2.2. Жаропрочность и усталостная прочность

Жаропрочность — способность металла или сварного соединения длительно воспринимать заданную нагрузку в условиях ползучести металла без разрушения. При высоких температурах изменения структуры и свойств зон сварного соединения происходят заметнее, чем при нормальной температуре. Поэтому одной из основных задач термической обработки является обеспечение перехода отдельных зон соединения в стабильно-структурное состояние путем устранения отрицательных последствий термодеформационного цикла сварки. В целом от этого повышается жаропрочность сварного соединения.

Термическая обработка проводится для повышения длительной пластичности металла сварного шва и ЗТВ, уменьшения опасности локальных разрушений и снижения структурной и механической неоднородности сварного соединения, а также сведения к минимуму высокотемпературного охрупчивания и связанных с этим повреждений сварных изделий при сооружении и эксплуатации энергетических установок

Неоднородность свойств по зонам оказывает влияние на жаропрочность сварных соединений. В свою очередь, неоднородность определяется различием состава и структуры металла, а также режимами термической обработки. Так, для сварных соединений хромомолибденованадиевой стали (12Х1МФ, 15Х1М1Ф) характерным следует считать различия в степени легирования между швом 09Х1МФ и основным металлом по содержанию углерода, молибдена и хрома (шов менее легирован). Это создает условия разупрочнения шва по сравнению с основным металлом при длительном нагружении в условиях ползучести (выше 500° С). Степень снижения жаропрочности зависит от термической обработки (рис. 2.7).

В начальный период высоконапряженных условий нагружения, когда разрушение металла носит внутризеренный характер, жаропрочность шва может оказаться выше, чем свариваемой стали. Однако при более продолжительном нагружении, когда реализуются условия межзеренного разрушения, что наиболее характерно для длительной работы металла в эксплуатации, жаропрочность шва становится ниже уровня этой характеристики стали. Наиболее контрастно это наблюдается на длительной прочности термически необработанного шва, поскольку в исходном состоянии его структура нестабильна. Для отпущенного шва процесс снижения длительной прочности более умеренный. Нормализация с отпуском обеспечивает перекристаллизацию структуры и перевод ее в стабильное состояние. С учетом различия в легировании длительная прочность такого шва ниже, чем стали, в течение длительной эксплуатации. Коэффициент прочности шва составляет 0,7—0,8 и зависит от указанных выше факторов, а также определяется технологией сварки, температурой эксплуатации и исходной прочности стали.

Теплоустойчивая хромомолибденованадиевая сталь относится к термически упрочняемому материалу. Уровень ее прочности зависит от температуры отпуска. В свою очередь, это отражается на жаропрочности сварного соединения. Исследования и анализ повреждений показывают, что слабым участком таких соединений может служить ЗТВ.

Развитие повреждений происходит по околошовной зоне или мягкой прослойке ЗТВ, которая при сварке нагревалась в межкритическом интервале температур А_с1 — А_с3. Трещины межкристаллитного характера в этих прослойках вызывают с течением времени хрупкое разрушение сварного соединения. Склонность к такого рода локальному повреждению проявляется на переломе графиков длительной прочности и пластичности (рис. 2.8).

Повреждения могут происходить и по шву в случае его разупрочнения. С повышением исходной прочности стали опасность преждевременного разрушения сварного соединения возрастает. Степень разупрочнения мягкой прослойки в ЗТВ усиливается с повышением прочностных свойств стали и увеличением продолжительности термической обработки (рис. 2.9).

Отпуск 720—750° С снижает прочность основного металла и тем самым уменьшает различие свойств мягкой прослойки и свариваемой стали, повышает длительную пластичность металла шва и околошовной зоны за счет завершения процессов выделения и коагуляции дисперсных карбидов, что способствует повышению жаропрочности сварного соединения. При этом стабилизируется уровень твердости зон соединения при высокой температуре во времени (рис. 2.2). Рекомендуемые за рубежом режимы отпуска 680—700° С не гарантируют отсутствия хрупких разрушений сварных соединений паропроводов из хромомолибденованадиевых сталей [I].

Термическая обработка по режиму аустенизации жаропрочных сталей композиции 18% хрома и 8—12% никеля заметно повышает длительную пластичность по зонам сварного соединения, что положительно влияет на их стойкость против локальных повреждений в околошовной зоне. Однако полностью склонность к такого рода повреждениям не снимается, и требуются дополнительные меры технологического и металлургического плана для решения этой проблемы. Жаропрочность после аустенизации может снизиться из-за разупрочнения металла шва.

Усталостная прочность оценивается комплексом свойств, в том числе характеристиками циклической и малоцикловой усталости. Для сварных соединений трубопроводов энергетических установок характерными являются условия малоциклового нагружения в периоды пусков — остановов энергоблоков, при которых уровень временного нагружения сварных конструкций может быть очень высоким и достигать условно (2—3) стали с относительно малым числом циклических нагружений (до циклов) при разных температурах.

Вероятность возникновения в сварных соединениях трещин малоцикловой усталости на базе 10²—10⁴ циклов возрастает с повышением степени механической неоднородности отдельных зон. Высокий отпуск снижает эту неоднородность и тем самым способствует повышению малоцикловой, выносливости сварных соединений. Это общее положение. Однако влияние послесварочного отпуска в конкретных случаях может быть различным и зависит от характера циклического нагружения, состава стали, типа конструкции, технологии сварки.

Для условий работы конструкции при малом числе нагружений и большом размахе напряжений разрушение из-за малоцикловой усталости зависит от пластических свойств металла, однако в области больших долговечностей (свыше 10³ циклов) решающее значение на выносливость оказывает прочность.

Поскольку термическая обработка приводит к повышению пластичности и некоторому снижению прочности металла, сопротивление малоцикловой усталости большого числа материалов в различных термических состояниях практически не изменяется на базе нагружения 10²—10⁵ циклов [31]. Это относится, например, к циклической прочности сталей 22К и 12Х1МФ в диапазоне 10²— 10⁴ циклов и к швам (электроды Э42А). Так, швы (электроды Э42А), выполненные ручной дуговой и автоматической дуговой сваркой под флюсом, характеризуются близким сопротивлением малоцикловому разрушению в разных термических состояниях, в том числе после высокого отпуска, закалки с высоким отпуском, нормализации с высоким отпуском и без термической обработки.

В [32] указывается на идентичность циклической прочности мест приварки штуцеров Ø32×6 мм (угловые швы 09Х1МФ без термической обработки и после высокого отпуска) к коллекторам Ø273×36 мм из хромомолибденованадиевой стали, эксплуатируемых в условиях циклического нагружения. В противоположность этому в [31] отмечается благоприятное влияние отпуска на выносливость швов (электроды Э50А). Из этого следует, что режимы отпуска и вообще термическая обработка могут оказывать различное влияние.

По [33] увеличение продолжительности отпуска с 1 до 3 ч при 730° С снижает выносливость сварных швов типа 09Х1МФ и 09Х1М в условиях 570° С и мягкого нагружения при пульсирующем изгибе (рис. 2.10).

Следует, однако, учитывать, что пластическая деформация швов при испытании уменьшалась прямо пропорционально сокращению режима отпуска и разрушение термически необработанных швов типа 09Х1МФ носило хрупкий бездеформационный характер.

С другой стороны по результатам [34] снижение температуры отпуска с 650—680° С до 550—580° С сохраняет циклическую прочность сварных соединений стали 15ГС со швом Э50А в условиях жесткого нагружения на симметричный изгиб образцов с надрезом при 270° С (рис. 2.11). Последующее старение 270° С, ч сохраняет близость циклической прочности сварных соединений, подвергнутых разным режимам отпуска.

Таким образом, термическая обработка способствует улучшению работоспособности сварных соединений, в первую очередь, повышая их жаропрочность путем снижения чувствительности к локальному разрушению (повышает длительную пластичность зон соединения), и оказывает различное влияние на циклическую прочность, в целом улучшая стойкость против малоцикловой усталости сварных соединений, подвергаемых оптимальному отпуску.