Механические свойства сварных соединений ферритных среднехромистых сталей

В отличие от низкохромистых ферритных нержавеющих сталей среднехромистые стали были хорошо исследованы для определения влияния сварки на механические свойства сварных соединений, включая такие марки сталей, как 430, 434, 436, 439 и 444. Как и у низкохромистых сталей, их механические свойства зависят от микроструктуры, и поэтому следует различать полностью ферритные и дуплексные ферритные/мартенситные структуры. В первом случае — ферритная структура, рост зерна и образование выделений существенно влияют на механические свойства, в то время как во втором случае влияние оказывают количество и природа мартенсита. К сожалению, многие исследователи недостаточно полно описывают микроструктуру или комментируют относительное влияние металлургических факторов.

Существует достаточное количество данных, демонстрирующих отрицательное влияние размера зерна феррита на ударную вязкость и пластические свойства. В табл. 5.7 приведены результаты испытаний на ударную вязкость образцов моделированной ЗТВ по методу Шарпи для двух стабилизированных сталей. Можно построить корреляцию между увеличенным размером зерна и существенным увеличением температуры перехода из хрупкого состояния в вязкое, а также сравнить падение энергии разрушения в обеих сталях. В моделированных образцах ЗТВ стали марки 436 установленное увеличение температуры перехода из хрупкого состояния в пластичное составило примерно 14 °C (25 °F) для размера (номера) зерна от 6 до 3,5 по стандарту ASTM, как показано на рис. 5.17. Было установлено, что пластичность при испытаниях на изгиб металла моделированной ЗТВ из стали марки 436 также снижается с ростом размера зерна, как показано на рис. 5.18. Так же, как и для данных на рис. 5.17, микроструктура была полностью ферритной и разрушение происходило по телу зерна. Авторы работы также показали влияние выдержки при высоких температурах с последующим ростом зерна на механические свойства образцов металла моделированной ЗТВ из стали марки 430Nb (рис. 5.19). Значительное снижение пластических свойств при растяжении наблюдалось и в образцах, нагретых до температуры 1350 °C (2460 °F), однако этот эффект усложнялся наличием по границам зерен как мартенсита, так и остаточного аустенита.

Очевидно, что снижение ударной вязкости и пластических свойств сварных соединений среднехромистых сталей непосредственно не связано с размером зерна. Авторы работы предположили, что выделения внутри зерен, образующиеся вследствие быстрого охлаждения, также оказывают влияние. Было установлено, что быстро охлажденные образцы имеют более низкую ударную вязкость по сравнению с образцами, охлаждаемыми медленнее и с эквивалентным размером зерна. Авторы работы связали потерю пластических свойств стали марки 444 как с ростом зерна, так и с выделением весьма мелких частиц в металле шва и ЗТВ. Возможно, что эти частицы представляют собой титансодержащие или богатые хромом нитриды или карбонитриды, причем кинетически наиболее вероятно в условиях быстрого охлаждения образование нитридов Cr2N, богатых хромом.

Совместное влияние размера зерна и выделений на ударную вязкость металла шва и ЗТВ аналогично явлению высокотемпературного охрупчивания, характерного для средне- и высокохромистых сталей, нагретых свыше 0,7 Тпл. В отличие от ферритного основного металла управлять высокотемпературным охрупчиванием при сварке сложно вследствие наличия высоких температур, провоцирующих рост зерна, а также растворения дисперсных выделений на стадии нагрева и более равномерного их выделения внутри зерен при охлаждении. Кроме того, воздействие стабилизирующих элементов, таких как титан и ниобий, менее эффективно при сварке, так как при высокой скорости охлаждения наблюдается тенденция к выпадению выделений, богатых хромом. Таким образом, в полностью ферритной микроструктуре природа выделений оказывает существенное негативное влияние на ударную вязкость и пластические свойства, особенно совместно с сильным ростом зерна.

Послесварочная термическая обработка может смягчить это влияние за счет огрубления дисперсных выделений. Если в сталях образуется аустенит при повышенных температурах, то влияние дисперсных выделений может быть снижено, так как углерод и азот будут диффундировать в аустените и количество этих элементов снизится для образования выделений в феррите. Это должно быть сбалансировано по отношению к потенциально вредному влиянию мартенсита, образующегося при охлаждении, как описано в работе.