Свариваемость сталей марки типа 15Х5М

Специфика условий эксплуатации нефтяного и химического оборудования из жаропрочных хромистых сталей характеризуется наличием:

¾ сравнительно высоких давлений в замкнутых объемах;

¾ взрывоопасных и коррозионно-активных рабочих сред;

¾ хрупких участков металла с неравновесной структурой.

Эти факторы в свою очередь обусловливают ужесточение требований к качеству сварных соединений.

Таким образом, одним из важнейших критериев выбора рациональной технологии изготовления, с целью создания оборудования высокого качества из рассматриваемых сталей мартенситного класса, является, наряду с эксплуатационными свойствами, свариваемость.

По важнейшей характеристике свариваемости – реакции на термический цикл – рассматриваемые стали существенно отличаются от низкоуглеродистых и низколегированных свариваемых сталей. Характерной особенностью всей группы 2-12% хромистых сталей является способность их при охлаждении от температур выше критических закаливаться на воздухе. Воздействие термодеформационного цикла сварки приводит к образованию твердых малопластичных участков (прослоек).

При их термической резке и сварке создается возможность образования твердых хрупких прослоек, которая возрастает по мере повышения содержания углерода и сильных карбидообразующих элементов. В жаропрочных сталях типа 15Х5М (12Х2М1, 15Х5ВФ, 15Х5МУ, 12Х8ВФ, 12Х9М, 20Х12ВНМФ) происходит заметный сдвиг структурных превращений в сторону большей вероятности образования мартенситных прослоек и весьма высока степень увеличения твердости металла шва и зоны термического влияния. Склонность к закалке и образованию холодных трещин при сварке приводит к существенному усложнению технологического процесса изготовления сварных изделий из этих сталей. В нормализованном состоянии они имеют мартенситную структуру, что влияет на их свариваемость.

Обычно выбор параметров режима сварки закаливающихся сталей производят по допустимой скорости охлаждения околошовной зоны при температуре минимальной устойчивости аустенита свариваемой стали. Получение отожженной структуры в сталях типа 15Х5М обеспечивается при охлаждении со скоростью не более 0,008 ⁰С/с. Результаты расчета критической скорости охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита W_Kp показывают, что в участках металла околошовных зон стали марки 15Х5М, нагретых выше критических температур, при охлаждении со скоростью больше 0,16 ⁰С/с появляются элементы структуры мартенситного распада, а при охлаждении более 0,6 ⁰С/с происходит полное закаливание.

По второму показателю свариваемости – технологической прочности в процессе кристаллизации – малоуглеродистые хромистые стали практически не уступают низкоуглеродистым и низколегированным свариваемым сталям. В процессе сварки электродами, однородными по химическому составу со свариваемым металлом, горячие трещины практически не образуются.

Предрасположенность швов к образованию горячих трещин повышается при сварке аустенитными сварочными материалами. Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла шва вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием чрезмерных внутренних и внешних нагрузок.

Методы повышения стойкости против горячих трещин обычно сводятся к:

¾ уменьшению содержания элементов, способствующих их возникновению;

¾ снижению содержания неметаллических включений;

¾ уменьшению химической неоднородности;

¾ формированию благоприятной первичной структуры;

¾ уменьшению жесткости конструкции и др.

Хладноломкость сварных соединений–наиболее важный показатель свариваемости для рассматриваемых сталей. Опасность хрупких разрушений является основной причиной снижения надежности высокотемпературных сварных конструкций. Определяющими условиями возникновения подобных разрушений являются факторы степени и характера неоднородности, ухудшения свойств отдельных зон и наличия различных конструктивных и технологических концентраторов. Наложение процессов огрубления структур и закаливаемости приводит к тому, что термодеформационный цикл сварки закаливающихся сталей сопровождается заметным ухудшением свойств, в первую очередь, околошовной зоны непосредственно вблизи границы сплавления. При этом большая доля разрушений сварных соединений на закаливающихся сталях связана с образованием холодных трещин в околошовной зоне в процессе сварки и в первый период выдержки после сварки, при сборке, гидравлических испытаниях, а также в процессе пуска конструкций.

Холодные трещины – типичный дефект сварных соединений из легированных сталей бейнитного и мартенситного классов. Между склонностью к замедленному разрушению закаленной стали (под действием постоянной статической нагрузки) и возникновением холодных сварочных трещин (под действием сварочных напряжений) существует определенная связь. Холодные трещины преимущественно инициируются на границах крупных зерен участка перегрева с пониженной сопротивляемостью хрупкому разрушению. В разнородных сварных соединениях закаливающихся сталей (с аустенитным швом) трещины чаще образуются в зоне сплавления, где имеет место резкий перепад напряжений (на границе шов-околошовная зона). Пониженное сопротивление хрупким разрушениям границ зерен и процесс образования трещин связывают с высокой концентрацией искажений кристаллической решетки закаленного металла, обусловливающих упруговязкие свойства металла по границам зерен, с повышенной концентрацией и характером распределения водорода в сварном соединении, с влиянием химического состава и структуры металла шва, с существованием остаточного аустенита и с влиянием рода тока при сварке.

Вакансионный механизм зарождения и роста микротрещин замедленного разрушения в работе М.Х. Шоршорова «Фазовые превращения и изменения свойств сталей при сварке» объясняют избыточной концентрацией субмикрополостей (каверн) вакансионного происхождения по границам зерен. Закалка с высоких температур и пластические деформации при мартенситном превращении способствуют пресыщению металла вакансиями и движению их к границам зерен под действием сварочных напряжений.

В качестве критерия количественной оценки стойкости против образования холодных трещин принята минимальная прочность металла непосредственно после воздействия термического цикла сварки. При критических уровнях напряжений зародыш трещины становится способным к росту и со временем происходит хрупкое разрушение. При напряжениях ниже σ_min упруговязкое течение по границам закаленного металла не вызывает разрушения. В этом случае превалируют процессы упорядочения строения границы зерен – происходит частичная релаксация напряжений и "отдых".

При сварке в металле шва и в околошовной зоне происходят значительные локальные пластические деформации, величина которых составляет порядка 5-10%. Таким образом, если пластичность отдельных участков меньше 10%, то сварные соединения склонны к зарождению холодных трещин.

Следовательно, для повышения сопротивляемости закаливающихся сталей против замедленного разрушения необходимо:

¾ улучшение механических свойств металла закаленных участков путем упрочнения границ зерен;

¾ увеличение степени порядка строения;

¾ создание благоприятного напряженного состояния.

Малоуглеродистые стали типа 15Х5М менее склонны к развитию замедленного разрушения. Однако проблема получения качественных сварных соединений без трещин при сварке рассматриваемых сталей остается актуальной, так как металл околошовных участков сварных соединений претерпевает мартенситное превращение.

Мартенсит в зависимости от своей морфологии, определяемой концентрацией углерода, скоростью охлаждения и другими факторами, обнаруживает различную стойкость к образованию и распространению трещин. Стойкость к образованию микротрещин значительно увеличивается при переходе от пластинчатого (двойникованного) к реечному (дислокационному) мартенситу.

Реечный мартенсит образуется в закаленных малоуглеродистых низко- и среднелегированных сталях. Субструктура реечного мартенсита имеет сложное дислокационное строение, для которого характерна высокая плотность дислокаций, достигающая 10¹² см^-2. Рейки состоят из вытянутых слегка разориентированных субзерен. Рейки объединяются в пакеты, причем в одном бывшем зерне аустенита может быть несколько пакетов (3-10). Границы между рейками представляют собой дислокационные сетки. Полагают, что ведущую роль в образовании реечного мартенсита, особенно на начальных стадиях γ→α перехода, играет дополнительная деформация скольжения, а в образовании пластинчатого высокоуглеродистого мартенсита — дополнительная деформация двойникования.

Хрупкость стали с мартенситной структурой повышается при наличии на границах зерен феррита или остаточного аустенита. Кроме того, особое значение приобретают величина зерна, содержание, размер и распределение примесей.

Размеры кристаллов любой морфологии мартенсита определяются величиной исходного зерна аустенита. Они тем крупнее, чем больше зерно аустенита. По виду размеров микроструктуры различают бесструктурный (безигольчатый) или гарденит, мелко- и крупноигольчатый мартенсит. При мелком исходном аустенитном зерне образуется мартенсит, строение которого под оптическим микроскопом не выявляется, такой мартенсит называется бесструктурным.

Сегодня в научно-технической литературе известны достаточные данные об определенных отличительных признаках свариваемости сталей в зависимости от химического состава и металлургической природы стали. Фундаментальные работы М. X. Шоршорова, II. Н. Прохорова, Э. Л. Макарова А. М. Макара и др. по исследованию проблемы холодных трещин показали, что процессы закалки металла и роста зерен аустенита при сварке сталей, легированных стойкими карбидообразующими элементами, могут отличаться от углеродистых в зависимости от изменения параметров термических циклов. Эти различия в большей мере присущи сталям, легированным карбидообразующими элементами, с ограниченным содержанием углерода, и сталям без сильных карбидообразующих элементов.

Вследствие диффузионного характера превращения перлита в аустенит кинетика образования аустенита в условиях непрерывного нагрева и изометрической выдержки весьма отличается. Чем больше скорость нагрева, тем выше температуры превращения перлита в аустенит (А_С3). Наиболее резко превращение замедляется при легировании сталей элементами, образующими устойчивые карбиды (ванадий, вольфрам и молибден), а также при повышенном содержании хрома. Так, в сталях с сильными карбидообразующими элементами (18Х2ВФ, 20Х2МФ и др.) критические точки А_С1 и А_С3в сравнении с равновесными условиями повышаются на 200 и 250…260 °С соответственно. Следовательно, увеличение скорости нагрева при сварке может способствовать сокращению размеров участков ЗТВ, нагретых выше температуры, обусловливающей возможность частичной или полной закалки.

В работе М.Х Шоршорова показано, что в сталях, содержащих сильные карбидообразующие элементы, наблюдается противоположная закономерность влияния изменения скорости охлаждения на сопротивляемость холодным трещинам. В малоуглеродистых мартенситных сталях избежать трещин можно не только при сварке на мягких, но и на довольно жестких режимах. При мягких режимах сварки сопротивляемость замедленному разрушению повышается вследствие развития процессов самоотпуска мартенсита, релаксации напряжений, упорядочения строения границ зерен, снижения избыточной концентрации вакансий. При жестких режимах сварки минимальное разрушающее напряжение возрастает из-за уменьшения размера зерна в околошовной зоне, снижения концентрации углерода в мартенсите вследствие менее полного растворения карбидов при нагреве в аустенитном состоянии и, как результат, повышения температурного интервала мартенситного превращения.

Таким образом, в условиях неравновесного сварочного нагрева возможна неполнота растворения карбидов, приводящая к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. Это приведет к понижению устойчивости аустенита и положительно отразится на процессах превращения аустенита при охлаждении, способствуя образованию более равновесных структур распада в околошовныхзонах закаливающихся сталей. Всякий перегрев при сварке сопровождается ростом зерна и полнотой растворения карбидов. Эти факторы ведут к повышению устойчивости аустенита, чреваты увеличением объемного эффекта структурных превращений и образованием малопластичных и неравновесных хрупких структур закалки.