12.02.2018

Охрупчивание дуплексных нержавеющих сталей при промежуточных температурах


Образование интерметаллидных фаз отрицательно влияет на ударную вязкость и пластические свойства, а также на стойкость к коррозии. Вследствие высокого содержания хрома и молибдена в дуплексных нержавеющих сталях выделение указанных выше фаз вероятно при выдержке в соответствующих температурных интервалах. В результате этого температура при эксплуатации дуплексных нержавеющих сталей ограничена и не должна превышать 280 °С (535 °F). Сварочные технологии с правильно подобранными тепловложениями не должны привести к охрупчиванию, однако металл шва и ЗТВ будут более склонны к образованию интерметаллидов при повышенных температурах.

Автор работы подготовил широкий обзор интерметаллидных фаз в сварных изделиях дуплексных нержавеющих сталей для читателей, интересующихся данным вопросом.

Охрупчивание за счет альфа-прим фазы

Влияние микроструктуры на потерю ударной вязкости основного металла и ЗТВ стали 2205 при выдержке до температуры охрупчивания 475 °C (885 °F) характеризует рис. 7.19. В этом случае в микроструктуре металла моделированной ЗТВ содержится большее количество феррита, чем у основного металла (100 FN против 70 FN). Существенная потеря ударной вязкости в ЗТВ при выдержке в течение нескольких минут показывает, почему использование многопроходных швов и после сварочной термообработки может создать проблемы потенциального охрупчивания, если правильно не регулировать микроструктуру металла шва (т. е. баланс фаз).
Наоборот, металл моделированной ЗТВ стали 2507 значительно медленнее теряет ударную вязкость, благодаря более высокому содержанию азота и более низкому значению ферритного числа (80 FN против 100 FN для стали 2205; см. рис. 7.19,с). Так как сталь 2507 содержит больше хрома, охрупчивание феррита за счет альфа-прим фазы должно быть более быстрым. Однако более высокое содержание аустенита в металле моделированной ЗТВ смягчает эффект охрупчивания феррита, приводя к значительно более длительному времени старения для сопоставимой потери ударной вязкости. Тем не менее после выдержки в течение 100 ч обе стали резко снижают ударную вязкость. Даже хорошо сбалансированная микроструктура ЗТВ не может предотвратить охрупчивания, что и показывает, почему температуры свыше 280 °C (535 °F) не подходят для нержавеющих дуплексных сталей при их эксплуатации.

Охрупчивание за счет образования сигма-фазы

При температурах выше температуры образования альфа-прим фазы образуются выделения интерметаллидных фаз. Наиболее важным интерметаллидным соединением является сигма-фаза (в основном — соединение FeCr), хотя также может образовываться и хи-фаза (Fe36Cr13Mo10 или Fe3CrMo). Образование интерметаллидных соединений начинается при температуре примерно 570 °C (1000 °F) и становится наиболее быстрым при температуре от 800 до 850 °C (от 1470 до 1560 °F). В зависимости от химического состава стали такие интерметаллидные соединения растворяются вновь при температуре свыше 1000 °C (1830 °F).

ЗТВ сварного соединения и повторно нагреваемый металл шва неизменно имеют зоны, которые однократно или многократно подвергаются нагреву в диапазоне температур от 570 до 1000 °C (от 1000 до 1830 °F) и в которых образуются сигма-фаза и другие интерметаллидные фазы. Образование интерметаллидных фаз в дуплексной нержавеющей стали с содержанием хрома 22 % в состоянии после сварки обычно незначительно. Однако в дуплексной стали с содержанием хрома 25 % интерметаллидные фазы образуются более быстро и избежать наличия таких фаз в состоянии после сварки затруднительно. Ho если эти фазы залегают в виде ограниченных обособленных зон, то они мало влияют на свойства сварных соединений.

Сварные соединения из дуплексных нержавеющих сталей, особенно содержащие литые элементы, могут потребовать отжига для оптимизации микроструктуры. Стандарты ASTM А240 для катаных нержавеющих сталей и ASTM 890 для литых дуплексных нержавеющих сталей требуют проведения отжига при минимальной температуре 1040 °C (1900 °F) с последующей закалкой в воду. Однако при выборе температуры отжига сварных элементов необходимо принимать в расчет использование сварочных материалов с повышенным содержанием никеля. Автор работы установил, что повышенное содержание никеля в дуплексных нержавеющих сталях увеличивает максимальную температуру, при которой сигма-фаза стабильна (рис. 7.20).
Большое количество сигма-фазы было найдено в металле шва дуплексных сталей 2205 и 255 с содержанием никеля от 8 до 10 % после отжига при температуре 1040 °C (1900 °F), при этом относительное удлинение металла составляло 4 % и менее. На рис. 7.21 показана смесь сигма-фазы с ферритом и аустенитом в металле шва из стали 2205 с содержанием никеля 8,3 % после отжига в течение 4 ч при температуре 1095 °С (2000 °F), Отжиг при температуре от 1120 до 1 150 °C (от 2050 до 2100 °F) ликвидирует сигма-фазу.

Относительно коррозии повышенная температура отжига, необходимая для ликвидации сигма-фазы в металле шва с повышенным содержанием никеля, не всегда желательна, поскольку феррит сохраняет слишком много азота в растворе (см. рис. 7.5). Закалка с температуры 1120 до 1150 °C (с 2050 до 2100 °F) может привести к некоторому выделению нитридов. Для предотвращения этого явления была разработана технология ступенчатого отжига, которая предусматривала выдержку при температуре от 1150 °C (2100 °F) для растворения сигма-фазы, образующейся при нагреве, охлаждение с печью до температуры 1040 °C (1900 °F), выдержку в течение 2 ч при той же температуре и последующую закалку. Поскольку образовавшаяся при нагреве сигма-фаза растворялась при температуре 1150 °C, она сформировалась в виде зародышей при температуре 1040 °С, а при такой температуре процесс образования зародышей сигма-фазы медленный. Перед образованием зародышей сигма-фазы проводилась закалка, в результате чего металл сварного шва имел высокие пластические свойства и ударную вязкость. Следует отметить, что механическая прочность дуплексных нержавеющих сталей крайне низка при температуре отжига 1040 °C и необходимы меры предосторожности для обеспечения правильной поддержки и закрепления элементов конструкции во время термической обработки.





Яндекс.Метрика