Диссертация (Разработка комплексной технологии термической обработки сварных соединений крупногабаритных изделий из хромомолибденованадиевой стали), страница 4

Так, при повышениисодержания хрома от 1,9 до 2,5% в стали 2,25Сr-1Mo прочность увеличиваетсяпримерно на 20 МПа после термической обработки по режиму термоулучшения[15]. В хромомолибденованадиевых сталях после закалки и высокого отпусканаблюдается та же тенденция роста прочности совместно с пластичностью ивязкостью при увеличении содержания хрома с ~1 до 3% [16]. По другим данным,повышениесодержанияхромаот1,0-1,5 %до2,5-3,0 %вхромомолибденованадиевой стали (типа 15ХМФА) приводит к снижениюпрочности примерно на 25% после термической обработки при одновременномповышении пластичности и работы удара [17]. Различное влияние хрома,оказываемое на прочность стали, вероятно, связано с начальной её структурой. Такпри переходе от мартенситной структуры к бейнитной разупрочнение при отпускестановится менее выраженным.

Возрастание работы удара с увеличениемсодержания хрома в хромомолибденованадиевой стали с бейнитной структуройпроисходит в связи с улучшением однородности и дисперсности структуры.В хромомолибденованадиевых сталях хром подавляет образование болеедисперсных и более устойчивых карбидов молибдена и ванадия. В связи с этим,20чрезмерное увеличение содержания хрома в таких сталях ведет к повышениюработы удара, но при этом понижается отпускоустойчивость, и соответственно,прочность при комнатной и повышенных температурах, а также длительнаяпрочность после длительных отпусков [15].Мнения о влиянии хрома на образование трещин повторного нагрева всварных соединениях хромомолибденованадиевой стали не однозначны.

Одниавторы утверждают, что увеличение содержания хрома повышает стойкостьнаплавленного металла хромомолибденованадиевого типа к ТПН (рис. 1.2), и присодержаниихромаболее3%наплавленныйметаллстановитсямалочувствительным к ТПН, поскольку карбиды, образующиеся в таком сплаве, несклонны к вторичному твердению [18]. Другими авторами показано, что хромвходит в ряд формул по расчету склонности к образованию трещин повторногонагрева, из которых видно, что увеличение его содержания нежелательно сустановлением следующих критериев:∆G=Cr+3,3Mo+8,1V-2<0 (условие отсутствия трещин) [19];(1.1)∆G1= Cr+3,3Mo+8,1V+10C-2<2 (условие отсутствия трещин) [20];(1.2)PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2<0 (условие отсутствия трещин) [21]. (1.3)Кроме того, отмечено, что карбиды хрома, такие как M7C3 и M23C6, участвуютв растрескивании при повторном нагреве [22].100PWHT: 620°С × 5ч.% растрескивания8001Cr-1Mo-V2Cr-1Mo-V3Cr-1Mo-V4Cr-1Mo-V5Cr-1Mo-V604020000,10,20,3Содержание V, вес.%Рисунок 1.2 – Влияние содержания Cr и V на чувствительность металла шваCr-Mo-V стали к трещинам повторного нагрева.21Что касается общей трещиностойкости основного металла, то она возрастаетпри увеличении содержания хрома примерно до 3% и затем плавно снижается(рис.1.3) [18].

При этом заметное снижение уровня трещиностойкости происходити при проведении испытаний на предварительно наводороженных образцах.750Cr-MoК1н, Мпа·м1/2700Cr-Mo-V650600образцы без H2550250SA-336 F22VSA-336 F3VК1н, Мпа·м1/2200Cr-Mo-V150100Cr-Moобразцы с H2502,03,04,0Содержание Cr, % вес.5,0Рисунок 1.3 – Влияние содержания Cr на коэффициенты трещиностойкости дляхромомолибденовой стали при комнатной температуре.Молибден в 2,25Cr-1Mo-V сталях оказывает положительное влияние напрочностьиотпускоустойчивость,чтосвязываютсеговлияниемнатермодинамическую стабильность сложных карбидов хрома в условиях отпуска[16]. На характеристики прочности молибден оказывает влияние в меньшейстепени, чем хром (рис.1.4). Но за счет мелкодисперсных карбидов Mo2C молибдензначительно увеличивает сопротивление ползучести стали.

Однако, длительныевыдержки стали при повышенной температуре приводят к росту карбидов Mo2C иснижению степени их когерентности с матрицей, что может привести кувеличению чувствительности стали к ТПН [23]. Влияние молибдена в2,25Cr-1Mo-V сталях на прочность и отпускоустойчивость существенно зависит отсодержания хрома: при содержании хрома на уровне 1,5% влияние молибдена22значительно сильнее, чем при 3-х процентном содержании хрома. Так какотпускоустойчивость – один из важных технологических параметров приизготовлении толстостенных реакторов, то в сталях SA-336M\182М F22V(SA-542M Type D class 4a) содержание хрома ограничивают до 2,5% (2,6%), а встали 15Х2МФА-А - до 3,0%.

Приведенное в таблице 1.3 ограничение посодержанию молибдена до 1,1% основано на том, что при дальнейшем повышениисодержания молибдена (сверх 1,1%) независимо от содержания хрома происходитб)σ0,2σВТC, вес.%→Cr, вес.%→Mo, вес.%→V, вес.%→Содержание C, Cr, Mo и V, вес.%Температура вязко-хрупкого перехода, °Са)Предел текучести и предел прочности, кгс/мм2заметное снижение характеристик работы удара [13].в)Рисунок 1.4 – Влияние легирующих элементов на механические свойстваCr-Mo-V стали при комнатной температуре:а) изменение σв, σ0,2, ψ [16]; б) изменение KCU [16].в) изменение σв, σ0,2, критической температуры хрупкости Т [15].Значительное повышение уровня прочности и служебных свойств удаетсядостигнуть при введении в хромомолибденовую сталь ванадия.

Оказывая влияниена замедление диффузионных процессов, в том числе посредством выделения ввиде мелкодисперсных стабильных карбидов, ванадий благоприятно воздействуетна характеристики прочности.В то же время ванадий не оказывает значительного влияния на критическуюскорость начала бейнитного превращения при содержании до 0,3% и начинает ее23снижать при дальнейшем увеличении, но значительно увеличивает устойчивостьаустенита [24].Ванадийвсопротивляемостихромомолибденовойкводородномусталиспособствуетохрупчиваниюзасчетповышениюсозданиямелкодисперсных карбидов, которые служат микроловушками для водорода,замедляют его диффузию и препятствуют процессу скопления водорода вколичестве,необходимомдляобразованиятрещин.Резкоеувеличениесопротивляемости водородному охрупчиванию происходит после увеличениясодержания ванадия выше 0,2% (весовых) [9].

Однако чрезмерное увеличениесодержания ванадия приводит к повышению чувствительности металла ктрещинам повторного нагрева, что проиллюстрировано коэффициентами ∆G, ∆G1,PSR [19 - 21]. Это и обусловило его марочные ограничения до 0,35% для основногометалла и до 0,40% для металла шва [11 - 12].Введение и увеличение содержания ванадия значительно повышаетотпускоустойчивость, прочность, как при комнатной, так и при повышенныхтемпературах [24], а также длительную прочность _[25]. Следует отметить, что сувеличением содержания хрома эффект положительного воздействия ванадия надлительную прочность снижается.Ванадий имеет высокое сродство к углероду, большее, чем у молибдена.

Привведении в сталь ванадий «оттягивает» на себя углерод, молибден при этомостаётся в твердом растворе, что приводит к дополнительному упрочнению стали.Ванадий преимущественно выделяется в виде мелкодисперсных карбидов V4C3,что приводит к значительному росту прочности зерна [26]. В то же время карбидыванадия, как карбиды типа MxCy при достаточной температуре и времени выдержкимогут расти на границах зерен, что приводит к их охрупчиванию.Углерод также является одним из главных легирующих элементов стали, таккак все карбиды формируются с его участием. Изменяя соотношение содержанияуглерода и карбидообразующих элементов, можно варьировать свойства стали.Для 2,25Cr-1Mo-V стали содержание углерода соответствует 0,09-0,18%, что всовокупности с другими легирующими элементами стали придает достаточную для24корпусов реакторов гидрокрекинга стойкость к ползучести и длительнуюпрочность [27].

Увеличение содержания углерода в стали приводит, помимоснижения указанных свойств, к увеличению склонности к холодным трещинам присварке, так как это повышает её углеродный эквивалент и снижает температурупревращения аустенита в мартенсит [5, 28].Марганец, как и кремний, даже в небольших количествах оказываетсущественное влияние на снижение критической скорости начала бейнитногопревращения и увеличивает прочность хромомолибденовой стали (рис.1.5) [29].В то же время для сталей, работающих при высоких температурах, стремятсяснизитьсодержаниемарганцаикремния,какэлементов,значительноповышающих чувствительность к тепловой и отпускной хрупкости. Уменьшениесодержания марганца способствует снижению загрязненности неметаллическимивключениями, повышению пластичности и работы удара хромомолибденовойстали [30].

Кроме того, увеличение содержания этих элементов приводит кповышению склонности стали к холодным трещинам при сварке [5]. Однако, доопределенных концентраций марганец может улучшать пластичность при высокихтемпературах, нейтрализуя вредное влияние серы [31]. Содержание кремния встали 2,25Сr-1Mo с ванадием и без него стараются ограничить до 0,15%, чтобы недопустить снижения прочности в зоне термического влияния при отпуске послесварки [14, 30]. Низкое содержание кремния способствует уменьшениюзагрязненности неметаллическими включениями, повышению сопротивлениятепловой хрупкости и увеличению пластичности при испытаниях на длительнуюпрочность.25Предел прочности и предел текучести, МПаа)Предел прочностиПредел прочностиПредел текучестиПредел текучести00,51,0 00,51,0Содержание марганца, %б)Рисунок 1.5 - Изменение структуры (а), предела прочности и предела текучести (б)стали 2,25Cr-1Mo в зависимости от содержания Mn и Si [29]:а – скорость охлаждения 65°С/мин (толщина 140 мм);b – скорость охлаждения 22°С/мин (толщина 250 мм).Влияние марганца и кремния на склонность стали к ТПН окончательно неопределено.

В работе [32] показано снижение склонности стали к ТПН присоотношении марганца и кремния от 2,5 до 4,0 %. Однако, в других работах былинайдены косвенные признаки влияния марганца и кремния на образование ТПН[33 - 35].Дляповышенияпрочности,отпускоустойчивости,сопротивленияползучести и измельчения зерна 2,25Сr-1Mo стали производители используютмикролегирование ниобием, титаном и бором [36]. Добавка ниобия вхромомолибденовые стали способствует повышению предела прочности при26повышенных температурах и предела длительной прочности.

Nb, Ti, B могутобразовывать карбиды, нитриды или карбонитриды, которые стабильны привысоких температурах. Карбиды и карбонитриды титана, ниобия и ванадия ввидусхожести кристаллических структур, обычно, выделяются совместно.При использовании добавок ниобия одновременно с добавками титанаобразуются комплексные выделения нитридов титана с ниобием и ванадием,которые не растворяются даже при высоких температурах. В результате этогозначительная часть ванадия и ниобия выводятся из твердого раствора, чтоприводит к уменьшению количества повышающих прочность мелкодисперсныхкарбонитридов ванадия и ниобия, выделяющихся при отпуске [36].Бор даже в остаточном состоянии (единицы ррm) может оказыватьзначительное влияние на снижение критической скорости начала бейнитногопревращения и повышать прочность стали. Эффект от введения бора может бытьпотерян, если он соединяется с азотом. Поэтому обычно при введении бораодновременно добавляется титан, чтобы связать азот.В работе [14] показано, что введение 0,003% бора в сталь 2,25Сr-1Moприводит к повышению предела прочности при 4500С на 10 МПа, введение 0,05%титана – на 15 Мпа.

Одновременные добавки этих элементов в тех же количествахдают повышение прочности при 4500С на 29 – 39 МПа. Бор сегрегирует на границахаустенитных зерен и выделяется в виде карбоборидов М23(В,С)6 при охлаждении.При низком содержании азота уже 5 ррm бора приводят к повышениючувствительности стали к трещинам повторного нагрева. Повышение содержанияазота нейтрализует этот отрицательный эффект [30].Кроме основных легирующих элементов, которые вводят специально, в сталиприсутствуют примесные элементы, такие как сера, фосфор, сурьма, свинец,висмут, олово и другие.