Конспект

48

Введение.

Технология сварки определяется с одной стороны конструктивными особенностями изделия и серийностью его производства, а с другой – условиями работы изделия и выбранными для его изготовления материалами.

Многие сварные конструкции, выпускаемые химическим, энергетическим и криогенным машиностроением, а также строительные сварные конструкции работают в условиях коррозии и кавитации, в условиях высоких и низких температур, нейтронного облучения и т.д. целью настоящего курса является изучение металлургических и технологических особенностей сварки плавлением, обеспечивающих высокую прочность и работоспособность сварных соединений специальных сталей и сплавов.

Тема 1. Специальные характеристики работоспособности сталей, сплавов и их сварных соединений.

К специальным характеристикам работоспособности относятся:

Коррозионная стойкость.

Жаропрочность.

Хладностойкость.

Коррозия сталей и их сварных соединений.

Коррозия – это поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды.

Это самопроизвольный процесс, протекающий с уменьшением свободной энергии (термодинамического потенциала) системы металл – окружающая среда. Практически все металлы, соприкасающиеся с газовыми или жидкими средами корродируют. Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Природа химической или общей коррозии характеризуется образованием химического соединения при взаимодействии металла с агрессивной средой без возникновения электрического тока. Образование окисной пленки (окалины) на поверхности металла при контакте с воздухом является одним из видов химической коррозии. Стойкостью против образования окисной пленки при высоких температурах (> 400⁰С) должны обладать жаростойкие жаропрочные и теплоустойчивые стали.

Стойкость сталей против окисления при высокой температуре (жаростойкость) определяется температурой, временем контактирования металла с воздухом или другим окислительным газом и химическим составом стали.

Основными элементами, обеспечивающими высокую окалиностойкость металла, являются хром, никель, кремний и алюминий, окислы, которых образуют на поверхности плотную защитную пленку, препятствующую дальнейшему окислению металла.

Влияние хрома на жаростойкость свали. (2)

Наиболее эффективно жаростойкость стали и металла шва может быть повышена при совместном легировании хромом и кремнием или хромом и алюминием. Так, например, сталь Х25Ю5 успешно может работать при температуре 1100 – 1300⁰С. скорость общей коррозии может изменяться и в линейных единицах (мм/год) и делиться на 5 баллов:

Баллы Скорость коррозии:

1 – весьма стойкий 0,1 мм/год

2 – стойкий 0,1 – 1

3 – сравнительно стойкий 1 – 3

4 – малостойкий 3 – 10

5 – нестойкий > 10

Металл, характеризуемый стойкостью 3 – 5 баллов следует считать непригодным для эксплуатации. 2 – й балл характеризует ограниченную стойкость.

Природа электрохимической коррозии характеризуется растворением металла в электролите при прохождении тока: ионного в электролите и электронного в металле.

В случае контакта металла с электролитом ион металла стремиться перейти в электролит. Сравнительная степень стремления к переходу ионов металла в водный раствор характеризуется стандартным электродным потенциалом.

Таблица

Стандартные электродные потенциалы металлов в водных

растворах при температуре 25⁰С.

(потенциал водорода принят за 0)

металл потенциал

Au + 1,50

Cu + 0,33

H₂ 0,00

Fe 0,03

Zn - 0,76

Al - 1,66

При электрохимической коррозии, когда между контактирующими металлами или структурными составляющими металла возникает разность потенциалов, параллельно протекают два процесса: растворение ионов металла – анода в электролите и нейтрализация ионов водорода электролита на катоде. С этим связано разрушение анода.

Одним из видов электрохимической коррозии является межкристаллитная коррозия – наиболее опасный вид коррозионного разрушения. Развиваясь по границам зерен, она распространяется в толщину металла.

Межкристаллитной коррозии подвержены обычно металлы с однофазной структурой. Что касается сталей, то к межкристаллитной коррозии склонны стали аустенитного и ферритного классов. При этом наибольшую склонность к коррозии аустенитные стали проявляют после нагрева до 600 – 800⁰С, а ферритные – после нагрева выше 900⁰С и последующего быстрого охлаждения. Наиболее распространенной теорией межкристаллитной коррозии является теория обеднения, согласно которой при нагреве аустенитной хромоникелевой стали в интервале 600 – 800⁰С по границам зерен выпадают карбиды хрома, а пограничные участки зерен обедняются хромом, между карбидами хрома и пограничными участками зерен возникает разность электродных потенциалов, что и приводит к межкристаллитной коррозии.

Схема влияния температуры и продолжительность

нагрева на склонность аустенитных сталей и швов к М.К.К.

Что касается хромистых ферритных сталей, то выпадение вторичных фаз по границам зерен, согласно теории обеднения, происходит в процессе быстрого охлаждения сталей. Выпадение карбонитридов не только обедняет пограничные участки зерен хромом, но и приводит к возникновению структурных напряжений, что также способствует появлению склонности к М.К.К.

Способы предотвращения М.К.К.

1. Термическая обработка сварных соединений.

• Аустенитные стали закаливаются с температурой 1050 – 1100⁰С или подвергаются стабилизирующему отжигу при температуре 850 – 900⁰С.

• Ферритные стали отпуску при температуре 700 – 750⁰С

(объяснить смысл термической обработки).

1. Снижение содержания углерода в стали до 0,02 – 0,03 (стали 000Х18Н10 и 00Х25Н20) и металле шва.

2. Стабилизация углерода титаном и ниобием (Ti/CNb/C>10).

3. Повышение феррита в аустенитных сталях до 20 – 25 % путем легирования Cr,Al,Si.

Ползучесть и длительная прочность являются жаропрочными характеристиками сталей и их сварных соединений.

Разрушение металлов при высоких температурах зависит не только от нагрузки, но и от времени ее приложения.

Предел прочности железа в зависимости от температуры испытания.

В заштрихованной области отмечают явление ползучести. Явления, происходящие в металле и связанные с процессами ползучести можно описать так. Пластическая деформация (наклеп) вызывает упрочнение металла. При высокой температуре, когда подвижность атомов достаточно велика, происходит снятие упрочнения (наклепа), вызванного пластической деформацией. Таким образом, в процессе ползучести происходят два конкурирующих процесса: упрочнение металла пластической деформацией и снятие упрочнения под воздействием повышенной температуры.

В связи с этим предел прочности металла зависит при высоких температурах от времени приложения нагрузки (времени испытания). Длительная прочность характеризуется напряжением, вызывающим разрушение металла за определенный отрезок времени при данной температуре.

Пределом ползучести называется напряжение, при котором через определенный промежуток времени, например 100.000 часов, при данной температуре деформация ползучести составит заданную величину, например 1%. Сварные соединения по структуре и механическим свойствам гетерогенны и испытаниям для определения предела ползучести обычно не подвергаются.

Процесс старения под воздействием высоких температур может происходить:

1. в сварных соединениях хромомолибденованадиевых теплоустойчивых перлитных сталях за счет перераспределения углерода между твердым раствором и карбидной фазой. Например, выделение дисперсных карбидов ванадия из твердого раствора и, как следствие этого, охрупчивание металла наблюдается в околошовной зоне сталей 15Х1М1Ф и 12Х1МФ при недостаточно высокой температуре отпуска сварных соединений (650 – 700⁰С).

2. в сварных соединениях хромоникелевых жаропрочных аустенитных сталей, содержащих некоторое количество ферритной ( ) фазы может происходить ее перерождение в - фазу за счет диффузии ___ обогащения - фазы хромом, кремнием, молибденом, ванадием. Образование - фазы происходит в интервале температур 600 – 900⁰С.

Склонность сварных соединений к старению оценивается сопоставлением ударной вязкости различных зон соединения в состоянии после сварки и после длительной выдержки при температуре испытания.

Хладностойкость металла и сварных его соединений характеризуется, в основном, изменением ударной вязкости при постепенном понижении температуры испытания, т.к. при понижении температуры прочность металла обычно несколько повышается, а пластичность и вязкость снижается.

Особенно резко снижение ударной вязкости выражено у сталей перлитного класса. Температура, при которой наблюдается скачкообразное падение ударной вязкости, называется порогом хладноломкости.

Порог хладноломкости при –90⁰С.

Может оцениваться и по

минимальной величине вязкой составляющей в изломе ударных образцов.

Порог хладноломкости углеродистых и низколегированных конструкционных сталей перлитного класса находится обычно в интервале температур от –20 до –60⁰С. Более низким порогом хладноломкости (от –50 до –80⁰С) обладают хорошо раскисленные, модифицированные стали (09Г26, 16Г2АФ, 10ХСНД и др.). Особенно заметно повышает хладностойкость перлитных сталей легирование их никелем.

Таблица.

Влияние никеля на порог хладноломкости железа (0,05 С).

С одержание % 0 3 6 8

Порог хладно-

ломкости ⁰С - 40 - 120 - 180 - 196

вязкая составля

ю щая >= 50 %