Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2023, T. 511, № 1, стр. 83-86

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Материалами исследования служили среднеуглеродистые стали 32Г2 и 40ХН. Трубные заготовки (диаметром 63.5 мм и толщиной стенки 4.5 мм) из указанных сталей были соединены на сварочном оборудовании Thompson-60.

Измерения ориентировок кристаллитов α'- и γ-фаз в сварных соединениях проводили с помощью электронной микроскопии и анализа EBSD (Electron Back-Scattering Diffraction). Анализ проводился на растровом электронном микроскопе ThermoScience Scios 2 LoVac с приставкой Oxford Instrument Symmetry EBSD Detector с использованием программного комплекса AZtec. Параметры микроскопа в момент съемки были следующие: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток зонда 410 нА. Шаг сканирования 0.1 мкм. Погрешность определения ориентации кристаллической решетки – не более ±1° (в среднем ±0.6°).

Межкристаллитные границы строились на ориентационных картах при разориентациях 8°. Анализ границ решетки совпадающих узлов (РСУ) между отдельными зернами осуществляли построением их на ориентационных картах с учетом заложенного в программное обеспечение стандартного критерия Брендона ±ΔΘ. Для каждой границы он составляет конкретную величину: ΔΘ = 15°/(Σn)^1/2, где Σn – количество совпадающих узлов в элементарной ячейке, образующейся при наложении трехмерных кристаллических решеток.

В качестве действующих ориентационных соотношений (ОС) при обработке полученных ориентационных карт использовались ОС Курдюмова–Закса (К–З): (111)γ||(110)α', [–101]γ||[–1–11]α' [10].

Исследование тонкой структуры в зоне сварного стыка проводили методом просвечивающей электронной микроскопии с использованием микроскопа Tecnai G²30 Twin с системой GATAN EELS, оснащенного энергодисперсионным спектрометром EDAX для элементного анализа и другими приставками, при ускоряющем напряжении 300 кВ. В необходимых случаях использовали темнопольный и микродифракционный анализ.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

При металлографическом изучении структуры сварного соединения, включающего измерения микротвердости поперек области шва, были выявлены зоны: сварного стыка, термомеханического влияния и основного металла (рис. 1). В зоне сварного стыка зафиксировано существенное повышение микротвердости, которое обусловлено образованием мартенсита при прохождении сдвигового γ-α-превращения. При этом в мартенсите было зафиксировано образование однокомпонентной текстуры [11].

Рис. 1.

Панорамное изображение микроструктуры сварного соединения сталей 32Г2 и 40ХН с распределением микротвердости по протяженности ЗТМВ (штриховыми линиями помечены границы ЗТМВ).

Анализ микроструктурных характеристик методом EBSD области сварного стыка (рис. 2а) показал, что спектры межзеренных (межкристаллитных) границ соответствовали мартенситной структуре: все высокоугловые границы сосредоточены в углах разориентации от 49° до 60° (рис. 2б); в спектрах специальных границ преимущественно фиксировали границы решетки совпадающих узлов – Σ3, Σ11, Σ25b, Σ33с и Σ41с (рис. 2в). В работе [12] показано, что появление данного спектра является результатом сдвигового фазового превращения в соответствии с ОС промежуточными между ОС К–З и ОС Нишиямы–Вассермана, которые реализуются в сталях.

Рис. 2.

Микроструктурные характеристики стали 40ХН в зоне сварного шва, полученные методом EBSD: а – ориентационная карта с нанесением межкристаллитных границ α(α')-фазы (белый цвет) и указанием мест выделения γ-фазы (серый цвет, величина выделений увеличена для наглядности за счет толщины межфазных границ); б – спектр разориентаций межкристаллитных границ α'-фазы; в – спектр РСУ-границ в α'-фазе; г – спектр угловых отклонений межфазных α'-γ-границ от ОС К-З.

Проведенный ориентационный межфазный анализ (рис. 2г) показал, что очень малая часть γ‑фазы находится с кристаллитами α'-фазы в ОС, близких к ОС К-З (максимум около 5°). При этом в спектре угловых отклонений межфазных границ от ОС присутствуют выраженные максимумы на углах, близких к 12.0 (очень слабый), 19.5, 28.5, 32.5 и 42.0° (рис. 2г). Также важно подчеркнуть, что спектр отклонений от ОС К-З является дискретным.

Вид спектра угловых отклонений межфазных α'-γ-границ от ОС К-З может быть объяснен в предположении, что частицы γ-фазы не являются остаточным (сохраненным) при полиморфном превращении аустенитом, а являются вторичными образованиями в соответствии с ОС К-З из кристаллов α'-фазы, сформировавшихся при фазовом γ → α'-превращении. Для проверки предположения по методикам, аналогичным описанным в [8], рассчитывались все возможные ориентации γ- и α'-фаз, образующиеся в результате превращения γ (1 ориентация) → α' (24 ориентации в соответствии с ОС К-З) → γ₂ (24 × 24 ориентации в соответствии с ОС К-З). Затем анализировались все возможные разориентации между всеми ориентациями α'- и γ₂-фаз.

Расчет показал, что экспериментально полученные отклонения от ОС на углах, близких к 12.0, 19.5, 28.5 и 32.5° в пределах ±2°, также соответствуют ОС К-З. Такие углы разориентации должны наблюдаться между α′-зернами, образовавшимися при прямом γ → α'-превращении, и кристаллами γ-фазы, выделяющимися при обратном α' → γ₂-превращении. Другими словами, эти разориентации не являются какими-то новыми ОС, а являются кристаллографическими эквивалентами ОС К-З. При этом основное количество аустенита оказывается не остаточным, а вновь выделенным (или вторичным).

Электронно-микроскопическое исследование области сварного шва (рис. 3) также показало, что его основной структурной составляющей является мартенсит (α'). Толщина реек α' составляет от 0.2 до 0.5 мкм. Между мартенситными рейками расположены прослойки γ-фазы (темнопольное изображение, рис. 3б). Как показано в работе [13], при наличии остаточного аустенита между γ- и α'-фазами должны реализоваться ОС К-З. Однако было установлено, что основное количество γ-фазы отклонено примерно на 20°–30° от идеальных ОС К-З. Проведенный электронно-микроскопический анализ показал, что между кристаллами α-фазы и аустенитом наблюдаются ОС, близкие к ОС Бейна: (001)_γ || (001)_α′, [100]_γ || [–110]_α'.

Рис. 3.

Реечный мартенсит в структуре сварного стыка: а – светлопольное изображение; б – темнопольное изображение в рефлексе (002)_γ; в – электронограмма.

Следует отметить, что отклонение на углы 10°–20° от идеальных ОС К-З почти точно соответствует ОС Бейна, а отклонения на 20°–30° являются более близкими к ОС Бейна, чем к ОС К-З. Важно отметить, что наблюдающиеся кристаллы γ-фазы, по-видимому, не являются восстановленным аустенитом, от последних они отличаются морфологически.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методами просвечивающей электронной микроскопии и EBSD-анализа впервые изучено структурно-текстурное состояние сварного стыка при ротационной сварке трением в среднеуглеродистых сталях. Показано, что в структуре сварного шва сформировался мартенсит с прослойками γ-фазы, основная часть которого образовалась в результате γ → α' → γ₂ превращения и представляет собой вторичный аустенит.