Stale bainityczne do zastosowań w infrastrukturze kolejowej

Warunki przeprowadzenia badania struktury

Proces spawania przeprowadzono w warunkach przemysłowych z pomocą przedsiębiorstwa Leonhard Weiss LWZ w Żórawinie. Parametry procesu zostały przedstawione w poprzedniej pracy [21]. Pierwszym etapem ewaluacji połączenia spawanego była ocena rozkładu twardości (rys. 2).

Twardość materiału rodzimego (BM) wynosiła około 380 HV10. W podstrefie HTHAZ 1 stwierdzono wzrost twardości (do 399 HV10) w stosunku do materiału rodzimego. Zaobserwowano również niewielki spadek twardości w zgrzeinie (315-325 HV10) w stosunku do materiału rodzimego. Najniższą twardość (w zakresie 270-300 HV10) zidentyfikowano na granicy obszarów HTHAZ 2 i LTHAZ 3 (269-302 HV10). W obszarze LTHAZ 4 twardość stopniowo powracała do wartości twardości materiału rodzimego. Spawalnicze naprężenia własne odgrywają istotną rolę w kontekście oczekiwanych właściwości mechanicznych, a także trwałości elementów konstrukcyjnych poddanych procesom łączenia. Powszechnie wiadomo, że ściskające naprężenia własne zwiększają, a rozciągające naprężenia własne zmniejszają wytrzymałość zmęczeniową. Badana stal charakteryzowała się typowym dla połączeń spawanych/zgrzewanych rozkładem naprężeń własnych (rys. 3).

Analiza zmian struktury

Maksymalne zmierzone za pomocą metody rentgenowskiej naprężenia rozciągające wynosiły około 340 MPa i występowały w podstrefie HHAZ. Wartość tych naprężeń nie przekroczyła natomiast połowy granicy plastyczności materiału rodzimego (780 MPa). W strefie LHAZ zidentyfikowano naprężenia ściskające (ok. -90 MPa), które były wyższe niż w materiale rodzimym (ok. -20 MPa). Niewielkie naprężenia ściskające w materiale rodzimym są związane z przemianą bainityczną zachodzącą podczas procesu wytwarzania (ciągłego chłodzenia po walcowaniu na gorąco).

Analiza zmian strukturalnych została przeprowadzona z wykorzystaniem metod mikroskopii elektronowej (rys. 4) w wybranych podstrefach: zgrzeina, HTHAZ 1, LTHAZ 3, a także materiał rodzimy. Szczegółowy opis zmian strukturalnych przedstawiono w pracach [21, 22]. Struktury porównywano do materiału rodzimego (rys. 4j-l). Podstawową różnicą w obszarze zgrzeiny (rys. 4a-c) był niższy stopień rozdrobnienia składników struktury, scharakteryzowany poprzez większą grubość listew ferrytu bainitycznego, jak również większą ilość austenitu blokowego. Struktura w obszarze HTHAZ 2 składała się również z ferrytu bainitycznego, przedeutektoidalnego ferrytu i składnika M/A. Blokowy austenit szczątkowy uległ rozdrobnieniu (rys. 4d-f) w odniesieniu do obszaru zgrzeiny. W regionie LTHAZ 3 ujawniono zdegradowaną strukturę bainityczną w postaci wydzieleń węglikowych umiejscowionych wewnątrz, a także na granicach listew ferrytu bainitycznego. W tej podstrefie temperatura nie przekraczała Ac1, ale ze względu na występujący rozpad austenitu szczątkowego była ona stosunkowo wysoka (prawdopodobnie powyżej 500°C) – rys. 4g-i.

Wyniki badań struktury stali

Na podstawie badań strukturalnych krytyczną podstrefą połączenia zgrzewanego była podstrefa LTHAZ, w której wystąpiła degradacja struktury bainitycznej. W celu identyfikacji mechanizmów rozpadu i ich produktów wykonano obserwacje z wykorzystaniem konwencjonalnej oraz wysokorozdzielczej metody TEM. Zaobserwowano obecność wydzieleń cementytu, które zwykle występowały na granicach listew ferrytu bainitycznego. Wskazuje to, że warstwowy austenit szczątkowy uległ rozpadowi jako pierwszy. W analizowanej strefie LTHAZ zidentyfikowano również inne produkty rozpadu. Wewnątrz listew ferrytu bainitycznego zaobserwowano wydzielenia węglików o zróżnicowanym kształcie, a także wymiarach (rys. 5a). Niektóre ze zmierzonych wydzieleń węglikowych przekraczały 300 nm.

Galeria

Zobacz więcej