Исследование переходной зоны биметалла 12ХМ+12Х18Н10Т, полученного сваркой взрывом. Дементьев в. Б., Махнева т. М., Шушков а. А., Ким с. Л

ФГБУ Науки Институт механики УрО РАН, г. Ижевск

________________________________________________________________________________

АННОТАЦИЯ. Изучен фазовый состав в сваренном взрывом (СВ) соединении из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т, определена ширина переходной зоны. Установлена зависимость количества остаточного аустенита от содержания Ni и Cr в переходной зоне и связь с приведенным модулем упругости и твердостью.

______________________________________________________________________________________

Биметалл, полученный сваркой взрывом, обладает комплексом свойств, позволяющим его использовать в конструкциях ответственного назначения в энергетическом, химическом, нефтехимическом и других отраслях современного машиностроения [1]. Изучению процессов получения, определения свойств биметаллов посвящены многие исследования [2-6]. Основным параметром, определяющим характеристики биметалла, является переходная зона, от структуры и свойств которой зависит качество биметалла в целом. Сведений о структуре, химическом, фазовом составе переходной зоны подобных соединений в литературе достаточно много [7-10]. Однако появилась необходимость изучения фазового состава переходной зоны в биметаллическом листе из стали 12ХМ с поверхностью, плакированной нержавеющей сталью 12Х18Н10Т, и связи его с химическим составом и механическими характеристиками (твердости, приведенного модуля упругости).

Ширину переходной зоны (ПЗ) биметалла определяли двумя методами: по диаграммам термо-ЭДС на приборе, созданном на базе микротвердометра ПМТ-3 [11], и рентгеноспектральным на сканирующем зондовом микроскопе Solver-P47 с электронным пучком диаметром 1 мкм по точкам. Траекторию сканирования поверхности материала от плакирующего слоя в сторону основного выбирали линейной и перпендикулярной границе зоны соединения. Термо-ЭДС диаграммы строили с шагом 5 мкм и числом измерений 100, увеличивали в 10 раз, накладывали на них размерную сетку для определения ширины переходной зоны. За критерий выбирали начало резкого увеличения термо-ЭДС в положительную сторону, за конец окончание роста значений. При этом погрешность составила 0,5 мкм. При микрорентгеноспектральном методе химический анализ проводили по точкам, о размере ПЗ судили по изменению содержания никеля Ni, хрома Cr и железа Fe в микрообъёмах.

Фазовый состав ПЗ определяли качественно на рентгеновском дифрактометре D2 PHASER с геометрией Брегга-Брентано и линейным счетчиком LYNXEYE. Съёмку образца производили в медном К_  излучении, анализ дифрактограмм - с помощью программного модуля “DIFFRAC.EVA”, идентификацию фаз – с использованием базы данных PDF-2/Release 2010 RDB международного центра по дифракционным данным ICDD (The International Centre for Diffraction Data).

Для определения механических характеристик готовили шлиф с поверхностью, параметр шероховатости Ra которой составил 40 нм. Твердость и приведенный модуль упругости определяли методом индентирования на комплексной измерительной системе NanoTest 600 по методике Оливера – Фарра [12]. Поскольку расчетное значение грани отпечатка индентора при оптимальных граничных условиях (глубине проникновения индентора в образец 500 нм) равнялось 1.9 мкм, то индентирование проводили по центру переходной зоны с погрешностью позиционирования индентора 0.2 мкм. Таким образом, отпечаток индентора Берковича при заданной глубине проникновения не выходил за пределы ширины ПЗ. Шероховатость исследуемого образца составила менее 10% от глубины проникновения индентора, не влияет на точность проведения эксперимента. С целью повышения достоверности полученного результата, процедуру измерения проводили по 20 раз в разных участках ПЗ, за результат принимали её среднее значение.

Анализ микроструктуры выполняли на цифровом оптическом микроскопе на основе МБИ-1 и доработанной цветной ПЗС-матрицы. Съёмку производили при освещении образца под углом 45 и 90 к их поверхности, ширина кадра соответствовала 400 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Структура поверхности исследуемого образца приведена на рис. 1. Видно, что граница соединения формируется в виде неровной волнистой линии, что хорошо согласуется с известными данными исследований биметаллических соединений [10].


а) б)

Рис. 1. Структура поверхности образца биметалла:

а) - под углом 45, б) - под углом 90
Переход от стальной основы к плакирующему металлу, т.е. ПЗ, представляет собой узкую с неровными краями полосу, что определяется, по всей видимости, кратковременными температурно-силовыми условиями процесса сварки. Ширина ПЗ на протяжении сварного соединения колеблется от 1 до 9 мкм. Согласно данным рентгеноспектрального исследования на исследуемом участке она составляет порядка 7,7 µm (рис.2, табл.1). По результатам замера термо-ЭДС (рис. 3), где наглядно представлен переход от плакирующего металла к основному в виде резкого повышения значений термо-ЭДС, размер ПЗ находится в пределах (8 0,5) мкм.



Рис. 2. Микроструктура переходной зоны биметаллического образца

из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т:

× - точки замера (15) - локальные микрообъёмы, с которых сняты рентгеновские спектры и дифрактограммы X(2), Y(3), Z(4)
Таблица 1

Результаты определения ширины переходной зоны в биметаллическом соединении

из сталей 12ХМ и 12Х18Н10Т различными методами

Расчет [13] с помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики для участка ПЗ, на котором проводились экспериментальные исследования, также показал величину переходной зоны, близкую к экспериментальной (табл. 1).

Характер распределения химических элементов (хрома, никеля и железа) в переходной зоне, представленный на рис. 4, свидетельствует о диффузии из плакирующего слоя в основной металл хрома и никеля, содержание которых по мере удаления от слоя уменьшается от 17 % до 2 % и с 11 % до 1 % соответственно.


Рис. 4. Изменение содержания химических элементов в переходной зоне

биметаллического соединения при переходе от основного металла к плакирующему
Исследование фазового состава основных составляющих биметалл сталей показало, что в основном металле стали 12ХМ, кроме равновесных фаз: карбида железа Fe₃C (цементита), a-Fe (феррита), наблюдается хромистое (Cr_0,2Fe_0,8) и молибденовое [(Fe₂₄Mo)_0,08] железо (табл. 2 и рис. 5, I). Состав плакирующего металла представляет собой g-Fe (аустенит) с небольшим количеством карбидов хрома (табл. 2 и рис. 5, II). На дифрактограммах (рис. 5) обозначены плоскости только основных составляющих биметалла.
Таблица 2

Фазовый состав и характеристика кристаллографической структуры исследуемых сталей в биметаллическом соединении 12ХМ+12Х18Н10Т. *- основные линии

Формула, символ	Структурный тип	Периоды
		а	b	c
Fe3C	Pbnm (62), орторомбическая	4.5144	5.0787	6.7297
(Cr0.2Fe08)*	Im-3m (229,) кубическая	2.8664	-	-
(Fe24Mo)*0.08	Im-3m (229), кубическая	2.8679	-	-
(Cr,Ni)*	Fm3m (225), кубическая	3.591	-	-
Cr7C3	P63mc (186), гексогонал	14.01	-	4.532
Cr23O6	Fm-3m (225), кубическая	10.6599	-	2.98060
Cr3C2	Cmcm (63), орторомбическая	2. 85	9.25	6.96

Рис. 5. Дифрактограммы свариваемых сталей: 12ХМ (I) и 12Х18Н10Т (II). Аустенит - g-Fe; феррит- a-Fe.
Переходная зона представлена дифрактограммами (X), (Y) (Z) на рис. 6, результаты анализа которых приведены в табл. 3. Цифрами обозначены основные линии аустенита (1, 3) и хромистого железа (2, 4).


Рис. 6. Дифрактограммы (X), (Y) (Z), полученные с ПЗ после сварки взрывом сталей (12ХМ, 12Х18Н10Т): 1, 3 - g-Fe; 2, 4 - a-Fe.

*- основные линии;

Кроме того наряду с фазами основного металла в структуре (табл. 2) присутствуют карбиды хрома Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ и твердые растворы Cr и Ni на основе Fe в малых количествах (очень слабые рефлексы) и даже тетрагональный мартенсит, что указывает на то, что в момент сварки СВ металл соединяемых поверхностей оплавляется и короткое время находится в жидком состоянии, когда возможно перемешивание и диффузия легирующих элементов на короткие расстояния. При охлаждении происходит кристаллизация этих объёмов и закалка их с фиксированием высокотемпературного твердого раствора и образовавшихся в них фаз (табл.3). Следовательно, ПЗ имеет сложный фазовый состав, представленный неравновесными соединениями легирующих элементов, составляющих исходные соединяемые стали.

Исследование механических свойств ПЗ представлено характеристиками твердости и приведенным модулем упругости, полученными на основании диаграмм внедрения индентора (рис. 7). Требуемая глубина проникновения индентора в переходную зону биметалла достигается при разных значения нагрузочной силы, что приводит к различным значениям приведенного модуля упругости и твердости.

С ростом количества аустенита в структуре соотношение интенсивностей основных линий [111] gFe и [111] Fe находятся в пределах (0,03 1,2) ед. –дифрактограммы (X), (Y), (Z) на рис. 6. Казалось бы значительные изменения в фазовом составе ПЗ должны были обусловить и характер формирования этих характеристик. Однако на рис. 8 и 9 представлены зависимости средних значений твердости и приведенного модуля упругости металла исследуемой переходной зоны и сталей, составляющих биметалл. Твердость сталей до сварки взрывом соответственно имеет значения 3,11 ГПа и 5,30 ГПа. Усредненное значение твердости ПЗ занимает значение, близкое к твердости основного металла (на 0,17 ед. ниже) и составляет 2,94 ГПа. Аналогичная зависимость установлена и при измерении модуля упругости (рис. 9).

а) б)

Рис. 7. Зависимость прикладываемой силы от глубины внедрения индентора в двух точках переходной зоны и основные характеристики.

Рис. 9. Средние значения приведенного модуля упругости сталей 12ХМ, 12Х18Н10Т и переходной зоны

2. Определен фазовый состав сталей, составляющих биметаллическое соединение, и переходной зоны. Основными фазами переходной зоны являются: хромистое железо, аустенит, мартенсит. Карбиды железа и хрома присутствуют в небольшом количестве.

3. Установлена связь между фазовым составом и наличием легирующих элементов в переходной зоне. Выявлена зависимость количества остаточного аустенита от содержания никеля и хрома в зоне соединения.

4. Связь фазового состава с механическими характеристиками не обнаружена (твердость стали 12ХМ и ПЗ практически одинакова). Небольшое изменение содержания хрома и никеля 5 %, 3 % также не вызывает заметного изменения твердости и приведенного модуля упругости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 
   Лось И.С., Розен А.Е., Перелыгин Ю.П., Первухин Л.Б., Усатый С.Г., Хорин А.В. Исследование структуры и свойств многослойного коррозионностойкого материала, полученного сваркой взрывов // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 5, № 4. С. 93-96.
   
2. 
   Соловьев С.Д., Дементьев В.Б. Кинетика образования межатомных связей в биметаллах. Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2006. С. 152.
   
3. 
   Слюсарев М.В. Исследование параметров качеств биметаллических листов // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 9: Исследования молодых ученых. 2007. № 6. С. 176-182.
   
4. 
   Денисов И.В., Первухин Л.Б., Первухина О.Л., Розен А.Е. Деформационные процессы при сварке взрывом // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. № 6. С. 39-45.
   
5. 
   Москвитин С.П., Пудовкин А.П. Метод и система контроля характеристик качества биметалла // Вестник ТГТУ. 2009. Т. 15, №2. С. 315-320.
   
6. 
   Трудов А.Ф., Трыков Ю.П., Клочков С.В., Донцов Д.Ю. Влияние нагревов на структуру и свойства сваренного взрывом биметалла Ст.3+12Х18Н10Т // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2008. Т. 10, № 2. С. 18-22.
   
7. 
   Лысак В.И., Кузьмин С.В. Микронеоднородность сваренных взрывов соединений // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2004. № 6. С. 4-22.
   
8. 
   Ким С.Л., Дементьев В.Б., Соловьев С.Д. Математическое моделирование образования межатомных связей в биметаллических соединениях // Химическая физика и мезоскопия. 2008. Т.10, №4. С. 419-427.
   
9. 
   Гуревич Л.М., Трыков Ю.П., Арисова В.Н. и др. Структура и микромеханические свойства в биметалле ВТ!-0+АД1, полученном сваркой взрывом по угловой схеме // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4, № 4. С. 38-42.
   
10. 
    Трыков Ю.П., Проничев Д.В., Гуревич Л.М. и др. Исследование тепло- и электропроводности СИК титан-сталь // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2010. Т. 4, № 4. С. 17-21.
    
11. 
    Стеклова Е.О., Соловьев С.Д., Ким С.Л. Применение метода термоэдс в исследовании химического состава и структурного состояния сварных соединений // Сварка и диагностика. 2011. №2. С. 10-13.
    
12. 
    Oliver W., Pharr G. An Improved Technique for Detemining Hardness and Elastic Modulus Using Load and Displacement Sensing Indentation Experiments // J. Mater. Res. 1992.№ 7(6). P. 1564-1583.
    
13. 
    Ким С.Л. Исследование образования химической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов // Автореф. дисс. на соискание ученой степени канд. физ-мат. наук. Ижевск, 2010. 20 с.