Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy ..., Publikacje z Inżynieria materiałowa

Pobierz Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy ... i więcej Publikacje w PDF z Inżynieria materiałowa tylko na Docsity! Annales Academiae Paedagogicae Cracoviensis Folia 32 Studia Technica I (2006) Krzysztof Mroczka Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy wpływu ciepła stali o dużej wytrzymałości* Stale zaliczane są do najszerzej stosowanych materiałów konstrukcyjnych, które łączy się głównie wykorzystując różne metody spawania. Szacuje się, że ok. 70% światowej produkcji wyrobów stalowych walcowanych jest stosowanych do produk­ cji konstrukcji i wyrobów spawanych [1]. Istota procesu spawania polega na doprowadzeniu do stanu ciekłego pewnej ilości materiałów łączonych, a następnie krystalizacji ciekłego metalu, co powo­ duje powstanie połączenia charakteryzującego się ciągłością metalurgiczną. Zasa­ da ta obowiązuje w odniesieniu do wszystkich metod spawania. Różnice natomiast dotyczą zastosowanych źródeł ciepła, ich wydajności, stopnia koncentracji ener­ gii cieplnej, metod ochrony ciekłego metalu (jeziorka spawalniczego) przed oddzia­ ływaniem atmosfery oraz aspektów ekonomicznych. Dostarczenie dużej ilości ener­ gii cieplnej umożliwiającej stopienie materiału powoduje również powstanie tzw. strefy wpływu ciepła (SW C ) - strefa bezpośrednio przy spoinie, w której materiał nie uległ stopieniu, lecz został nagrzany do na tyle wysokich temperatur, że uległ on zmianom strukturalnym. Tworzenie się SWC jest niekorzystnym zjawiskiem proce­ su spawania. Wielkość SWC zależy od wielu czynników, m.in. grubości materiałów łączonych, stosowanej energii spawania oraz metody spawania. Największa SWC powstaje w złączach utworzonych metodą spawania gazowego, natomiast naj­ mniejsza przy wykorzystaniu metod spawania laserem oraz wiązką elektronów. Ograniczenie wielkości strefy wpływu ciepła jest w tym wypadku wynikiem sku­ pienia energii cieplnej (dużej gęstości mocy - dla spawania metali laserem wyno­ si ona 106-1 0 9 W/cm2 [2]), co powoduje bardzo szybki przetop niezbędnej ilości mate­ riału w miejscu dostarczenia energii. Z tych względów poszukuje się rozwiązań, któ­ re polepszają warunki spawania w metodach konwencjonalnych. Przykładem może być modyfikacja metody T IG polegająca na stosowaniu topnika aktywującego (me­ toda A -T IG [3]), który m.in. powoduje zawężenie łuku elektrycznego [1], a więc koncentrację energii. * Tekst złożono do druku 26 września 2005 roku. 94 Krzysztof Mroczka Strefa wpływu ciepła jest traktowana jako makroskopowo rozróżnialna część połączenia spawanego. Biorąc pod uwagę złącza stalowe w SWC wyróżnia się tzw. obszary: niezupełnego stopienia (w pobliżu temperatury likwidus), przegrza­ nia (ok. 1250°C), normalizacji (do ok. 1100°C), niezupełnego wyżarzenia (zakres A c1- A c3) oraz rekrystalizacji (temperatury poniżej A^; występuje w materiałach, które były kształtowane na zimno) [4]. Z uwagi na duży rozrost ziarna oraz czę­ ste występowanie struktury Widmanstattena obszar przegrzania jest najgorszym w SWC pod względem właściwości mechanicznych. Przedstawione powyżej zjawisko tworzenia się SWC i zmiany strukturalne, któ­ re temu towarzyszą są szczególnie niepożądane w materiałach o specjalnie utwo­ rzonej mikrostrukturze, dzięki której uzyskano określone właściwości mechaniczne. Do takich materiałów zalicza się na przykład wysokowytrzymałe stopy na bazie A l (umocnione wydzieleniowo) oraz stale o podwyższonej i dużej wytrzymałości. W przypadku niektórych stopów A l stosowanie konwencjonalnych metod spawal­ niczych do ich łączenia jest wręcz niemożliwe ze względu na drastyczny spadek własności w SWC. Stale o podwyższonej i dużej wytrzymałości utworzone zostały w wyniku dążeń do polepszenia właściwości mechanicznych stali konstrukcyjnych. Rozwój tej grupy stali łączyć należy z lepszym poznaniem różnych mechanizmów umocnie­ nia (szczególnie opracowanie zależności Hall-Petcha), wdrożeniem nowych tech­ nologii produkcji oraz opracowaniem nowych składów chemicznych stali. W wyni­ ku tych działań powstały stale ferrytyczno-perlityczne o podwyższonej wytrzymało­ ści (Re nawet do 500 M Pa) oraz stale o złożonych strukturach, głównie bainityczne (Re do 900 M Pa) [5]. Bardzo dobre właściwości mechaniczne (Re oraz udamość) uzyskano przez wytworzenie bardzo wysublimowanej mikrostruktury. Proces pro­ dukcji wielu gatunków tych stali jest najczęściej bardzo złożony i wieloetapowy, na przykład kontrolowane walcowanie lub ulepszanie cieplne. Warunkiem jednak utrzymania osiągniętych dobrych właściwości mechanicznych jest niezmienność struktury podczas dalszego przetwarzania tego materiału lub jego łączenia. Z tych względów metody spawalnicze łączenia w odniesieniu do tych materiałów mu­ szą być stosowane z pewnymi ograniczeniami. Najkorzystniejsze w tym wypadku są nowoczesne metody, wspomniane uprzednio spawanie laserem lub wiązką elektronów. Z uwagi na koszty i ograniczenia techniczne zakres ich stosowania jest jednak bardzo zawężony. Istnieje zatem konieczność przeprowadzenia komplek­ sowych badań nad wpływem spawalniczych cykli cieplnych, występujących pod­ czas spawania konwencjonalnymi metodami (łukowymi), na zakres zmian struktury i własności w obrębie SWC w odniesieniu do tych stali. N a podstawie informacji uzyskanych z przemysłu oraz badań złącz spawanych (przemysłowych) [6] stwierdzono znaczną podatność na spadek udamości w wy­ niku oddziaływania długich spawalniczych cykli cieplnych. Za główną przyczynę uznano występowanie składnika strukturalnego tzw. wysp M -A (martenzytyczno- austenitycznych). Stwierdzona degradacja dobrych właściwości mechanicznych była na tyle duża, że wykluczała dopuszczenie wykonanych złącz do eksploatacji. Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy wpływu ciepła stali... 97 Ta be la 1 . Z bi or cz e w yn ik i b ad ań d la w ar ia nt ów o c za si e ch ło dz en ia = 13 s tw ar do ść H V 20 35 4 35 1 33 0 26 5 35 4 36 8 1 31 7 33 8 31 0 ud am oś ć J 58 10 2 12 7 17 0 88 13 5 92 78 75 a sz % 3, 70 3, 00 0, 00 0, 00 6, 30 4, 00 1, 60 1, 50 od ch yl, sta nd , śr ed . o dl . M -A 1, 40 0, 76 1, 14 1, 46 1, 18 1, 18 2, 08 śr ed nia od leg łoś ć M -A fim 1, 39 0, 99 1. 27 1, 48 1, 38 1. 28 2, 26 od ch yl, sta nd , ws p. ks z. M -A 0, 09 0, 23 0, 23 0, 22 0, 22 0, 22 0, 22 ws p. ks zL M -A 0, 60 0, 60 0, 58 0, 58 0, 59 0, 61 0, 64 od ch yl, s tan d, śr ed . w ie l. M -A 0, 25 0, 20 0, 11 0, 14 0, 14 0, 08 0, 24 śr ed nia wi elk oś ć M -A jtm 2 0, 14 0, 11 0, 06 0, 08 0, 10 0, 05 0, 15 % M -A % 10 11 7 8 9 5 9 T m c yk lu °C * 65 0 T II cy klu °C * 12 50 10 00 80 0 65 0 80 0 T I c yk lu °c 12 50 10 00 80 0 65 0 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 pr ób ka nr 13 7 13 9 14 1 14 4 14 5 14 8 15 0 15 1 15 4 98 Krzysztof Mroczka Ta be la 2 . Z bi or cz e w yn ik i b ad ań d la w ar ia nt ów o c za si e ch ło dz en ia t ^j = 9 4 s tw ar do ść H V 20 28 9 31 7 33 8 29 7 29 2 30 1 32 0 29 2 28 7 30 1 27 7 28 7 30 5 1 ud am oś ć j 14 34 70 12 6 16 0 12 17 16 20 10 18 14 16 ao % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 od ch yl , st an d, śr ed . o dl . M -A 1, 78 2, 06 1, 75 1, 87 1, 49 1, 48 2, 21 1, 51 2, 06 2, 03 1, 16 śr ed ni a od le gł oś ć M -A (im 2, 16 2, 20 2, 18 1, 96 1, 73 1, 90 2, 23 1, 85 2, 20 2, 31 1, 26 od ch yl , s ta nd , w sp . k sz . M -A 0, 23 0, 22 0, 20 0, 23 0, 23 0, 24 0, 25 0, 24 0, 22 0, 24 0, 24 w sp . k sz t M -A 0, 63 0, 62 0, 69 0, 58 0, 59 0, 58 0, 55 0, 55 0, 64 0, 55 0, 55 od ch yl , s ta nd , śr ed . w ie l. M -A 0, 24 0, 19 0, 12 0, 26 0, 42 0, 54 0, 55 0, 53 0, 12 0, 33 0, 35 s śr ed ni a w ie lk oś ć M -A fa m 2 0, 14 0, 13 0, 10 0, 16 0, 25 0, 33 0, 29 0, 29 0, 09 0, 18 0, 17 % M -A % 9 7 5 9 13 13 11 14 5 7 8 T II I c yk lu °C 65 0 50 0 35 0 T II c yk lu °C 12 50 11 00 10 00 80 0 65 0 80 0 80 0 80 0 T I c yk lu °C 12 50 11 00 10 00 80 0 65 0 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 pr ób ka nr 94 95 11 1 19 24 26 30 33 36 40 11 6 49 55 Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy wpływu ciepła stali... 99 tw ar do ść H V 20 27 7 29 6 29 8 28 8 25 5 27 8 28 6 29 1 27 2 28 6 26 8 27 1 28 3 ud am oś ć J 8 14 28 12 6 16 0 7 8 10 10 9 14 16 13 a- % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 od ch yl, s tan d, śr ed . o dl . M -A - 1, 74 1, 87 2, 39 2, 24 2, 00 1, 95 1, 80 1, 63 1, 85 1, 97 1, 81 śr ed nia od leg łoś ć M -A lim 1, 98 2, 05 2, 59 2, 43 2, 15 2, 32 2, 23 2, 00 2, 33 2, 23 2, 18 od ch yl, s tan d, ws p. ks z. M -A - 0, 25 0, 23 0, 24 0, 24 0, 24 0, 25 0, 25 0, 24 0, 24 0, 24 0, 24 ws p. ks zL M -A - 0, 60 0, 65 0, 64 0, 60 0, 58 0, 59 0, 62 0, 60 0, 61 05 9 0, 60 od ch yl, s tan d, śr ed . w ie l. M -A - 0, 39 0, 33 0, 46 0, 30 0, 38 0, 33 0, 56 0, 32 0, 81 0, 95 0, 29 śr ed nia wi elk oś ć M -A |o m 2 0, 15 0, 21 0, 18 0, 20 0, 24 0, 16 0, 22 0, 22 0, 37 0, 38 0, 20 % M -A % 13 10 8 11 13 9 15 12 16 13 12 T III c yk lu °C - - - - - - - - - - 65 0 50 0 35 0 T n cy klu °C - - - - - 12 50 11 00 10 00 80 0 65 0 80 0 80 0 80 0 T I c yk lu °C 12 50 11 00 10 00 80 0 65 0 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 12 50 pr ób ka nr 1 52 | 60 1 63 | 66 1 78 1 57 | 73 1 71 | 77 U 11 19 11 22 11 34 Ta be la 3 . Z bi or cz e w yn ik i b ad ań d la w ar ia nt ów o c za si e ch ło dz en ia tg /5 = 20 0 s 102 Krzysztof Mroczka w ilościowej ocenie zawartości tego pierwiastka w wyspach M -A , o podwyższonej zawartości węgla w tych obszarach świadczyć mogą wyniki badań replik ekstrak­ cyjnych - rysunek 4. N a replikach stwierdzono obszary odpuszczonego martenzy- tu z wydzieleniami cementytu, które powstały w wyniku drugiego odpuszczające­ go cyklu cieplnego (650°C) podczas wolnego chłodzenia. Obecność cementytu po­ twierdzono badaniami dyfrakcyjnymi. O lokalnym wzroście stężenia węgla może świadczyć również występowanie mikrobliźniaków w listwach mertenzytu. Podwyższoną zawartość węgla w wyspach M -A opisano również w pracy [10], w której wykazano, że w wyspach M -A zawartość węgla wynosi 0,34%, przy za­ wartości węgla w stali 0,07%, oraz 0,43% C, gdy stal zawierała 0,16% C. Natomiast szczególnie wyraźną segregację węgla obserwowano, gdy materiał nagrzany został w zakres dwufazowy A cl-5-Ac3. Wówczas zawartość węgla w wyspach może wzros­ nąć nawet do 0,7%. Badania ukierunkowane na ocenę ilościową austenitu szczątkowego (y^), prowa­ dzone metodą rentgenowską, wykazały obecność tej fazy w mierzalnych ilościach jedynie w próbkach poddanych najszybszym cyklom cieplnym (por. tabele 1-3). Wzrost ilości austenitu szczątkowego następuje ze wzrostem temperatury cyklu ciep­ lnego (dla pojedynczych cykli cieplnych) - tabela 1. Z kolei zmiany ilości auste­ nitu szczątkowego pod wypływem drugiego cyklu cieplnego wskazują, że cykle cieplne o temperaturach 650°C i 800°C powodują spadek zawartości yK, natomiast cykle o wyższych temperaturach - dalszy jego wzrost. Szczególnie jest to widoczne dla wariantu cykli cieplnych 1250°C/1250°C, gdzie wartość yM wzrosła o ponad 40%. Obniżenie ilości austenitu szczątkowego po cyklach 650°C i 800°C należy wiązać z jego destabilizacją w wyniku wydzielania cementytu, gdyż powtórne chłodzenie zubożonego austenitu powoduje dalszą jego przemianę. Problem występowania wysp M -A i ich wpływ na własności potwierdzo­ no w wielu pracach, m.in. [8, 9]. Analiza tych prac wskazuje na możliwość wy­ stępowania dwóch rodzajów wysp M -A , pod względem ich morfologii, tj. wy­ dłużonych (elongated [8]) oraz o kształcie owalnym (massive [8]). Definiowanie obu rodzajów wysp odbywa się na podstawie współczynnika kształtu. Autorzy pracy [9] wskazują na związek między prędkością chłodzenia a morfologią wysp M -A , stwierdzając, że przy krótszych czasach chłodzenia wyspy są bardziej wydłużone. Przeprowadzone badania próbek poddanych różnym wariantom cykli cieplnych (ta­ bele 1 -3) w pewnym stopniu potwierdzają tę tezę. Uzyskane w badaniach zmia­ ny średniej wartości współczynnika kształtu mieszczą się w granicach 0,55-^0,65. Współczynniki kształtu w tym przedziale wskazują na raczej wydłużony charakter wysp M -A , choć w umiarkowanym stopniu (wartość współczynnika kształtu rów­ na 1 oznacza idealne koło, natomiast bliska 0 oznacza płaski kształt). W celu dokład­ niejszej analizy wykreślono, dla wszystkich wariantów, rozkłady wartości współ­ czynnika kształtu. Analiza rozkładów pozwala stwierdzić, że częstość występowa­ nia wysp o kształtach owalnych jest dominująca dla wariantów o dłuższych czasach chłodzenia ( t ^ 94 s i 200 s), natomiast w przypadku krótkiego czasu chłodze­ nia tg/5= 13 s przeważają obszary o współczynniku kształtu zbliżonym do podanych Badania mikrostruktury i właściwości symulowanej strefy wpływu ciepła stali... 103 wartości średnich, czyli o umiarkowanym wydłużeniu. Przyczyną występowania wydłużonych wysp M -A , w przypadku szybkiego chłodzenia, jest lokowanie się ich między listwami ferrytu bainitycznego, które to listwy, gdy powstają w trak­ cie szybkiego chłodzenia są znacznie wydłużone. Taka budowa struktury powoduje również, że wyspy M -A są generalnie cieńsze i mniejsze niż przy innych wariantach cykli cieplnych, o dłuższych czasach chłodzenia. Wniosek ten jest poparty: analizą średniej wielkości wysp M -A (tabele 1-3), analizą rozkładu wielkości wysp dla róż­ nych wariantów oraz porównaniem zdjęć z obserwacji przy użyciu mikroskopu ska­ ningowego. O rozdrobnieniu składników strukturalnych świadczą również wyni­ ki pomiarów średnich odległości między wyspami M -A , które dla wariantów z szyb­ kim chłodzeniem są ogólnie mniejsze przy porównywalnej ilości wysp w strukturze -tabe le 1-3. Wnioski Badania symulowanej SWC umożliwiły szczegółową analizę strukturalną oraz właściwości mechanicznych dla poszczególnych je j obszarów, co nie jest moż­ liwe w przypadku badań gotowych złącz spawanych. Na podstawie przeprowadzo­ nych prac stwierdzono: 1. Badania strukturalne wykazały obecność wysp martenzytu i austenitu szcząt­ kowego rozmieszczonego między listwami martenzytycznymi. 2. Opracowano metodę ujawniania wysp M -A w strukturze strefy wpływu ciepła pozwalającą na ich ocenę ilościową. 3. Ilościowa analiza potwierdziła wpływ rodzaju cyklu cieplnego na skład fazowy oraz morfologię wysp M -A . Zwiększenie szybkości chłodzenia prowa­ dzi do powstania wysp o bardziej wydłużonym kształcie. 4. Największe ilości austenitu szczątkowego (do 6,3% ) obserwowano po szyb­ kich cyklach cieplnych (tg/5= 13 s). Wolniejsze chłodzenie powodowało tworzenie się wysp głównie martenzytu ze śladową ilością austenitu szczątkowego. 5. Analiza wpływu szybkości chłodzenia na udamość i twardość strefy wpły­ wu ciepła wykazała, że z wydłużeniem czasu chłodzenia następuje równoczesny spadek udamości i twardości. 6. Przeprowadzone badania i uzyskane wyniki wykazały niekorzystny wpływ małych prędkości chłodzenia i obecności wysp M -A na udamość strefy wpływu ciepła. Wynika z tego, że w przypadku spawania stali o dużej wytrzymałości konieczne jest stosowanie niskich energii liniowych łuku i utrzymanie niskiej tem­ peratury między ściegowej. 104 Krzysztof Mroczka Bibliografia [1] Pilarczyk J., Nowości w technologiach spawalniczych, Inżynieria Materiałowa 6/2003 [2] Kusiński J., Lasery i ich zastosowanie w inżynierii materiałowej, Wyd. Naukowe ,Akapit”, Kraków 2000 [3] Niagaj J., Metoda A-TIG szansą na obniżenie kosztów oraz wzrost jakości i wydajno­ ści produkcji spawalniczej, Mat. konf., Seminarium „Nowości technologiczno-materia- łowe w spawalnictwie i możliwości uzyskania wsparcia na ich wdrożenie”, Gliwice 2004 [4] Tasak E., Metalurgia i metaloznawstwo połączeń spawanych, Wydaw. AGH, Kra­ ków 1985 [5] Tasak E., Spawalność stali, Fotobit, Kraków 2002 [6] Mroczka K., Tasak E., Problemy spawania stali o dużej wytrzymałości na konstrukcje okrętowe, Inżynieria Materiałowa 6/2003 [7] Pietras A., Możliwości zastosowania metody FSW, Mat. konf., Seminarium „Nowoś­ ci technologiczno-materiałowe w spawalnictwie i możliwości uzyskania wsparcia na ich wdrożenie”, Gliwice 2004 [8] Okada H., Matsuda F., Li Z., Behaviour o f the M-A constituent in a simulated HAZ after single and multiple welding thermal cycles: HAZ toughness in 780 and 980 MPa class HSLA steels welded with high heat input (1st report), Welding International 1994 8 (9) [9] Okada H., Ikeuchi K., Matsuda F., Hrivnak I., Li Z., Metallographic investigation o f M-A constituent Deterioration and improvement o f HAZ toughness in 780 and 980 MPa class HSLA steels welded with high heat input (2nd report), Welding International 1994 8(11) [10] Kawabata F., Amano K., Itakura N., Morphologic effect oflocal hard phase on toughness o f local brittle zone, Iron & Steel Research Labs, W. DOC X -1254-92 Investigation of microstructure and properties of heat-affected zone in high-strength steels Summary This work presents the results of a study concerning the structure and properties of heat- affected zone in high-strength low- alloy steels. The material for investigation were samples after heat treatment (single- and multi-welding thermal cycles). The samples were represen­ tative of the heat-affected zone of single- and multi-pass weld. M-A (martensite-austenite) islands are shown and their structure is described. The changes of properties (impact strength and hardness) depending on thermal cycles are examined as well. The introduction describes problems concerning welding HSLA steels. Key words: M -A islands, HSLA steels, HAZ of welded joints