Свариваемость мартенситных нержавеющих сталей

Поскольку после сварки в сварных соединениях мартенситных нержавеющих сталей присутствует неотпущенный мартенсит, такие стали склонны к растрескиванию, вызванному водородом. При сварке этих сталей рекомендуется применять предварительный подогрев и послесварочную термическую обработку, что также снижает остаточные напряжения. Применение низководородных технологий снижает насыщение шва водородом, что весьма существенно при сварке мартенситных нержавеющих сталей.

Пластические свойства и ударная вязкость — важные свойства металлов. Материалы с низкими пластическими свойствами потенциально склонны к хрупкому разрушению при динамической нагрузке. Они также склонны к внезапным катастрофическим разрушениям. Послесварочная термическая обработка может улучшить пластические свойства сварных элементов из мартенситных нержавеющих сталей за счет отпуска мартенсита. В табл. 4.7 приведены результаты механических испытаний на растяжение для металла швов нескольких мартенситных нержавеющих сталей, способ сварки — дуговая сварка под флюсом (SAW). Для наплавки валков использовались все стали.

Из данных табл. 4.7 следует, что с повышением температуры послесварочной термической обработки прочность и твердость металла снижаются, а пластические свойства повышаются. Следует отметить, что небольшие добавки ванадия способствуют более медленному снижению твердости металла по мере роста температуры послесварочной термической обработки. Это связано с вторичным упрочнением за счет выпадения карбидов ванадия в указанном диапазоне температуры послесварочной термической обработки.

Кристаллизационное и ликвационное растрескивание

Большинство нержавеющих мартенситных сталей кристаллизуются как феррит, поэтому их склонность к кристаллизационному растрескиванию достаточна низка. Однако, как известно, определенные факторы увеличивают склонность к ликвационному или кристаллизационному растрескиванию. Этими факторами являются наличие ниобия в стали и низкое содержание марганца в ней. Нержавеющие мартенситные стали с высоким содержанием углерода могут кристаллизоваться, как аустенит, что делает их более склонными к кристаллизационному растрескиванию. Такое растрескивание наблюдалось в сталях с содержанием хрома 12 % при наличии ниобия вследствие сегрегации последнего. Ликвационное растрескивание в мартенситных нержавеющих сталях встречается редко.

Растрескивание при повторном подогреве

Растрескивание при повторном подогреве возникает при нагреве под послесварочную термическую обработку или при подогреве предыдущих проходов в многопроходных швах. Образование трещин связывают с наличием молибдена, а также таких примесей, как сера, фосфор, сурьма, олово, бор и медь. Для предупреждения образования трещин следует снижать наличие указанных примесей в стали, увеличивать тепловложение и устранять концентраторы напряжений. Вообще мартенситные нержавеющие стали не считаются склонными к такому виду растрескивания в отличие от многих низколегированных высокопрочных сталей, легированных хромом, молибденом и ванадием.

Растрескивание, вызванное водородом

Растрескивание, вызванное водородом (HIC), зависит от химического состава стали, содержания водорода, микроструктуры и жесткости сварного элемента. Управляя указанными факторами, возможно избежать этого вида растрескивания. Применение низководородных технологий сварки, использование предварительного и сопутствующего подогрева помогают снизить содержание водорода. Два последних фактора также позволяют снизить скорость охлаждения, что приводит к отпуску мартенсита. Полезно также медленное охлаждение от температур, полученных в многопроходных швах, до температуры конца мартенситного превращения. Так, например, при наплавке мартенситными нержавеющими сталями валков установок непрерывной разливки стали валки снимают со сварочной оснастки и со всех сторон закрывают теплоизоляционными материалами для медленного охлаждения до температуры 100 °C (212 °F) в течение от 16 до 24 ч.

В некоторых случаях для сварки определенных марок мартенситных нержавеющих сталей применяют аустенитные нержавеющие присадочные материалы. Это приводит к образованию в шве двухфазного металла аустенит + феррит с повышенной растворимостью водорода и к повышению ударной вязкости и пластических свойств. Металл таких швов имеет меньшую прочность по сравнению с основным металлом, что следует учитывать при проектировании сварных конструкций. Наиболее часто аустенитные присадочные материалы используют при сварке нержавеющей стали марки 410, которая находится перед сваркой в отожженном состоянии и не подвергается послесварочной термической обработке. Согласно требованиям стандарта ASTM А240, отожженная сталь марки 410 имеет минимальный предел прочности 450 МПа (65 ksi) и минимальный предел текучести 210 МПа (30 ksi), поэтому используют в этом случае присадочные материалы марки 309L. Следует отметить, что прочностные показатели указанного присадочного металла выше таковых для основного металла марки 410. Наиболее часто используют дуговую сварку плавящимся электродом в защитном газе, применяя в качестве электродного материала ER309LSI, поскольку данный способ сварки обеспечивает низкое тепловложение в свариваемый элемент, минимизируя ширину ЗТВ. Кроме того, для этого способа сварки характерно низкое содержание водорода в шве, что позволяет использовать сварные конструкции в состоянии после сварки для различного применения.