PHASE FORMATION FEATURES AND Nb, Mo AND Ti INTERACTIONS WITH STEELS DURING PLASTIC DEFORMATION

Abstract


The purpose of research - to improve the quality of welded joints based on refractory metals. Experiments were carried out on 10 mm diameter cylinder samples 10 mm in height, made of pure metal. Saturation of the samples used as the carbon source, carried out in solid carburizer BaCO 3, further comprising radioactive 14C, at 1253 K for 2 hours. Deformation process was realized with the help of impact falling load up to two pre-heated samples. Penetration of Metals atoms into steel and refractory metals were fixed using radioactive isotopes 44Ti, 55Fe, 95Nb, 63Ni. The results of experimental researches for phase formation and interactions of metals with steel under plastic deformation with deformation velocity 250 s -1 are presented. It is shown that during plastic deformation with pulse welding metals with refractory steels there are milliseconds partial decomposition of cementite steel and redistribution of carbon in solid solution. It was found that carbides formed niobium, molybdenum and titanium under pulsed exposure, have different morphology. The solid solution of carbon in metals uniformly distributed in the plane parallel to the surface, while the interstitial phase are located near the grain and interphase boundaries.

Full Text

Импульсная сварка металлов и сплавов в конденсированном состоянии в последние годы находит всё более широкое применение в промышленности. Это связано, прежде всего, с сокращением длительности процессов обработки, и, следовательно, с существенным снижением энергетических затрат. Однако не менее важным является факт возрастания при этом скоростей взаимной диффузии атомов, который позволяет создавать «развитую» диффузионную зону [1-3]. Серьезное влияние на качество сварного соединения при указанном виде обработки оказывает формирование и изменение различных видов фаз в зоне контакта, в особенности твердых растворов и фаз внедрения [4, 5]. Цель исследования - улучшить качество сварных соединений на основе тугоплавких металлов. Задачи исследований - изучить особенности карбидообразования ниобия, молибдена и титана при взаимодействии их со сталью в условиях пластической деформации. Материалы и методы исследований. Процесс деформирования осуществлялся ударом падающего груза по двум образцам, предварительно нагретым до определенной температуры. Насыщение образцов, используемых в качестве источника углерода, проводилось в твердом карбюризаторе BaCO3, содержащем дополнительно радиоактивный углерод 14С, в течение 2 ч при температуре 1253 К. Приповерхностный слой образца толщиной порядка 10 мкм состоял из твердого раствора углерода в железе и карбида железа. Для «меченых» атомов металлов применялись гальванические покрытия, а также введение их в расплавленный металл. Проникновение атомов металлов в сталь и тугоплавкие металлы фиксировалось с помощью радиоактивных изотопов 44Ti, 55Fe, 95Nb, 63Ni. Чтобы исключить влияние исходного распределения углерода, а также его перераспределение при остывании на последующие процессы миграции под действием пластической деформации [6], эксперименты проводились на образцах, изготовленных из чистого металла, которые имели контакты с науглероженными образцами исключительно в момент деформации. Результаты исследований. Результаты проведенных экспериментов показали, что при взаимодействии малоуглеродистой стали Ст.3 с ниобием со скоростью деформации 250 с-1 в зоне контакта и на некотором расстоянии от нее образуются твердые растворы железа в ниобии, ниобия и углерода в железе, а также появляются карбиды ниобия Nb2C и в небольшом количестве NbС. Так как в ниобии до деформации углерод отсутствовал, то его источником являлся частичный распад цементита и твердого раствора углерода в железе, которые содержались в стали. Причем, «следы» твердого раствора углерода в ниобии фиксировались только в зоне контакта. Это позволило сделать вывод, что углерод, поступающий в ниобий, связывался в карбиды и практически не проникал внутрь металла. С помощью радиоактивных изотопов, находящихся перед деформацией на поверхности стали или введенных в сталь в плавке, были изучены особенности фазообразования при взаимодействии различных элементов с ниобием. Из анализа авторадиограмм (рис. 1) следует, что ниобий и углерод формировали карбиды одинаковой морфологии. При этом атомы железа частично создавали свои карбиды, а частично встраивались в карбиды ниобия. Для атомов никеля было характерно равномерное распределение в ниобии, по-видимому, в качестве твердого раствора замещения никеля в ниобии или сложного раствора железа, никеля и углерода в ниобии. По мере удаления от поверхности образца атомы углерода 14С практически не фиксировались, а атомы исследуемых металлов располагались равномерно по параллельной поверхности плоскости образца. Рис. 1. Типичные авторадиограммы распределения на поверхности ниобия: ниобия 95Nb (а), углерода 14C (б), железа 55Fe (в), х 3400 При взаимодействии стали марки Ст. 3, меченой по углероду, с молибденом при пластической деформации со скоростью 250 с-1, содержание углерода составило 1% от его содержания в карбиде молибдена. Количество углерода и железа, а также их распределение в молибдене существенно различалось. Железо находилось преимущественно в твердом растворе, хотя отмечалось присутствие и некоторой доли карбидов. По мере удаления от поверхности образца концентрация углерода резко уменьшалась, в то же время глубина проникновения железа распространялась далее на 10 мкм. Следует отметить, что в любых случаях проведения экспериментов, наличие атомов железа не оказывало влияние на взаимодействие молибдена с углеродом. Возможно, наблюдаемый эффект связан с различием в скоростях миграции атомов углерода и железа [7]. При изучении возникающих изменений фазового состава по глубине зоны массопереноса углерода и молибдена было установлено (рис. 2), что в диффузионной зоне имели место два максимума концентрации углерода. Один из них был связан с наличием в зоне контакта карбида молибдена, а другой был связан с карбидом железа и находился на некотором расстоянии, которое существенно зависело как от скорости, так и от температуры пластической деформации. Рис. 2. Перераспределение предварительно введенного углерода 14С (1) при взаимодействии железа с молибденом при 1373 К и 20 с-1 (2) Подобный результат имел место при взаимодействии стали марки Ст. 3 с титаном при пластической деформации со скоростью от 20 до 100 с-1. В зоне контакта малоуглеродистой стали и титана, которая содержала радиоактивный изотоп углерода 14С, возникал слой карбидов титана с ГЦК решеткой и нарушенной стехиометрией (рис. 3). Причем, как и в случае с молибденом, толщина слоя существенно зависела от температуры и скорости пластической деформации. С помощью рентгеноструктурного анализа было установлено, что указанные характеристики пластической деформации оказывали влияние также на содержание углерода в карбиде титана и твердом растворе титана, куда с большой скоростью вместе с углеродом мигрировали и атомы железа. Следовательно, в отличие от взаимодействия металлов, при котором наблюдалась их взаимная растворимость, атомы углерода формировали также фазы внедрения. Рис. 3. Микроструктуры неразъемного соединения сталь-титан, ×200 (а) и железо-титан, ×400 (б) В случае наличия прослойки между сталью и тугоплавким металлом в виде медной фольги толщиной 100 мкм проникновение углерода в металл не фиксировалось (рис. 4), карбиды формировались лишь в стали. Однако атомы железа регистрировались и в ниобии, и в молибдене, и в титане на глубинах до 100 мкм. При введении прослоек из железа или никеля в зону контакта между сталью и тугоплавким металлом наблюдалось замедление процесса проникновения углерода, а также уменьшение его концентрации в приповерхностных слоях молибдена и ниобия. Этот факт можно объяснить тем, что подвижность атомов углерода в металле прослойки в 4-9 раз меньше, чем у атомов железа. Рис. 4. Распределение изотопа 14С в стали и ниобии при помещении между ними медной прослойки до (а) и после (б) деформации (Т =1073 K; = 25 c-1) Следует отметить, что в зоне контакта прослойки с тугоплавким металлом карбиды не возникали, а в самой прослойке фиксировались пересыщенные твердые растворы углерода. Причем максимальная концентрация углерода в растворе соответствовала значению концентрации в приповерхностных слоях стали. Заключение. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1) в процессе импульсной пластической деформации при сварке тугоплавких металлов со сталями за миллисекунды происходит частичный распад цементита стали и перераспределение углерода в твердом растворе; 2) в ходе импульсной пластической деформации, высвободившиеся из стали атомы углерода диффундируют в ниобий, молибден, титан и образуют карбиды металлов, которые имеют неправильную форму и отличаются своей морфологией; 3) твердые растворы углерода в металлах распределены равномерно в плоскости, параллельной поверхности, в то же время фазы внедрения располагаются вблизи межзеренных и межфазных границ, при этом концентрация растворенного углерода убывает с глубиной по экспоненциальному закону.

About the authors

T F Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: tmironova51@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist»

T V Mironova

FSBEI HVE Samara SAA

Email: mirt_777@mail.ru
446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str
cand. of physical and mathematical sciences, associate prof. of the department «Physicist»

References

  1. Мазанко, В. Ф. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций : в 2 т. Т. 2 / В. Ф. Мазанко, А. В. Покоев, В. М. Миронов [и др.]. - М. : Машиностроение, 2006. - 320 с.
  2. Петушков, В. Г. Применение взрыва в сварочной технике. - Киев : Наукова думка, 2005. - 754 с.
  3. Лащенко, Г. И. Способы дуговой сварки стали плавящимся электродом. - Киев : Экотехнология, 2006. - 384 с.
  4. Харченко, Г. К. Изготовление переходников нержавеющая сталь-алюминий способом сварки давлением в вакууме / Г. К. Харченко, Ю. В. Фальченко, В. Е. Федорчук [и др.] // Автоматическая сварка. - 2012. - №1. - С. 30-32.
  5. Неклюдов, И. М. Особенности формирования соединения разнородных металлов при сварке горячей прокаткой в вакууме / И. М. Неклюдов, Б. В. Борц, В. И. Ткаченко // Автоматическая сварка. - 2011. - №8. - С. 31-37.
  6. Бобырь, С. В. Анализ процесса графитизации в железоуглеродистых сплавах на основе термодинамики необратимых процессов // Металлофизика и новейшие технологии. - 2013. - Т. 35, вып. 2. - С. 199-208.
  7. Панин, А. В. Особенности пластической деформации и разрушения технического титана и малоуглеродистой стали, подвергнутых ультразвуковой обработке // Физика металлов и металловедение. - 2004. - Т. 98, №1. - С. 109-118.

Statistics

Views

Abstract - 33

PDF (Russian) - 8

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2014 Mironova T.F., Mironova T.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies