Микроструктура сварного соединения

Д.М. Толов, И.В. Маликов, А.К. Кузьмин, Е.А.Гусева

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет

Проведен микроскопический анализ сварного соединения углеродистой стали. Исследования проводились на образцах малоуглеродистой стали. Изучены зоны сварного соединения. Определена марка стали. Приведены фотографии основного металла, металла шва и участков зоны термического влияния. Проведенная работа позволяет вести дальнейшие исследования по изучению участков зоны термического влияния, что позволит оценить их влияние на механические свойства сварного соединения в целом.

Актуальной задачей на сегодняшний день является необходимость получения сварных конструкций с требуемыми механическими свойствами. Это становится возможным при получении определенной микроструктуры сварного шва, что зависит от различных параметров сварки. Предметом наших исследований являлся сварной шов конструкций из углеродистых сталей. Для того чтобы выявить склонность металла и зоны термического влияния к образованию трещин и разрушению сварных конструкций надо исследовать микроструктуру сварного соединения,на которую могут оказывать влияние различные факторы. Мы будем исследовать влияние скорости охлаждения на структуру и зону термического влияния различных сталей при сварке. Для начала нужно исследовать и изучить микроструктуру сварного соединения низкоуглеродистой стали, что мы и сделали в данной работе.

Соединение, выполненное сваркой плавлением (малоуглеродистой, низколегированной) стали, состоит из следующих зон: металл шва 1; зона сплавления 2; зона термического влияния 3 и основной металл 4 (рис. 1).

Рис.1. Строение сварного соединения

Металл шва– сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.

Зона сплавления– зона, где находятся частично оплавленные зерна металла на границе основного металла и металла шва. Эта зона нагрева ниже температуры плавления. Нерасплавленные зерна в этой зоне разъединяются жидкими прослойками, связанными с жидким металлом сварочной ванны, в эти прослойки имеют возможность проникать элементы, введенные в ванну с дополнительным металлом или сварочными материалами. Поэтому химический состав этой зоны отличен от химического состава основного металла.

Зона термического влияния– участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева или пластической деформации при сварке, наплавке или резке.

Основной металл– металл подвергающихся сварке соединяемых частей, чаще это малоуглеродистая сталь после прокатки.

Мы изучали структуру сварного соединения при помощи микроанализа. Микроскопический метод исследования металлов и сплавов (микроанализ), изучает структуру металлов и сплавов с помощью металлографического микроскопа. Для этого были приготовлены шлифы – образцы изучаемого металла со специально подготовленной плоской (шлифованной, полированной) поверхностью. Структура металлов сплавов, наблюдаемая при помощи микроскопа, называется микроструктурой. Специально приготовленные для проведения микроанализа образцы называются микрошлифами.

Приготовление микрошлифа состоит в вырезании образца, шлифовке и полировке его поверхности, выбранной для исследования, и последующего травления. На всех стадиях приготовления шлифа необходимо следить за тем, чтобы образец не перегревался, иначе это может повлечь за собой изменения в структуре.

Образец шлифовали вручную, начиная со шлифовальной шкурки с крупным зерном, с последующим переходом к шкуркам с более мелким зерном. При переходе к меньшему номеру зернистости очищали образец от абразиваи меняли направление шлифовки на 90°. После завершения шлифования образец тщательно промывали водой для полного удаления абразива. Затем полировали образец на полировальных станках для удаления рисок шлифования. Вращающийся диск станка был обтянут сукном, в качестве абразива использовали оксид хрома. Поверхность полированного шлифа – зеркальная (отсутствуют риски, царапины). Далее шлиф промывают водой и просушивают прикладыванием фильтровальной бумаги к полированной поверхности.

Под микроскопом изучают сначала шлиф до травления, затем – после травления. На нетравленой поверхности металла непосредственно после полировки можно обнаружить на общем светлом поле отдельные темные или серые точки, линии и пятна, которые могут представлять собой как не устраненные полировкой дефекты поверхности образца (раковины, поры, микротрещины, следы обработки – риски шлифования), так и неметаллические включения (оксиды, сульфиды, силикаты).

Для выявления полной картины микроструктуры металла образец подвергают травлению. Перед травлением поверхность микрошлифа обезжиривается спиртом, а затем погружается в травитель. Травителем в данном случае являлся 5%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте. При травлении реактив взаимодействует с различными участками поверхности микрошлифа неодинаково, что приводит к разной степени их травимости и образованию микрорельефа поверхности. Более протравившиеся фазы и зерна выглядят более темными в отличие от светлых, непротравившихся. Для проведения микроанализа мы использовали металлографические микроскопы, вертикальный МИМ-7 и горизонтальный МИМ-8, которые позволяют рассматривать структуру в отраженном свете.

Структура сварного шва определяется условиями охлаждения, влияю