Сварные соединения, подвергающиеся после сварки только высокому отпуску

В случаях, если нельзя применить закалку конструкции или соединения после сварки, например, из-за опас­ности деформаций, но необходимо несколь-ко повысить механи­ческие свойства металла шва и околошовной зоны и снять свароч­ные напряжения, прибегают к высокому или низкому отпуску сварных конструкций. Высокий отпуск (нагрев до температур 600…650°С) более эф-фективен, чем низкий, так как обеспечивает полное снятие сварочных напря-жений и устраняет закалку металла шва и околошовной зоны. При этом проч-ность металла несколько понижается, а пластичность и ударная вязкость су-щественно повышаются.

Отпуск не обеспечивает перекристаллизации металла и, следо­вательно, не может устранить ни столбчатой структуры, ни явле­ний перегрева в около-шовной зоне. Поэтому необходимо приме­нять те же технологические меры по измельчению первичной и вторичной структур металла шва и околошовной зоны, что и в случае сварки среднелегированных сталей без последующей тер-мообработки.

Улучшение пластичности и вязкости металла шва в резуль­тате отпуска допускает его значительно большее легирование по сравнению со швами, не подвергающимися термообработке. В связи с этим в соединениях, подвергаю-щихся отпуску, превра­щение переохлажденного аустенита в металле шва мо-жет проис­ходить в области бейнитного и мартенситного превращения с обра­зованием игольчатой структуры (см. рис. 10-17). При отпуске такой металл при-обретает высокую пластичность и вязкость в сочетании с достаточно высокой прочностью. Если же подверг­нуть отпуску соединения, не повышая легирова-ния металла шва, то прочностные и вязкие свойства его могут заметно понизи-ться.

7.4. Сварка жаропрочных перлитных сталей Состав и свойства сталей

Теплоустойчивыми принято называть стали, работающие при повышен-ных температурах (до 500…580° С). Стали, работаю­щие при температуре выше 550° С принято называть жаропроч­ными. Деление это является условным,.так как некоторые марки стали могут использоваться как при повышенных темпе-ратурах, так и при температуре, близкой к комнатной.

К жаропрочным перлитным сталям относятся низколегированные хромо-молибденовые стали 12МХ, 12ХМ), 15ХМ, предназначенные для работы при 450 ... 550°С, и хромомолибденованадиевые: 12Х1МФ, 20ХМФЛ, 15Х1М1ФЛ, предназначенные для работы при 550 ... 600 °С и др.

Жаропрочные перлитные стали используют в энергетическом, химичес-ком и нефтехимическом машиностроении. Так, например, литей­ные стали 20ХМФЛ и 15Х1М1ФЛ применяют для отливки корпусов тур­бин и запорной арматуры, а деформируемые стали 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР для изготовления корпусов аппаратов, паропроводов, технологиче-ских трубопроводов и поверхностей нагрева котлов.

В соответствии с условиями длительной работы под напряжением при высоких температурах стали должны обладать сопротивлением пол­зучести, длительной прочностью, стабильностью свойств во времени и жаростойкостью. Эти свойства с учетом требуемой технологичности ста­лей при сварке обеспе-чивают введением 0,5 ... 2,0 % Сr; 0,2 ... 1,0 % Мо; 0,1 ... 0,3 % V, а также в не-которых случаях небольших добавок редкозе­мельных элементов и В.

Легирование Сг повышает жаростойкость сталей при температуре выше 450°С, а совместно с Мо повышает длительную прочность и со­противление ползучести, за счет образований упрочняющей металл фазы Лавеса Fe₂Mo. Ва-надий совместно с углеродом обеспечивает упрочнение стали высокодисперс-ными карбидами (табл. 7.8).

Оптимальнее сочетание механических свойств изделий из перлит­ных жаропрочных сталей достигают при нормализации (или закалке) с последующим высокотемпературным отпуском. При этом образуется мелкодисперсная ферритокарбидная смесь, а в хромомолибденованадиевых сталях, особенно при закалке, появляется также и бейнитная структура.

По степени легирования к теплоустойчивым сталям относятся низко- и среднелегированные стали, а также 5—13%-ные хро­мистые мартенситные и мартенситно-ферритные стали с темпе­ратурой эксплуатации до 500—550 °С.

Особенности легирования теплоустойчивых сталей заклю­чаются в сле-дующем. Для повышения длительной прочности используют два вида струк-турного упрочнения: 1) образование твердого раствора с введением элементов, повышающих темпе­ратуру рекристаллизации и снижающих интенсивность диффу­зионных процессов в сплаве; 2) получение высокодисперсной смеси фаз путем закалки стали и последующего отпуска. Для первого вида структурного упрочнения обычно используют хром, молибден и вольфрам. Для второго вида структурного упрочнения используют карбиды ванадия, ниобия и титана.

В процессе эксплуатации происходит изменение структурных составляю-щих, что приводит к изменению жаропрочности. Для длительной службы, как правило,- используют малоупрочненные стали, имеющие в исходном состоянии более низкую жаропроч­ность,но значительно более устойчивую структуру. Для

сварных конструкций более предпочтительным является первый путь структур-ного упрочнения. Это объясняется тем, что твердые растворы замещения позво-ляют получить менее проч­ный и более пластичный металл в зоне термического влияния при сварке по сравнению с карбидным упрочнением. В работе также отмечается, что хромомолибденовые теплоустойчивые стали являются более предпочтительными для сварных конст­рукций, так как они обладают большей структурной стабиль­ностью в процессе длительных выдержек при высоких темпера­турах. Поэтому основными легирующими элементами в теплоустойчи-вых сталях являются хром и молибден. Легирование теплоустойчивых сталей и металла шва хромом (0,5 % и выше) предотвращает графитизацию стали и ме-талла шва в процессе эксплуатации при температуре 400° С и выше. Кроме этого, с увеличением содержания хрома увеличивается со­противляемость металла коррозионным повреждениям в сре­дах. Хром оказывает сложное влияние на длительную прочность стали. Первый максимум длительной прочности стали, содержащей 0,5% молибдена, при температуре 538°С наблюдается при содержании хрома в пределах 1,0…1,4%. Повышение содержания хрома до 5-6 % приводит к некоторому снижению длительной прочности. Повышение содержания хрома до 9…12% снова приводит к повышению длительной прочности стали. Такое влияние хрома на длительную прочность стали не находит должного объяснения в литературе. Тем не менее у сталей, имеющих -решетку железа, 9…12 %-ные хромистые стали имеют наиболее высокую длительную прочность.

Молибден широко применяется для легирования теплоустойчивых сталей и легирования металла шва. Наиболее резкое повышение сопротивления пол-зучести стали и металла шва обеспечиваются добавкой 0,5…1,0 % молибдена. Молибден повышает температуру рекристаллизации железа, что способ-ствует повышению его прочности при повышенных температурах. Но роль молибдена в вопросах упрочнения стали при повышенных температурах в настоящее время рассматривается шире.

В настоящее время экспериментально доказано, что в процессе эксплу-атации молибден образует с железом фаз Лавеса Fe₂Mo, которая образуется в процессе длительной выдержки металла при температуре 450…600°С. Обра-зование фазы Лавеса Fe₂Mo повышает прочность стали при повышенной температуре по механизму дисперсионного твердения. Влияние частиц второй фазы в настоящее время объясняется дислокационной теорией. Согласно тео-рии дислокации частицы второй фазы являются препятствием для перед-вижения дислокаций. Упрочнение сплава тем выше, чем меньше расстояния, на которые может переместиться дислокация. Поэтому дисперсность второй фазы оказывает прямое воздействие на прочность стали.

Выделение частиц второй фазы сказывается не только на повышении прочности стали, но также и на изменении пластичности. Форма выделений — глобулярная или пластинчатая — приводит к разным характеристикам плас-тичности. Частицы второй фазы с глобулярной формой позволяют получить металл с болee высокими пластическими свойствами.

Кроме этого, молибден при повышенных температурах образует специа-льные карбиды, что также способствует повышению длительной прочности. Однако считается, что наибольшая длительная прочность наблюдается тогда, когда молибден находится в твердом растворе, а не в виде карбидов и в про-цессе выдержки приповышенных температурах образуется фаза Лавеса Fe₂Mo. Чем выше содержание молибдена, тем больше длительная прочность и сопро-тивляемость ползучести стали и металла шва.

Введение молибдена в сталь и в металл шва в количестве от 0,4 до 1,3 % позволяет обеспечить удовлетворительную продолжительную прочность при температуре до 500...600° С.

Для получения второго вида структурного укрепления в сталь вводятся карбидообразующие элементы ванадий и ниобий и соответствующее коли-чество углерода. Титан для этой цели используется значительно реже. Поло-жительное влияние на жаропрочность ванадий и ниобий делают тогда, когда они находятся в постоянные в виде высокодисперсных карбидов. Если эти эле-менты в стали находятся в твердом растворе -железа, то они делают слабое положительное или даже слабое отрицательное влияние на ее жаропрочность. Поэтому для получения максимальной длительной прочности теплостойкие стали с карбидным укреплением подвергают полной термической обработке: закалке на мартенсит и высокий отпуск. В процессе отпуска ванадий и ниобий образовывают крепкие высокодисперсные карбиды VC и NbC, что и обеспе-чивает высокую продолжительную прочность стали при эксплуатации. Однако в процессе эксплуатации на протяжении продолжительного времени при тем-пературе 550...600°С карбиды ванадия и ниобия коагулируют и большей частью формируются по границам зерен, которая приводит к снижению жаропрочнос-ти стали и металла шва и разрушению по границам зерен. Этим и объясняется перегиб на кривых продолжительной прочности хромомолибденованадиевых сталей.

Для повышения окалиностойкости в теплостойкие стали и в металл шва иногда вводят повышенное содержимое кремния. Кремний влияет на их длительную прочность.

Марганец как легирующий элемент не применяют для легирования теп-лостойких сталей, которые работают при температуре свыше 350°С, так как увеличение содержания марганца свыше 0,8...1,0 % приводит к увеличению склонности стали, а также металла шва к тепловой хрупкости в процессе экс-плуатации при температуре 400° С и выше. Однако для сталей, которые рабо-тают при температуре до 350°С, марганец применяется как легирующий эле-мент. С увеличением содержимого марганца в этих сталях увеличиваются проч-ностные свойства (граница текучести и граница прочности) и снижается кри-тическая температура хрупкости. Кроме этого, марганец используется как эле-мент, который уменьшает вредное влияние серы. Поэтому марганец в количест-ве до 1,0...1,5% ведут иногда в металл шва и теплоустойчивые стали, которые работают при температуре до 350°С.

Следует отметить, что прочность конструкций, которые работают при температуре до 350°С, в основном рассчитывается по границе текучести, а прочность конструкций, работающих при температуре 400°С и выше, - по пре-делу длительной прочности и ползучести. Этим и объясняется возможность легирования марганцем теплоустойчивых сталей и металла шва в одних случаях и недопустимость легирования в іншіх.

Никель также не рекомендуется применять как легирующий элемент в теплоустойчивых сталях, которые работают при температуре выше 350°С, так как с увеличением содержания никеля немного уменьшается длительная проч-ность стали и металла шва. Это объясняется тем, что никель также образові-вает фазу Лавеса с молибденом Nі₃Mo, которая возникает при более низкой температуре (400...500°С), чем фаза Fe₂Mo. Этим пользуются для частичного повышения прочности мартенситно- стареющих сталей, вводя в них опреде-ленное количество молибдена.

Поэтому введение никеля в сталь как бы уменьшает концентрацию моли-бдена в твердом растворе -железа и тем самым снижает эффективность влия-ния молибдена на ее длительную прочность. Кроме этого, с увеличением нике-ля немного увеличивается склонность стали к радиационному окрихчиванню.

Однако для теплоустойчивых сталей, которые работают при температуре до 350° С, где не нужна повышенная длительная прочность, никель использу-ется как легирующий элемент. С введением никеля в сталь и в металл шва зна-чительно повышается сопротивляемость сварных конструкций хрупкому разру-шению при низких температурах (близких к комнатной), так как с увеличением содержания никеля снижается критическая температура хрупкости. Поэтому в металл шва и основной металл для повышения сопротивляемости хрупким раз-рушениям вводят до 1…3% никеля.

Марочный химический состав некоторых теплоустойчивых сталей, применяемых в нашей стране, приведен в табл. 1.