Вы здесь

Механізм зародження індукованих воднем тріщин в зварних з'єднаннях високоміцних низьколегованих сталей.

Автор: 
Ігнатенко Олексій Вікторович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2008
Артикул:
3408U003255
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РАЗДЕЛ 2
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОВХ

Основой математического моделирования ОВХ должны служить четкие представления о предпосылках его возникновения в металле и механизмах роста дефектов под действием водорода. Экспериментально установлено, что для развития ОВХ и разрушения конкретного участка метала сварного соединения необходимо критическое сочетание одновременно нескольких факторов. А именно:
* наличие чувствительной к водороду структуры металла;
* температурный диапазон ,благоприятный для возникновения ОВХ;
* наличие в данной области напряжений (внешних либо остаточных);
* определенная величина скорости пластической деформации при зарождении и развитии дефектов;
* концентрации диффузионно-подвижного водорода в зоне формирования дефектов.
Процесс развития в металле сварного соединения обратимой водородной хрупкости можно разделить на три этапа:
1. Формирование предпосылок возникновения ОВХ в сварном соединении.
2. Зарождения и развития микродефектов на уровне зерна металла.
3. Образование макротрещины путем слияние микродефектов, что ведет к разрушение сварного соединения.
Рассмотрим процесс возникновения и развития в сварном соединении ОВХ более детально с целью определения роли каждого из пяти вышеперечисленных факторов.

2.1. Формирование предпосылок возникновения ОВХ в сварном соединении.

Прежде всего, вероятность возникновения ОВХ в сварном соединении определяется условиями сварки, термодеформационным циклом и химическим составом сварного соединения. В принципе, склонность сварного соединения к водородной хрупкости является однозначной функцией начальных и граничных условий процессов, сопровождающих создание сварных соединений. Но эти условия определяют вероятность возникновения ОВХ не прямо, а посредством сложной взаимосвязанной системы факторов, таких как температурный цикл сварки, стуктурные изменение и т.д. Поэтому невозможно сказать о конечных свойствах сварного соединения без анализа и учета этих факторов.
Порядок возникновения ОВХ в сварном соединении показан на рис. 2.1. Указанные начальные и граничные условия можно разделить на пять элементов, влияние которых на свойства сварного соединения взаимосвязано:
* условия окружающей среды - влияют на химический состав расплавленного металла шва и определяют условия ни границе сварного соединения, такие как скорость охлаждения образца и т.п.;
* тип сварного соединения и его геометрия - влияют на кинетику охлаждения расплавленного металла и формирование остаточных напряжений;
* состав сварочного материала - определяет начальный химический состав (в том числе начальное количество растворенного водорода) и структуру металла сварного шва;
* состав основного металла - определяет начальный химический состав основного металла и структуру зоны термического влияния (ЗТВ);
* режим сварки - влияет на начальное температурное поле всего сварного соединения, состав сварного шва и структурные изменения в ЗТВ;
Рис. 2.1. Схема возникновения и развития ОВХ в сварном соединении.
Все изменения, которые происходят в металле во время и после сварки, оказывают существенное влияние на конечные свойства сварного соединения. Начальные и граничные условия сварки непосредственно влияют на термодеформационный цикл сварки и начальный состав сварного соединения. Термодеформационный цикл включает в себя скорость охлаждения, формирование структуры и возникновение остаточных напряжений. Скорость охлаждения химический состав металла предопределяют формирование структуры. Формирующаяся структура вызывает развитие остаточных напряжений.
Возможность количественного прогнозирования структуры и свойств материала сварного шва и околошовной зоны в зависимости от различных технологических параметров сварки давно привлекает внимание исследователей. Однако сложность физических явлений и большое количество влияющих факторов пока еще не дают оснований считать возможным такие прогнозы с учетом всех тонкостей структуры и субструктуры, наблюдаемых специалистами с помощью соответствующей техники [47].
Отметим, что в большинстве случаев присутствие водорода в стали нежелательно уже на стадии затвердевания металла, так как это приводит к ряду изменений в структуре, отрицательно влияющих на свойства металла. Разнообразные исследования показывают, что присутствие водорода в металле шва не только значительно изменяет характер структурообразования, но и приводит к активизации воздействия других примесей [7].
Процесс диффузии водорода чрезвычайно важен для прогнозирования свойств сварного соединения. Под действием термодеформационного цикла водород неравномерно распределяется и может сосредотачиваться в зонах растягивающих напряжений, которые чувствительны к негативному воздействию водорода. Как говорилось выше, в общем случае диффузия водорода зависит от градиента химического потенциала. Значение химического потенциала в свою очередь зависит от концентрации водорода, кинетики охлаждения металла, структуры металла и величины остаточных напряжений, а также от граничных условий и наличия энергетических ловушек. Перспективным методом управления водородом в сварном шве является введение при сварке редкоземельных элементов, которые представляют собой энергетические ловушки водорода в металле.
Расчет концентрации водорода в сварном соединении комплексная сложная задача. Сложность, прежде всего, заключается в определении всех необходимых для численного расчета переменных таких, как градиенты гидростатического напряжения и температуры, структуры сварного соединения и определяемых структурой коэффициентов диффузии и растворимости водорода. В работе [48] предложена математическая модель, которая позволяет оценить влияние химического состава стали и кинетики микроструктурных изменений в зоне проплавления на локальное распределение водорода. Решение задачи диффузии водорода в сварном соединении в поле напряжений представлено в работе [43]. После того, как в зоне металла с чувствительной струк