12.02.2018

Послесварочная термическая обработка аустенитных нержавеющих сталей


В отличие от мартенситных сталей, для аустенитных нержавеющих сталей вообще не требуется регулирование температурой предварительного подогрева и между проходами при многопроходной сварке. Высокие значения этих температур снижают скорость охлаждения, что незначительно влияет на феррито-аустенитное превращение, так как оно проходит в области очень высоких температур, где управление указанными температурами незначительно влияет на скорость охлаждения. В тех случаях, когда выделение карбидов ведет к сенсибилизации, может возникнуть необходимость поддерживать температуру между проходами ниже определенного максимума, поскольку медленное охлаждение через температурный интервал выделения карбидов может быть опасным.

Послесварочная термическая обработка для снятия остаточных напряжений часто требуется при изготовлении толстостенных сварных конструкций. Поскольку коэффициент термического расширения (и сжатия) аустенитных нержавеющих сталей более высокий, чем у ферритных нержавеющих сталей, то остаточные напряжения у первых могут быть существенно больше. Снятие напряжений после сварки необходимо для снижения деформаций сварных конструкций, особенно после их механической обработки или если сварной элемент должен сохранять стабильность размеров при эксплуатации. Снижение остаточных напряжений также важно, если при эксплуатации сварной конструкции в ней может возникнуть коррозионное растрескивание под напряжением.

Принятая температура послесварочной термической обработки зависит от цели такой обработки — для снятия напряжений или изменения микроструктуры. Термическая обработка для снятия напряжений проводится в диапазоне температур от 550 до 650 °C (от 1020 до 1200 °F). Это ниже расположения "носика" кривой выделения карбидов (см. рис. 6.4) и ниже температурного интервала образования химических соединений. Следует обратить внимание, что рис. 6.4 показывает возможность возникновения сенсибилизации, если термическая обработка для снятия напряжений требует нескольких часов, что в свою очередь может потребоваться для весьма громоздких сварных конструкций, В таком случае рекомендуется использовать низкоуглеродистый основной и присадочный металлы либо стабилизированные марки сталей.

Послесварочная термическая обработка при более высоких температурах может быть в некоторых случаях желательна для более эффективного снятия остаточных напряжений либо для изменения микроструктуры металла в состоянии после сварки. Особое внимание следует проявлять в диапазоне температур от 650 до 900 °C (от 1200 до 1650 °F), поскольку в этом температурном интервале могут быстро образовываться и карбиды типа M23C6 и сигма-фаза. Реакция выделения карбидов может привести к сенсибилизации материала, а образование сигма-фазы — к охрупчиванию и потере ударной вязкости. Послесварочная термическая обработка в указанном диапазоне температур возможна, если металл шва полностью аустенитный, а основной и присадочный металлы — низкоуглеродистые. Как будет отмечено в дальнейшем, в металле шва, содержащем феррит, сигма-фаза образуется быстро.

Термическая обработка в диапазоне температуры от 950 до 1100 °C (от 1740 до 2010 °F) полностью снимает остаточные напряжения и изменяет послесварочную микроструктуру металла шва без образования карбидов и сигма-фазы. Нагрев свыше 950 °C (1740 °F) с последующим быстрым охлаждением удалит любые карбиды в исходной микроструктуре. Нагрев до температур, близких к 1100 °C (2010 °F), растворит часть или весь феррит в зависимости от времени выдержки при такой температуре, химического состава металла шва и количества феррита в состоянии после сварки. Если такая экстремальная термическая обработка используется, то требуется и быстрое охлаждение путем закалки в воду, так как в процессе медленного охлаждения возможно выделение карбидов.

Охрупчивание при температуре между проходами

Основной металл и металл шва аустенитных нержавеющих сталей склонны к охрупчиванию при образовании сигма-фазы. Эта обогащенная хромом фаза — номинально FeCr — является твердой и хрупкой и, присутствуя в металле в больших объемных долях, может снизить ударную вязкость и пластические свойства. В полностью аустенитной микроструктуре (при отсутствии феррита) выделения сигма-фазы незначительны и обычно требуют длительных выдержек (от сотен до тысяч часов) для ее образования при повышенной температуре. Она может образовываться в процессе эксплуатации или при послесварочной термической обработке. Сигма-фаза образуется в диапазоне температуры от 600 до 900 °C (от 1110 до 1650 °F) и наиболее быстро в аустенито-ферритном металле швов при температуре примерно 750 °C (1380 °F). Помимо хрома образованию сигма-фазы способствуют добавки: молибдена, ниобия, кремния, вольфрама, ванадия, титана и циркония, в то время как углерод и азот замедляют ее образование. Наличие феррита в микроструктуре, которое определяется балансом элементов — ферритизаторов и аустенизаторов, — существенно ускоряет образование сигма-фазы.

Поскольку содержание хрома в феррите больше, чем в аустените, наличие феррита резко ускоряет образование сигма-фазы, в результате чего металл швов, содержащий остаточный феррит, наиболее склонен к охрупчиванию. Использование присадочных материалов, дающих полностью аустенитный или с низким содержанием феррита металл шва — наиболее эффективный путь снижения вероятности охрупчивания за счет образования сигма-фазы. Следует быть внимательным, чтобы не вызвать кристаллизационное растрескивание при попытке избежать охрупчивания за счет образования сигма-фазы.

Основные свойства сигма-фазы:

- FeCr — равновесная фаза;

- температурный интервал образования выделений — от 600 до 900 °С;

- быстрое образование в металле швов, содержащих феррит;

- может образовываться при послесварочной термической обработке крупных конструкций;

- понижает коррозионную стойкость, пластические свойства и ударную вязкость.

Авторы работ показали, что старение металла шва стали марки 308 в диапазоне температуры от 650 до 750 °C (от 1200 до 1380 °F) приводит к растворению ферритной фазы сначала с образованием богатого хромом карбида M23C6, а затем — зародышей сигма-фазы. Авторы установили, что образование зародышей является шагом, лимитирующим скорость. Как только образовались такие зародыши, процесс дальнейшего образования сигма-фазы резко ускоряется. Холодная обработка ускоряет образование зародышей сигма-фазы. В сварных швах из стали марки 308, содержащих феррит, сигма-фаза может образоваться менее чем за 100 ч в диапазоне температуры от 650 до 750 °С (от 1200 до 1380 °F).

Поскольку для существенного снижения ударной вязкости и пластических свойств сигма-фаза в микроструктуре должна залегать непрерывно или почти непрерывно, удержание ферритного числа (FN) металла шва в диапазоне от 3 до 8 обычно вполне достаточно для исключения охрупчивания. Это связано с тем, что превращение феррита в сигма-фазу не является эквиобъемным, так как сигма-фаза богаче хромом, чем феррит. В металле шва с содержанием 8FN образуется примерно 4 % сигма-фазы. Такого количества недостаточно для охрупчивания сварного шва, однако можно ожидать некоторое снижение ударной вязкости.

Исследования, выполненные авторами работы, посвящены также явлению охрупчивания при температуре 475 °С (885 °F) металла шва марки 308, содержащего 11FN.. Поскольку феррит в металле шва аустенитных нержавеющих сталей можно рассматривать как ферритную нержавеющую сталь (с содержанием от 25 до 30 % хрома, от 4 до 5 % никеля), вкрапленную в аустенитную, то неудивительно, что наблюдается охрупчивание за счет превращения феррита в альфа-прим фазу. Авторы работы установили, что старение в диапазоне температур от 475 до 550 °C (от 885 до 1020 °F) в течение до 5000 ч значительно снижает ударную вязкость. Это выразилось в увеличении температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние и в соответствующем снижении максимальной величины энергии удара. При температуре 475 °C (88) снижение ударной вязкости было связано одновременно с образованием альфа-прим- и G-фазы, в то время как при температуре 550 °C (1020 °F) это было связано одновременно с образованием карбидов и сигма-фазы. Во всех случаях выделение охрупчивающих фаз связано с обогащением феррита хромом, а образование зародышей, как правило, происходит на границе феррит—аустенит.





Яндекс.Метрика