12.3 Дефекты сварного шва, зависящие от структуры

свариваемого металла

С увеличением степени легированности свариваемых сталей, особенно химическими элементами, способствующими дисперсионному твердению, значительно возрастает вероятность образования трещин при повторном нагреве сварных соединений в процессе последующей термической обработки (отпуска), так называемых трещин при термической обработке (ТТО). Механизмы, ответственные за образование ТТО, можно условно подразделить на две группы в зависимости от их влияния на прямое и относительное разупрочнение границ зерен.

Прямое разупрочнение является следствием зернограничной сегрегации легирующих и примесных элементов, адсорбции газов, выделения хрупких фаз, появления в результате высокотемпературного проскальзывания и мартенситного превращения высокой плотности несовершенств кристаллической решетки и образования субмикроскопических или макроскопических зародышевых дефектов.

Относительное разупрочнение, являющееся в большинстве случаев основным фактором, проявляется в результате процесса дисперсионного твердения, вызванного выделением частиц термически стойких вторичных фаз. При выдержке, принятой в процессе термической обработки, дисперсионное твердение низко- и среднелегированных сталей проявляется в температурном интервале 500…700 ⁰С, в котором и отмечается появление ТТО, что вызвано, в первую очередь, образованием карбидов молибдена и ванадия.

Одним из важнейших показателей свариваемости термически упрочненных сталей является склонность к разупрочнению под воздействием термического цикла сварки. Явление разупрочнения закономерно для сталей с нестабильной структурой, потому что структура термоупрочненной стали обладает большим запасом свободной энергии, чем равновесная ферритно-карбидная смесь, образующаяся в условиях сварочного нагрева и охлаждения в ЗТВ сварных соединений при общепринятой технологии сварки. В зависимости от химического состава стали эффект разупрочнения проявляется в определенном интервале максимальных температур нагрева.

Значительное разупрочнение наблюдается у термоупрочненных сталей перлитного класса при сварке по общепринятой для нормализованных и горячекатаных сталей технологии. Термически упрочненные стали с бейнитной и бейнитно-мартенситной структурами в меньшей степени подвержены разупрочнению. Отмеченное обстоятельство связано с воздействием отдельных легирующих элементов на решетку железа, искажение которой сопровождается повышением твердости и прочности металла. Степень повышения твердости металла зависит от условий охлаждения.

Разупрочнение является результатом проявления ряда процессов: коагуляции карбидов, изменения их состава, снижения плотности дислокаций, уменьшения напряжений второго рода, роста блоков мозаики, рекристаллизации феррита.

Наряду с разупрочненным участком в зоне термического влияния наблюдается участок подкалки. Степень повышения твердости металла этого участка определяется химическим составом стали и термическим циклом сварки. В ряде случаев наличие участка подкалки может явиться причиной снижения конструктивной прочности сварных сосудов, работающих под давлением, и появления холодных трещин.

Результаты проведенных к настоящему времени исследований свидетельствуют об отрицательном влиянии разупрочнения на конструктивную прочность сварных соединений, в особенности при двухосном напряженном состоянии, характерном для условий эксплуатации сосудов, работающих под давлением. В связи с этим склонность к разупрочнению при сварке снижает эффективность, а в ряде случаев сдерживает промышленное использование термоупрочненных сталей в сварных конструкциях, вызывая обоснованные опасения у проектировщиков и технологов.

В производстве сосудов, работающих под давлением, значительный интерес представляют стали перлитного класса, относительно простые по химическому составу, сочетающие повышенную прочность и ударную вязкость с достаточной пластичностью.

Существует два подхода к обеспечению равнопрочности сварных соединений. Первый основан на снижении значений критической скорости закалки за счет легирования, изменения структурного состава сталей, повышения степени гомогенизации аустенита. Второй основан на повышении скорости охлаждения до критической посредством принудительного сопутствующего охлаждения.