Свариваемость сталей.
Одной из важнейших характеристик сталей, применяемых в сварных конструкциях, является свариваемость. В соответствии с ГОСТ понятие
свариваемость определено, как свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Свариваемость рассматривается как степень соответствия свойств сварных соединений обноименным свойствам основного материала или нормативным значениям свойств.
Свариваемость включает следующие показатели:
чувствительность металла к окислению при сварке;
реакция металла на термодеформационный цикл сварки;
сопротивляемость образованию горячих трещин;
сопротивляемость замедленному разрушению при сварке (холодные трещины);
чувствительность к порообразованию (для алюминиевых сплавов);
соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным.
Горячие трещины.
Горячие трещины являются одним из видов высокотемпературных межкристаллических разрушений. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внутренних и внешних напряжений.
Различают следующие типы горячих трещин: кристаллизационные (или ликвационные), подсолидусные и подваликовые.
Кристаллизационные горячие трещины образуются при температуре, превышающей температуру солидуса.
Подсолидусные и подваликовые появляются после завершения первичной кристаллизации.
Дефекты типа горячих трещин обнаруживаются как в металле шва, так и в металле околошовного участка ЗТВ вблизи линии сплавления. В большинстве случаев горячие трещины обнаруживаются с помощью растрового микроскопа. Полагают, что горячая трещина образуется, если деформации растяжения развиваются в период нахождения металлав так называемом температурном интервале хрупкости (ТИХ), а скорость деформации велика.
Сопротивление образованию горячих трещин при сварке можно оценить по показателю К.Итамуры:
HCS= C[S+P+Si/25 +Ni/100] x103
3Mn+Cr+Mo+V
Он установил, что при HCS 4 горячие трещины в сварных соединениях углеродистых и низколегированных сталей не образуются, а при сварке высокопрочных сталей в больших сечениях проката HCS должно быть менее 1,6.
Деформационная способность металла в температурном интервале кристаллизации зависит от содержания серы, образующей с железом и никелем легкоплавкие эвтектики типа FeS, FeS2. Поэтому для предотвращения образования трещин следует применять сварочную проволоку с пониженным содержанием серы (менее 0,015%), ограничивать долю участия основного металла в образовании сварного шва. Применение предварительного или сопутствующего подогрева положительно сказывается на уменьшении сварочных напряжений.
Рис. 31. Схема образования подваликовой трещины
Холодные трещины.
Холодные трещины являются одним из видов локального разрушения сварных соединений. При образовании холодных трещин определяющим являются три фактора: закалочные структуры, повышенный уровень напряжений первого рода и насыщенность металла водородом. Установлено, что процесс образования холодных трещин включает три стадии: подготовительную, инкубационную и спонтанную. Первые две стадии характеризует процесс зарождения, а третья – процесс распространения трещин.
Холодные трещины зарождаются по границам зерна аустенита в результате после высокотемпературной пластической деформации, при которой увеличивается плотность дислокаций и возрастает упругая энергия искажений структуры. Последующее возникновение субмикротрещин является результатом проскальзывания по границам зерен и диффузии выкансий к границам. Водород и сера, снижающие поверхностную энергию границ зерен, способствуют росту полостей и субмикротрещин.
Склонность сталей к возникновению холодных трещин связана с их закаливаемостью – повышением твердости под воздействием термического цикла сварки и насыщением металла шва и ЗТВ сварных соединений водородом. Поскольку закаливаемость сталей возрастает с повышением степени легированности, склонность к образованию холодных трещин ориентировочно оценивается показателем эквивалента углерода Сэкв. Международным институтом сварки рекомендована следующая формула:
Сэкв.= C + Mn/6 + Cr/5 + Mo/5 + V/5 + (Ni+Cu)/15
Считается, что при Сэкв. 0,4 сталь не склонна к образованию холодных трещин.
Различными исследователями предложены другие формулы для определения Сэкв., отличающиеся значениями коэффициэнтов, характеризующих степень влияния различных элементов на этот показатель. Твердость металла в околошовном участке ЗТВ можно определить по формуле:
Hvmax = 90 + 1050C +47Si + 75Mn + 30Ni + 31Cr
Для предотвращения образования холодных трещин эффективно применение подогрева при сварке. При этом снижается скорость охлаждения шва и ЗТВ, предотвращается возможность образования мартенсита и создаются благоприятные условия для удаления диффузного водорода.
Хрупкое разрушение.
С увеличением толщины металла возрастает структурно-механическая неоднородность материала, повышается вероятность появления дефектов. При этом также увеличиваются напряжения по толщине металла и создаются условия для возникновения плоскодеформированного состояния. Статистический анализ причин разрушения крупногабаритных толстостенных сосудов, работающих под давлением, свидетельствуют о том, что более чем в 80% случаев разрушение происходит в результате образования и роста трещин в сварных соединениях.
В зависимости от степени деформации материала, предшествующей разрушению, различают хрупкое (внутризеренное и межзеренное), квазихрупкое и вязкое разрушение.
Межзеренное хрупкое разрушение является следствием адсорбционного обогащения вредными примесями и, как следствие, снижения в десятки раз поверхностной энергии межзеренного сцепления. Степень пластической деформации металла и энергоемкость процесса при хрупком разрушении минимальны.
Для вязкого разрушения характерна многостадийность процесса, включающего появление пор у частиц второй фазы, образование чашек в результате разрастания и слияния смежных микропустот вокруг пор, пластическая деформация материала вокруг микропустот и его разрыв.
Снижение температуры, переход к плоскодеформированному состоянию, повышение предела текучести материала способствует смене вязкого механизма разрушения хрупким.
Характер распространения трещин в мартенситной структуре преимущественно межзеренный. При нагружении металла микротрещины, возникающие по границам пакетов мартенсита, объединяются в магистральную трещину.
Последующий отпуск при температуре 650-700С существенно повышает сопротивление хрупкому разрушению металла с мартенситной структурой. Уже при сравнительно низких температурах нагрева (300-400С) в структуре мартенсита выделяются дисперсные карбиды преимущественно на границах. По мере увеличения температуры карбиды коагулируют, особенно интенсивно на границах структуры и субструктуры, т.е. в зонах, где наиболее значительна скорость диффузии атомов углерода, железа и легирующих элементов.
Обеднение твердого раствора углеродом, снижение плотности дислокаций, интенсивная коагуляция карбидов – способствуют повышению сопротивления хрупкому разрушению металла с мартенситной структурой. Это может достигаться путем применения отпуска.
а) б)
Рис.32. Хрупкое межзеренное разрушение (а); Квазивязкий «ямочный» излом (б)
Отпускная хрупкость.
Сварное технологическое оборудование в нефтехимической и энергетической отраслях промышленности эксплуатируется во многих случаях при повышенных температурах (от 350 до 550С). При длительной выдержке металла при указанных температурах его сопротивление хрупкому разрушению снижается.
Сопротивляемость сталей отпускной хрупкости зависит как от содержания Cr и Mo в составе стали, так и их соотношения. Наименее склонны к отпускной хрупкости стали типа 1Cr-0,5Mo, 1,25Cr – 0,5Mo, 9Cr – 1 Mo. Стали типа 2,25Cr – 1Mo, 3Cr – 0,5Mo, 5Cr – 0,5Mo обнаруживают повышенную склонность к отпускной хрупкости.
Современные представления о механизме отпускной хрупкости, основанные на данных тонких исследований ОЖЕ – спектроскопии, связывают с процессами зернограничной сегрегации вредных примесей (P, Sn, Sb, As) и, как следствие, снижением когезивной прочности границ зерен, сменой внутризеренного механизма разрушения межзеренным. Причем степень отрицательного влияния на сопротивление металла отпускной хрупкости вредных примесных элементов в околошовном участке участке ЗТВ выше, чем в основном металле, из-за укрупнения зерна аустенита и резкого уменьшения вследствие этого удельной поверхности границ зерен.
Отрицательное влияние примесных атомов усиливается с увеличением в составе стали марганца и кремния. Условие обеспечения сопротивления металла отпускной хрупкости учитывается фактором Ватанабе:
I = (Mn+Si)(P+Sn)*104 200%
Фактор Брускато предложен для оценки сопротивления отпускной хрупкости металла шва:
Х=(10P + 5Sb + 4Sn + As) *100 25
Выбирая рациональный режим термообработки. МОЖНО СУЩЕСТВЕННО СНИЗИТЬ СКЛОННОСТЬ МЕТАЛЛА К ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ.
Наряду с явлением отпускной хрупкости сталей, которую определяют по снижению ударной вязкости, различают хрупкость металла в условиях ползучести, которую определяют по снижению пластичности в условиях выдержки при повышенных температурах. Это явление вызывается образованием скоплений примесных атомов на границах зерен при повышенных температурах, причем в случае крупнозернистой структуры околошовного участка ЗТВ проявляется в большей степени, чем в основном металле.
Сопоставляя фактор CEF , характеризующий склонность к охрупчиванию в условиях ползучести
CEF= P+2,4As+3,6Sn+8,2Sb
С фактором Брускато, можно видеть, что степень влияния одних и тех же примесных элементов на отпускную хрупкость и охрупчивание в условиях ползучести различна. С увеличением содержания примесных элементов различие в чувствительности металла околошовного участка ЗТВ сварных соединений сталей с различным количеством хрома к охрупчиванию в условиях ползучести нивелируется.
Водородоустойчивость.
В последние годы в связи с необходимостью решения проблемы глубокого крекинга тяжелых нефтяных дистиллятов и ужесточения требований к содержанию SO2 в продуктах сгорания нефтепродуктов широкое развитие получило производство соответствующего технологического оборудования из теплоустойчивых сталей. В конструкционных сталях при повышенных температурах и давлениях под воздействием водорода развивается особый вид коррозии. Механизм водородной коррозии следующий: молекулы водорода диссоциируют на поверхности контакта с металлом в результате каталитического действия последних.
При температурах 300-600С отмечается интенсивное насыщение и проникновение атомарного водорода через металлы. При высоких температурах и давлении водорода в углеродистой стали происходит диссоциация цементита и активизируется процесс обезуглероживания. Эти процессы описываются реакцией:
Она протекает как на поверхности раздела металл-газ, так и внутри металла на границах зерен и межфазных границах.
Для первой стадии процесса водородной коррозии характерно обезуглероживание стали, образование метана на границах раздела и накопление его в дефектных участках структуры. Первая стадия еще не приводит к снижению механических свойств стали. На второй стадии под действием высокого давления газообразных продуктов отдельные микропоры расширяются и объединяются, появляются очаги разрушения. Одновременно в связи с увеличением поверхности контакта металла с водородом ускоряется процесс обезуглероживания перлитных участков, возрастает доля феррита в объеме структуры.
Для повышения стойкости стали к водородной коррозии в ее состав вводят сильные карбидообразующие элементы (Ti, V, Cr, Mo,), понижающие термодинамическую активность и скорость диффузии углерода в феррите.
В наибольшей степени металл охрупчивается в состоянии после сварки с отпуском при температуре 600С независимо от погонной энергии и интенсивности охлаждения металла при сварке.
Увеличение температуры последующего отпуска до 750С позволяет существенно повысить сопротивляемость металла водородному охрупчиванию.
Слоистые трещины.
Воздействие термического цикла сварки на металл может сопровождаться образованием слоистых (ламеллярных) трещин в процессе остывания (при температуре ниже 200С) в сварных соединениях угловых швов, например, в металле толстостенного корпуса аппарата в области его соединения со штуцером.
Сопротивление образованию слоистых трещин резко снижается с увеличением объемной доли сульфидных строчечных включений выше 0,5% и уменьшением относительного сужения при испытаниях на растяжение. В стандартах ФРГ и Японии в зависимости от содержания серы и значения сужения толстолистовой прокат делят на три группы: стали с высокой S 0,007%,
25% повышенной S=0,07-0,01%, =15-25% , и пониженной S 0,02%, 8% стойкости.
Трещины повторного нагрева
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 термообработки, например, отпуска. Механизмы, ответственные за образование трещин термической обработки (ТТО) можно разделить на две группы в зависимости от их влияния на прямое и относительное разупрочнение границ зерен.
Прямое разупрочнение является следствием зерноограничительной сегрегации легирующих и примесных элементов, адсорбции газов, выделения хрупких фаз, появления в результате мартенситного превращения субмикроскопических или микроскопических 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 500-600С, в котором отмечается появление ТТО, что вызвано в первую очередь образованием карбидов молибдена и ванадия.
Для анализа склонности сварных соединений к образованию трещин при повторном нагреве используются различные показатели, предложенные различными исследователями, например,
Для сталей с С 0,18% и Cr 1,5% используется показатель G = Cr + 3,3Mo + 8,1V –2
При G 0 возрастает опасность появления ТТО.
Для сталей типа 15Г2НМ
CERL = 0,2Cu + 0,44S + P + 1,8 As + 1,9 Sn +2,7 Sb
C увеличением CERL возрастает опасность появления ТТО.
Для сталей типа 0,5Cr-Mo-V
R= P = 2,43As + 3,57Sn + 8,16 Sb
C увеличением R возрастает опасность появления ТТО.
Разупрочнение.
Одним из важнейших показателей свариваемости термически упрочненных сталей является склонность к разупрочнению под действием термического цикла сварки. Явление разупрочнения закономерно для сталей с нестабильной структурой, потому, что структура термоупрочненной стали обладает большим запасом свободной энергии, чем равновесная феррито-карбидная фаза, 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.
Исследования свидетельствуют о значительной разупрочняемости 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 подвергаются разупрочнению. Это 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 и др.
Наряду с разупрочненными участками в ЗТВ 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 соединений.
Склонность сталей к разупрочнению проявляется в зависимости от соотношения скоростей охлаждения кр/, где кр – условная критическая скорость охлаждения, при которой обеспечивается распад аустенита с образованием структур, твердость которых соответствует твердости свариваемой стали; - скорость охлаждения при сварке. Чем ближе значение кр/, к единице, тем меньше степень разупрочнения.
В некоторых работах исследователей в этой области проанализированы два подхода к обеспечению равнопрочности сварных соединений. Первый основан на снижении кр за счет легирования, изменения структурного состояния сталей, повышения степени гомогенизации аустенита. Второй основан на повышении до кр посредством принудительного сопутствующего охлаждения.