2.3. Трещиностойкость
Термическая обработка уменьшает опасность хрупкого разрушения сварных конструкций за счет повышения вязкости и пластичности разных зон соединений и снижения остаточных сварочных напряжений при отпуске (или нормализации с отпуском). Одновременно с этим обеспечивается удаление водорода из металла шва и околошовной зоны и тем самым повышается стойкость сварных соединений против образования холодных трещин. В отдельных случаях перед термической обработкой назначают промежуточную операцию отдыха (низкотемпературный отпуск) в диапазоне 100— 300° С для уменьшения напряженного состояния, неравновесности структур и удаления водорода. Режим такого отдыха определяется с учетом состава стали (эквивалентного содержания углерода — Сэ), жесткости конструкции и типа сварочных материалов. Рекомендуемые [1] режимы отдыха направлены на борьбу с холодными трещинами в сварных соединениях низколегированных сталей (рис. 2.12).
Для предупреждения образования холодных трещин регламентируется промежуточный отдых при 100—150°С для сварных соединений высокохромистой стали 15Х11В2МФ паропроводов ТЭС [17, 18] и отдых при 150—250° С для соединений конструкционной стали 10ГН2МФА трубопроводов АЭС [7].
Высокий отпуск при 550—650°С снимает остаточные сварочные напряжения и устраняет вредный эффект деформационного старения сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей, особенно в местах повышенной деформации металла у концентраторов — в корневой части многослойных швов и ЗТВ, нагретых при сварке в диапазоне 200—400° С. Так, по данным [36] к моменту достижения температуры 550—600° С напряжения снижаются на 70—80 и по результатам [30] после отпуска 550—580°С (выдержка 1 ч) и 650—680° С (выдержка 1 ч) обеспечивается высокая трещиностойкость зон сварных соединений трубопроводов из стали 15ГС.
Режимы высокого отпуска, как правило, существенно влияют на повышение вязкости зон соединения. Это в первую очередь относится к термически упрочненным легированным сталям. Так, подъем температуры отпуска с 580 до 650°С и увеличение продолжительности выдержки с 1 до 5—15 ч значительно повышают трещиностойкость околошовной зоны стали 15Х2НМФА (рис. 2.13). Наибольшее охрупчивание околошовной зоны наблюдается после отпуска 550—600°С с выдержкой 1—3 ч [37]. Оптимальным в связи с этим для сварных конструкций из стали 15Х2НМФА и 10ГН2МФА является отпуск при 640—680°С (табл. 1.5).
На сопротивляемость хрупкому разрушению большое влияние может оказывать исходное перед сваркой состояние стали. Особенно это важно учитывать при ремонте конструкций с помощью сварки. Ремонт барабанов из конструкционной низколегированной стали в ФРГ методом заварки выборок дефектных участков без последующей термической обработки и с проведением отпуска не позволил получить обнадеживающих результатов [I].
Отремонтированные барабаны разрушались в условиях статического нагружения при гидроиспытаниях в момент, когда растягивающие напряжения от нагрузки (σн) в стенке сосуда были ниже предела текучести металла и составляли (0,3—0,6)σ0,2 (рис. 2.14).
Наиболее эффективной мерой повышения стойкости против хрупкого разрушения явилось проведение предварительной полной термической обработки барабана до сварки (нормализация при 900°С с отпуском при 620°С) с последующим отпуском после сварки при 600°С. Этот вариант технологии повысил уровень разрушающих напряжений до предела текучести стали (σн, σ0,2) 6е3 заметных следов хрупкого разрушения сосуда.
Выбор технологии ремонта периодически возникает и в отечественной практике. Важно при этом до начала сварочных работ оценить предрасположенность материала к хрупкому разрушению. Высокой чувствительностью к повреждению характеризуется сталь при σ0,2 / σВ = 0,9, где σ0,2 и σВ — пределы текучести и прочности соответственно. В этом случае до сварки ремонтируемое изделие необходимо подвергнуть нормализации с отпуском для повышения пластичности стали. Следует иметь в виду, что правилами Госгортехнадзора СССР не разрешается для деталей котлов применение материалов, у которых σ0,2 / σВ >0,6 для углеродистых и более 0,7 для легированных сталей [38].
Режимы высокого отпуска соединений влияют на сопротивляемость сварных конструкций против хрупкого разрушения при ударных и статических нагрузках в широком диапазоне температур, в том числе на показатели хладостойкости и жаропрочности (рис. 2.3—2.8). Высокий отпуск сводит к минимуму вероятность хрупкого повреждения сварных соединений теплоустойчивой хромомолибденованадиевой стали при монтаже и эксплуатации паропроводов из-за дисперсионного охрупчивания отдельных зон соединений при повторном нагреве. При оптимальном режиме высокого отпуска процессы дисперсионного твердения и разупрочнения реализуются в процессе термической обработки, что можно видеть на примере кинетики изменения твердости шва типа 09Х1МФ при нагреве (см. рис. 1.7).
Сравнительные испытания образцов с надрезом при 20°С [26,33] указывают на положительное влияние продолжительности выдержки при отпуске на сопротивляемость хрупкому разрушению швов типов 09Х1М и 09Х1МФ в условиях статического изгиба (рис. 2.15). Из графика также следует, что применение менее легированного шва по отношению к свариваемой стали в отдельных случаях может служить эффективной мерой для создания сварных конструкций высокой стойкости против хрупкого разрушения [26,33].
Аустенизация в заметной степени устраняет чувствительность зон сварных соединений к хрупкому разрушению. При этом режимы термической обработки назначают с учетом своевременного предупреждения дисперсионного охрупчивания металла при повторном нагреве (см. рис. 2.1,а).