Механизм разрушения сварных соединений ниобия и его сплавов при растяжении

Сварные соединения ниобия, полученные различными способами сварки, при статическом или циклическом нагружении в условиях высоких и низких температур разрушаются по зоне термического влияния (ЗТВ) в районе крупного рекристаллизованного зерна. На этом участке соединения в процессе сварки из-за возникновения временных напряжений развивается высокотемпературная пластическая деформация. Она повышает растворимость примесей внедрения - азота, кислорода и углерода - в ЗТВ и способствует разрушению соединений на этом участке. В связи с этим для выяснения причин, влияющих на разрушение, и установления его механизма важно исследовать процесс развития пластической деформации в ЗТВ сварных соединений ниобия и его сплавов.

Развитие процесса деформации изучают в высокотемпературной вакуумной установке непосредственным наблюдением за выявленными особенностями микрорельефа, возникающего на полированной поверхности образцов. Напряженно- деформированное состояние в ЗТВ на расстоянии 1,5 мм от границы сплавления - участок крупного зерна - моделируется нагревом образца из деформированного чистого ниобия марки НВЧ по термическим циклам, имеющим место в соединении на расстоянии 1,5 мм от границы сплавления при сварке ниобия толщиной 1 мм со скоростями 2,8 и 16,6 мм/с. Через каждые 100°C нагрева структура металла фотографируется. Образцы растягиваются при постоянной нагрузке, подбираемой таким образом, чтобы продольные напряжения в образцах соответствовали расчетным наибольшим напряжениям в зоне термического влияния на расстоянии 1,5 мм от границы сплавления. Процесс растяжения образца в координатах «нагрузка - удлинение» записывается на двухкоординатном самописце. Разрежение в камере составляет 133,3?10^-5 Па. Температуру образца измеряют вольфрам-рениевой термопарой. Исследуемая поверхность образцов готовится электролитической полировкой в растворе серной и плавиковой кислот. На установке исследовано также разрушение сварных образцов из чистого ниобия НВЧ и двух сплавов на его основе:

• 5ВМЦ системы ниобий - вольфрам (5%) - молибден (2%) - цирконий (1%) с твердорастворным упрочнением;
• НЦУ системы ниобий - цирконий (1 %) - углерод (0,1%) карбидоупрочненный дисперсионно-твердеющий.

Ниобий и его сплавы толщиной 1 мм используются в термически обработанном состоянии. Образцы свариваются в контролируемой атмосфере гелия вольфрамовым электродом при Vсв=2,8 и 16,6 мм/с (qп=1480 и 760 Дж/см соответственно).

Исследования структуры образцов при моделировании термодеформационного цикла в ЗТВ на расстоянии 1,5 мм от границы сплавления при Vсв=2,8 мм/с свидетельствуют, что при нагреве образца от комнатной температуры происходит рекристаллизация металла, заканчивающаяся при 1200°C. С повышением температуры нагрева до 1350°C идет собирательная рекристаллизация путем слияния более мелких зерен.

До температур рекристаллизации основной механизм пластической деформации - внутризеренное скольжение. В этой области температур у ниобия наблюдается деформационное старение, сопровождающееся ростом сопротивления деформации и снижением пластичности. Пик деформационного старения у ниобия имеет место при температуре около 500°C. Появление его, по-видимому, связано с взаимодействием дислокаций с атомами примесей внедрения, в частности углерода, который при 500°C имеет критическую скорость диффузии.

Начиная с температуры 1350°C (на 150°C выше температуры рекристаллизации), проявляется признак, характерный для высокотемпературных механизмов деформации - межзеренное проскальзывание.

Структура основного металла ниобия после деформации при температуре 1350°C (?100)

При 1350°C развиваются взаимное перемещение и разворот зерен относительно друг друга, а также происходят массовые сдвиговые процессы внутри зерен - множественное скольжение. По мере развития деформации резко усиливается скольжение по вторичным системам. Однако сдвиговые процессы выражены слабее, чем периферийные, и процесс деформации протекает главным образом по границам зерен. С повышением температуры трещины по границам зерен все больше раскрываются и, как следствие этого, при 1520°C имеет место межзеренное разрушение.

Структура основного металла ниобия после деформации при температуре 1520°C (?100)

Вплоть до температуры 1520°C резкое снижение пластичности испытуемого материала не наблюдается.

Изучение структуры в процессе моделирования термодеформационного цикла, характерного для сварки с Vсв=16,6 мм/с, показало, что механизм деформации аналогичен описанному для скорости сварки 2,8 мм/с. Образец в этом случае разрушается при более высокой температуре (около 1800°C).

Механизм разрушения, наблюдаемый при моделировании ЗТВ, подтвержден исследованием сварных соединений. Процессы пластической деформации наиболее интенсивно развиваются в ЗТВ сварного соединения - в районе крупного зерна у границы сплавления. Деформация литого металла шва выражена значительно слабее. Структура металла шва в результате вакуумного травления начинает проявляться при достижении 1200°C.

Структура металла сварного шва после деформации при температуре 1200°C (?100)

Четко видны границы зерен. С повышением температуры нагрева до 1400°C в зернах появляются отдельные линии скольжения, а затем развивается множественное скольжение. В пределах одного зерна они имеют определенную ориентацию.

Структура металла сварного шва после деформации при температуре 1400°C (?100)

При нагреве до 1500°C увеличивается число систем скольжения в зернах шва. Разрушение имеет место в указанной части зоны термического влияния ?_в=14 МПа. По-видимому, границы зерен литого металла шва более прочные, чем границы крупного зерна ЗТВ.

Образцы, полученные сваркой с более высокими скоростями, разрушаются при более высокой температуре (1850°C) и более высоких напряжениях ?_в=18 МПа, хотя механизм деформации аналогичен описанному для более низких скоростей сварки. Разрушение происходит в районе крупного зерна.

Разрушение сварных соединений при комнатной температуре носит также межзеренный характер и наблюдается в районе ЗТВ, а внутризеренная деформация развивается значительно в меньшей мере, чем при высоких температурах.

Структура металла ЗТВ после деформации при 20°C (?100)

Образцы, сваренные со скоростью 16,6 мм/с, характеризуются более высоким сопротивлением деформации в ЗТВ, чем соединения, выполненные со скоростью 2,8 мм/с.

Уменьшение склонности к межзеренному разрушению при комнатной и высоких температурах соединений сплава НВЧ, сваренных на повышенных скоростях сварки, объясняется в основном снижением пластической деформации их ЗТВ в этих условиях. Расчеты показывают, что в случае сварки ниобия при низких погонных энергиях пластическая деформация ЗТВ в два раза меньше, чем при высокой погонной энергии. Такое снижение пластической деформации оказывает влияние на состояние примесей внедрения по границам зерен на участке зоны термического влияния. Анализ распределения азота, кислорода, углерода, выполненный методами масс-спектралыюго исследования, показывает, что наибольшая их концентрация наблюдается в ЗТВ на расстоянии 1-2 мм от границы сплавления именно в тех местах, где разрушаются сварные соединения. Причем значения, полученные во время сварки со скоростью 16,6 мм/с, ниже (почти в два раза), чем при скорости сварки 2,8 мм/с. Это дает основание утверждать, что снижение пластической деформации в ЗТВ уменьшает содержание примесных атомов в твердом растворе на этом участке соединения, а также его склонность к межзеренному разрушению с повышением скорости сварки.

Сварные соединения ниобиевого сплава 5ВМЦ, полученные с Vсв=2,8 мм/с, при комнатной температуре и высокотемпературном нагреве разрушаются так же, как соединения чистого ниобия в участке крупного зерна у границы сплавления шва и зоны термического влияния. Процесс деформации развивается в основном по границам зерен. Внутризеренная деформация практически отсутствует во всех участках сварного соединения.

Структура сварного соединения сплава 5ВМЦ разрушеного по ЗТВ после деформации при 20°C (?125)

Структура границы сплавления шва и ЗТВ после деформации при 1900°C сплава 5ВМЦ (?125)

Связано это, вероятно, с тем, что наличие инородных атомов в решетке твердого раствора приводит к ее искажению и образованию полей упругих напряжений. Движение дислокаций в такой искаженной решетке затруднено по сравнению с чистым металлом вследствие увеличения сил трения, мешающих перемещению дислокаций.

Соединения, выполненные с Vсв=16,6 мм/с, разрушаются при более высоких напряжениях как при комнатной, так и при высоких температурах (?_в=480МПа при Т=20°C и ?_в=18 МПа при Т=2500°C против ?_в=450 МПа при Т=20°C и ?_в=9 МПа при Т=2100°C в случае Vсв=2,8 мм/с). При этом место разрушения сдвигается в область границы ЗТВ с основным металлом.

Особенности разрушения сварных соединений сплава 5ВМЦ связаны, как и в случае разрушения соединений чистого ниобия, с микронеоднородностью их сварных соединений.

Соединения карбидоупрочненного дисперсионно-твердеющего сплава ниобия НЦУ, сваренные с Vсв=2,8 и 16,6 мм/с, при комнатной температуре разрушаются по основному металлу.

Структура зоны разрушения сварного соединения сплава НЦУ (?125)

Деформация при растяжении сварного соединения до предела текучести протекает практически без возникновения видимых процессов скольжения и межзеренной деформации в шве и ЗТВ. При достижении предела текучести в основном металле наблюдается развитие межзеренной деформации, о которой свидетельствует смешение зерен в направлении действия растягивающих усилий. Внутризеренная деформация проявляется слабо в виде единичных полос скольжения.

В процессе термического цикла сварки сплава НЦУ в сварном шве и прилегающих к нему участках выделяются карбиды на основе ниобия Nb₃C₂, Nb₂C, NbC, ZrC. Эти выделения пластинчатой формы располагаются как в теле зерна, так и на его границах.

Структура металла шва сварного соединения сплава НЦУ (?125)

Каждая из частиц карбидов является барьером для движущихся дислокаций и, по-видимому, тормозит сдвиговые процессы в зерне. Выделения частиц по границам значительно уменьшает также возможность протекания межзеренной деформации в шве и зоне термического влияния.

В процессе высокотемпературных испытаниях (?_в=9,2 МПа при T=2000°C в случае Vсв=2,8 мм/с и ?_в=10 МПа при Т=2200°C в случае Vсв=16,6 мм/с) разрушение происходит по границам зерен в участке крупного зерна ЗТВ соединений, выполненных при Vсв=2,8 мм/с, и сдвигается в область основного металла в соединениях, полученных при Vсв=16,6 мм/с.

Структура зоны термического влияния после деформации сварного соединения сплава НЦУ (?125)

Анализ фазовых равновесий в сварном шве на сплаве НЦУ показывает, что при высоких температурах (Т=1800°C) состав сплава находится в области твердого раствора. Границы зерен и тело зерна очищаются от карбидной фазы, и сварное соединение деформируется по описанному механизму деформации соединения чистого металла, когда микронеоднородность последнего и явления, ее вызывающие, представляют собой главный фактор, способствующий разрушению.

Таким образом, наиболее слабым местом сварных соединений нелегированного ниобия и его сплавов при одноосном растяжении является участок крупного зерна ЗТВ. В общую деформацию ЗТВ основной вклад вносит деформация по границам зерен, которая приводит к межзеренному разрушению. При сварке ниобия и его сплавов на низких погонных энергиях увеличивается прочность сварных соединений, уменьшается склонность к межзеренному разрушению зоны термического влияния и в ряде случаев зона разрушения смещается в область основного металла.