6.5. Изменение свойств металла в околошовных зонах

высоколегированных сталей

Наиболее характерными из высоколегированных сталей, применяемых в сварных конструкциях, являются хромистые ферритные, феррито-мартенситные и мартенситные, а также хромоникелевые аустенитные.

К высокохромистым сталям относятся низкоуглеродистые (обычно С ≤ 0,2%) с содержанием хрома от 5 до 30%.

Низкоуглеродистые хромистые стали имеют ограничиваемую содержанием хрома высокотемпературную область γ – раствора (рис. 6.8). Поэтому металл, нагретый выше температуры превращения α → γ, при достаточно быстром охлаждении получает структуру мартенсита. При увеличении концентрации (рис.6.8, б) углерода область хромистых сталей, закаливающихся на мартенсит, расширяется в сторону больших концентраций хрома, а сам мартенсит получается более твердым.

Увеличение концентрации хрома при той же концентрации углерода изменяет сталь так, что при повышенных температурах появляется область смешанного α + γ раствора. Сварочные скорости охлаждения приведут к получению смешанной ферритно-мартенситной структуры. Такая структура также характеризуется достаточно высокой твердостью, хотя с точки зрения образования трещин является менее опасной.

Эти стали сваривают сварочными материалами, при которых металл шва оказывается подобным свариваемому (предварительный подогрев до 300 – 500⁰С), либо материалами, обеспечивающими получение в шве металла с аустенитной структурой.

Рис. 6.8. Структурная диаграмма состояния Fe – Cr и влияние углерода на расширение γ – раствора.

Более высокохромистые стали, при том же содержании углерода, имеют полностью ферритную структуру. Они не претерпевают превращений от комнатной температуры до температуры плавления. При нагреве до высоких температур и последующем охлаждении такие стали получают значительное увеличение зерна. Хотя такая структура и не приводит к увеличению твердости, однако металл обладает малой деформационной способностью и в нем могут образовываться трещины. Сварка таких сталей производится с невысоким (около 200⁰С) предварительным подогревом.

Хромоникелевые стали аустенитного класса применяются как нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные. Они содержат от 15 до 25 % Cr и от 8 до 35 % Ni при содержании углерода до о,14 % и некоторых других элементов: Mo, V, Ti, Nb. Типичным представителем этой группы сталей является нержавеющая с 18 % Cr; 9 % Ni и 0,1% С. Такая сталь получает наилучшие свойства после аустенизации при Т = 1050 – 1100⁰С и быстрого охлаждения. После такой обработки в металле фиксируется состояние аустенита, растворившего повышенное для комнатной температуры количества углерода. Последующий нагрев такого металла в определенной области температур способствует образованию карбидов хрома, выпадающих в основном вблизи границ зерен. Раствор в этом месте обедняется не только углеродом, но и хромом. Неоднородность состава (карбид; раствор, обедненный хромом у границ зерен, и нормальный в центре зерна, с различными электрохимическими потенциалами) вызывает склонность стали к развитию коррозии от поверхности внутрь металла по границам зерен (межкристаллитной коррозии).

Сварные соединения, обладающие необходимой стойкостью против межкристаллитной коррозии, можно получить, когда и шов, и околошовная зона не проявляют склонности к МКК. Для этого основной металл при ограничении в нем углерода обычно легируют титаном, а сварочные материалы подбирают с еще более низким содержанием углерода, легированные титаном или ниобием. При этом автоматическая сварка под бескислородными флюсами и аргонодуговая сварка позволяют в металле шва сохранить необходимое количество титана. При ручной дуговой сварке с применением любых покрытий титан почти полностью выгорает и в этом случае для легирования предпочитают в качестве стабилизатора применять ниобий или для более простых условий эксплуатации изделий – молибден.

В металле швов полезно иметь не чисто аустенитную, а аустенитно-ферритную структуру с содержанием ферритной фазы до 10 – 15%. Получение двухфазной структуры определяется соотношением между количествами ферритобразующих (Cr, Mo, Si, Ti) и аустенитобразующих (Ni, C, N, Mn) элементов. Структурная диаграмма Шеффлера (рис. 6.9) связывает эквивалентные количества никеля и хрома с конечными структурами металла шва, получающимся после сварочных скоростей охлаждения.

Рис. 6.9. Структурная диаграмма Шеффлера.