Диссертация (Разработка технологических основ электрошлаковой сварки чистых корпусных сталей АЭС), страница 5

Наиболее опаснаяконцентрация углерода примерно 0,14%.Рисунок 1.18. Изменение температуры начала зернограничныхподплавлений от содержания углерода в Ni – Cr – Mo стали [32]СтепеньразвитияВТХМНзначительноусиливаетсязавремясуществования ЗГП, за счѐт диффузионного перераспределения элементов междузернограничнымрасплавомитвѐрдойфазойматрицыпомеханизмувнутрикристаллической (дендритной) ликвации [21, 36]. Жидкую фазу насыщаютэлементы с равновесным коэффициентом распределения К < 1, о чѐм34свидетельствуют данные Табл. 4 [37] применительно к охлаждению слитков исварных соединений.Таблица 4.Коэффициент равновесного распределения Кразличных элементов в стали [37]В работе [38] установлено, что наиболее сильно должны ликвировать примесивнедрения S, O, C.

Степень развития ликвации имеет весьма сложнуюзависимость от скорости охлаждения (Vохл). При некоторой Vохл > V ликвацияхарактеризуется не равновесным, а эффективным коэффициентом распределения(Кэфф). По мере увеличения VохлКэфф → 1, что свидетельствует о подавленииликвации [36,38]. Считается, что зернограничная ликвация в диапазонеVохл,,характерном для сварочных процессов, Рисунок 1.19, может значительноувеличить время существования жидких прослоек вдоль границ зѐрен, т.е.существенно повышать склонность сталей с широким ТИХ к образованию ГМН[23]. По этой причине их иногда трактуют как горячие трещины ликвационногохарактера [32].При охлаждении по ТЦС обогащѐнные жидкие прослойки затвердевают иобразуют так называемые «первичные» границы [15]. На их формирование внизкоуглеродистыхсталяхсильноевлияниеоказываетперитектическоепревращение Ж + δ → γ [39].

Тем не менее, при травлении выявляются не этиграницы, а «вторичные», принадлежащие крупным аустенитным зѐрнам [40].35Трудность фиксации «первичных» границ связана с малой устойчивостьюпереохлаждѐнного первичного феррита и отсутствием структурных признаковперитектического превращения в охлаждѐнном металле [39].Рисунок 1.19. Влияние скорости охлаждения на развитие ликвации.Заштрихованные зоны соответствуют скоростям охлажденияв производстве слитков сплавов (1) и сварных соединений (2) [37]Ограниченное время пребывания металла при высоких температурах впроцессе сварки приводит к тому, что рост зерна при нагреве, как правило, незавершается, а продолжается при последующем охлаждении [41]. При этоминтенсивность роста замедляется, что компенсируется большим временемпребывания металла в участке перегрева ветви охлаждения ТЦС, особенно приЭШС /23/. По мере снижения температуры миграция границ зѐрен замедляется и,одновременно, развиваются процессы образования зернограничных сегрегаций,не имеющие принципиальных отличий от указанных ранее для ветви нагрева.Сегрегация особенно усиливается с приближением концентрации элементов кпредельной растворимости в матрице и способности их образовывать химическиесоединения[42].Известно,что,адсорбциянаграницахзѐреннекарбидообразующих элементов приводит к обеднению их углеродом [43].

Длякачественной оценки склонности сталей к образованию ГМН применяютсятехнологические жѐсткие пробы. Наиболее интересные и важные результатыполучены, тем не менее, с применением методик имитации ТЦС на образцах36малого размера [23].

Известно, что испытания на разрыв более чувствительны кналичиюЗГП,плѐночныхвключенийпограницамзѐрен,чемметаллографический или дифференциальный термический анализ [44].В работе [45] исследовали пластичность Fe – C – Mn стали в зависимостиот содержания углерода в подликвидусном интервале температур (Рисунок 1.20).Для сталей с содержанием Mn = 0,6 % и 1,6 % ТИХ различен. Установлено, чтоMn совершенно по-разному влияет на стали с содержанием углерода до 0,13% исвыше (Рисунок 1.20 а, б).

Особенно эффективно Mn повышает пластичность исужает ТИХ у сталей с содержанием С > 0.13%. При этом снижение серы всегоот 0,007% до 0,005% также значительно уменьшает ТИХ (Рисунок 1.20). При С <0,13%ТИХостаѐтсяпрактическинеизменным.Такимобразом,работоспособность критерия Mn/S зависит от содержания углерода в стали.Концентрация С = 0,13% соответствует перитектической точке для данной стали.Авторами работы [46] также обнаружено аномальное изменение прочности и пластичности в области δ → γ превращения.

Ф. Вейнбергом изучена пластичность номенклатуры марок сталей вблизи температуры плавления. Образцынагревали до оплавления, затем охлаждали до диапазонаТ = 1500-1350 0С,выдерживали и растягивали /46/. Установлено, что стали, содержащие 0,05 -0,012% С, хрупко разрушались, начиная с температуры на 40 0С ниже солидуса (TS),вследствие локального плавления границ зѐрен. Перед плавлением границ зѐреннаблюдалась значительная их миграция.Для сталей с содержанием С = 0,16 % хрупкое разрушение начинается на700С ниже TS, для С = 0,25 -1,00 % - на 400С.

Результаты работы позволяютсделать два важных вывода:- вероятно, зернограничная сегрегация сильно сказывается в сталях с С до0,25%, наиболее опасные концентрации С = 0,16%;- разрушение перегретого металла с С = 0,25 – 1,00% происходит из-замеждендритного оплавления областей, обогащѐнных растворѐнными элементами.37Рисунок 1.20. Диаграмма состояния Fe – C – Mn – сплавов и линиипластичности  = 0, 30 и 100%. Содержание Mn: а – 0,6%,б – 1,6%, в – тоже, что и б с низким содержанием серы [45]38Последнийвыводподтверждаетсяяпонскимиисследователями,изучавшими связь между хрупкостью от перегрева и поведением серы награницах зѐрен в стали с повышенным содержанием углерода 0,55С – Ni – 3Cr[47].

Показано, что при повышенном углероде сульфиды начинают плавиться при1100 0С, а при 1300 0С полностью растворяются в γ – твѐрдом растворе Fe.Связь режима ЭШС с образованием ГМН отражена в [10].Авторыполагают, что ГМН образуются только в сварных соединениях с малым проваромкромок (менее 10…15 мм), что объясняют удалением зоны их плавления отзеркала металлической ванны. Исходя из этого, рекомендовано уменьшатьглубину шлаковой ванны, вылет электрода и напряжение сварки. Представляетинтерес наблюдение, что ГМН могут образовываться в разных по высоте стыкасечениях при кажущейся стабильности режима сварки.

Трещины-надрывывыявляются только в случае применения ферритных проволок, для аустенитныхони отсутствуют [9].1.5. Влияние способа выплавки на свариваемость сталей (обзор)В настоящее время листовые заготовки для штамповки днищ и эллипсоидовпроизводятся из чистой стали, прошедшей обработку в установке внепечногорафинирования и вакуумирования (УВРВ). В картах днищ, собранных из УВРВметалла в некоторых случаях выявлялись протяжѐнные дефекты, представляющиесобой сплошные трещины с раскрытием до 3…5 мм (Рисунок 1.9).

Следуетотметить, что в сварных соединениях стали 15Х2НМФА мартеновской плавкитолщиной 120…350 мм, а также стали 10ГН2МФА дефекты такого типа ненаблюдались, Таблица 2. Поскольку влияние способа выплавки на возникновениепротяжѐнных разрушений в зоне сплавления не вызывает никаких сомнений,необходимо проанализировать с этой точки зрения свойства основного металла.Целыммеханическиерядомавторовсвойствасталиотмечается[48,49,влияние50,51].способаНаиболеевыплавкинаобъективнойхарактеристикой материала является вязкость разрушения, зависящая, преждевсего, от его структуры [52, 53, 54]. УВРВ-металл в сравнении с мартеновским39имеет более низкую трещиностойкость, что подтверждается случаями внезапныххрупких разрушений некоторых листовых заготовок (пл.181012, 190966 и др).При испытаниях ударных образцов с надрезом Шарпи, изготовленных из металлаэтих листов, установлено, что работа развития трещины практически равна нулю.В листе плавки 190966 трещина образовалась в процессе предварительногонагрева под сварку карты сборки днища № 8, Рисунок 1.10.

Подобным образомразрушилась карта эллипсоида толщиной 330 мм,на стадии еѐ нагрева поднормализацию после сварки и отпуска. Сталь эллипсоида характеризоваласьвысоким разбросом значений ударной вязкости в интервале температур хрупковязкого перехода.Считается, что легирование стали 15Х2НМФА, в основном, за счѐтсодержания Cr до 2,3%, обеспечивает сквозную прокаливаемость исследуемыхтолщин уже при обычной нормализации [57].

Тем на менее, ударная вязкость при-10 0С нормализованного мартеновского металла (пл. 105144, 104865) находитсяна пределе допустимой, а закалѐнного у тех же плавок – немногим выше.Свойства УВРВ-металла (пл. 190932, 190746 и др.) толщиной 79…140 мм выше,чем мартеновского независимо от способа улучшения. У стали пл. 104527 и180834 имеется значительный разброс ударной вязкости в пределах одного листа.В разных листах, но прокатанных из одного слитка, например пл. 132389,отмечены аналогичные недостатки независимо от толщины листа.

KCV-10прибыльной части, как правило, хуже, чем донной, пл. 105144, 180834, особеннодля листов толщиной 240 мм. Неоднородность исходных свойств при другихтехнологических операциях сохраняется и даже может усиливаться. Например,после термообработок по всей технологической цепочке изготовления днища изметалла плавки 180834 Тк0 оказался выше, чем в исходном состоянии(!). Наобразцах с низкими значениями KCV при -10 0С выявлен вязкий межзѐренныйизлом.Металл хрупко разрушившихся листовых заготовок отпускался при тех жетемпературах, что и мартеновский , но при этом имел повышенный В при 20 0С.Для стали 15Х2НМФА регламентирована температура хрупко-вязкого перехода Тк0 = -10 0С.40Вероятно,этимчувствительностиподтверждаютсямеханическихвыводысвойствработ[51,58]рафинированнойобольшейсталипослетермообработки в интервале температур высокого отпуска 640…700 0С.

Длялистовых значениями ударной вязкости при -100С попытки проведениядоотпуска приводят к снижению Тк0 по мере увеличения температуры отпуска ивремени изотермической выдержки. Однако, одновременно отмечается снижениениже допустимых характеристик прочности, вначале при 350 0С, а затем и при200С. Свойства сварных соединений изменяются с теми же закономерностями и,вдобавок, усугублены исходным крупнозернистым строением шва и структурнойнаследственностью стали. Для всех без исключения швов сварных соединениймартеновских плавок требовалось проведение дополнительной термообработки,из-за повышенного значения Тк0 и и пониженного В при 350 0С.Механические свойства электрошлаковых швов на стали рафинированнойплавки практически всегда были выше установленных техническими условиями.Учитывая пониженную трещиностойкость УВРВ-металла, было принято решениепровести сварку одной из заготовок предварительно разупрочнѐнной путѐмдополнительного отпуска при 680…7000С.