точки ЗТВ за счет достижения различных скоростей охлаждения [20].

После определения микротвердости и металлографического анализа имитированных образцов из стали 16Г2АФ были выявлены их структура и изменение формы и размеров неметаллических включений в зависимости от скорости охлаждения ш ₆₅. Высокий комплекс свойств основного металла стали 16Г2АФ закладывается при контролируемой прокатке, которая способствует получению мелкодисперсной ферритно-перлитной структуры с наличием вытянутых вдоль направления прокатки оксисульфидных строчечных включений (рис. 1). На рис. 1 представлены фотографии микроструктуры и неметаллических включений исследованных образцов. При анализе формы и размеров неметаллических включений внимание уделялось трансформации строчечных неметаллических включений (в виде пленок), так как именно такая форма ответственна за низкую пластичность металла [13].

Таким образом, термический цикл сварки значительно влияет на форму и размеры строчечных оксисульфидных неметаллических включений в зоне полной перекристаллизации стали 16Г2АФ (рис. 1б). Процесс трансформации неметаллических включений в ходе термической обработки связан с их частичным оплавлением, растворением в матрице, последующим перемещением к границе вновь сформированных зерен, выделением в виде дисперсных или пленочных образований и коалесценцией вследствие диффузии [13, 14, 21].

Рис. 1. Результаты металлографического анализа образцов стали 16Г2АФ, прошедших имитацию термического цикла сварки при различных скоростях охлаждения ω₆₅: а – микроструктура (х150); б – неметаллические включения (х500)

Так, при быстрых скоростях охлаждения (ш65 = 95°С/с) неметаллические включения не успевают полностью раствориться в матрице. С уменьшением скорости охлаждения, когда металл более длительное время находится при высоких температурах, наблюдается более полное растворение включения (ш65 = 65°С/с). При средних скоростях охлаждения (ш65 = 43°С/с) происходит полное растворение строчечных включений и выделение их в виде мелкодисперсных цепочек. При дальнейшем уменьшении скорости охлаждения происходит коалесценция включений с образованием сначала более крупных частиц, расположенных в строчку (ш65 = 25°С/с), а затем и сплошных строчечных включений (ш65 = 15°С/с).

Конструкции из рассматриваемой стали, например, магистральные трубопроводы, работают как при статических, так и при знакопеременных нагрузках [18, 22], и целесообразным становится оценивать влияние неметаллических включений на малоцикловую усталость стали 16Г2АФ. В табл. 1 приводятся сведения о результатах испытания на малоцикловую усталость исследуемых образцов. Испытание имитированных образцов с V-образным концентратором глубиной 1,5 мм на малоцикловую усталость проводились следующим образом. В процессе испытания консольно-закрепленный образец подвергался плоскому изгибу по отнулевому циклу нагружения. В ходе циклического нагружения фиксировалось расстояние, на которое удалилась трещина от концентратора по высоте образца, и соответствующее число циклов нагружения. Образцы доводились до разрушения. После обработки результатов испытания были определены такие параметры усталостного разрушения, как теоретическая длительность периода до появления трещины N0 и длительность периода до разрушения Nк (долговечность) при скоростях охлаждения образцов ш65, достигнутых при имитации термических циклов сварки. Объемная доля неметаллических включений в структуре образцов оценивалась с помощью программного комплекса для обработки и анализа изображения «ВидеоТест–Металл 1.0» при осреднении результата в результате обработки 10 фотографий для каждого имитированного образца.

Таблица 1. Результаты исследования структуры и сопротивления малоцикловой усталости стали 16Г2АФ в зависимости от скорости охлаждения ш ₆₅

На основании полученных данных можно сделать следующие выводы о влиянии формы и размеров неметаллических включений на сопротивление стали малоцикловой усталости. При ш ₆ 5 =15 ° С/с наблюдается малая длительность периода до зарождения трещины даже при наличии в структуре небольшой доли феррита (пластичной структурной составляющей) и малой объемной доле неметаллических включений (табл. 1). Вероятно, это связано с тем, что в данном случае под действием термического цикла сварки успевают образоваться оксисульфидные включения в виде пленок достаточной протяженности и толщины (рис. 1б), которые и будут являться главными концентраторами напряжений в процессе зарождения усталостной трещины. При средних скоростях охлаждения 25 и 43 ° С/с в структуре образуются бейнит и мартенсит при одинаковой объемной доле неметаллических включений. Однако при ш ₆₅=25 ° С/с наблюдаются более крупные частицы, расположенные в строчку, чем при ш ₆₅=43 ° С/с, что приводит к малой длительности периода как до зарождения трещины, так и до разрушения образцов.

Выводы:

• 1.    В зоне полной перекристаллизации стали 16Г2АФ под действием термического цикла сварки наблюдается трансформация неметаллических включений. На форму и размеры включений оказывает влияние скорость охлаждения в интервале температур 600-500 ° С как параметр термического цикла сварки.

• 2.    Форма и размеры оксисульфидных включений оказывают заметное влияние на характеристики сопротивления стали 16Г2АФ малоцикловой усталости. Независимо от количества неметалли-

• ческих включений наличие феррита замедляет процесс зарождения трещины; при наличии бей-нитно-мартенситной структуры неметаллическую включения ускоряют как процесс зарождения, так и процесс распространения усталостной трещины.