Испытание нержавеющих сталей на пластичность в горячем состоянии

Пластичность при повышенных температурах может предоставить некоторую информацию о свариваемости материала, так как образование трещин, обычно, связывается с потерей пластичности. Большинство испытаний на пластичность в горячем состоянии включают в себя испытание как при нагреве, так и при охлаждении. Для правильного моделирования скоростей нагрева и охлаждения при сварке было разработано специальное оборудование для быстрого нагрева маленьких лабораторных образцов. Наиболее широко используемые машины для проведения таких исследований были разработаны в 1950 г. авторами работы. Такие машины называются Gleeble и выпускаются в настоящее время на коммерческой основе фирмой DSI, Inc. В машинах марки Gleeble используется нагрев проходящим током (I2R) маленьких образцов при точном контроле температуры и охлаждении за счет теплоотвода в водоохлаждаемые медные губки. Можно достичь скорости нагрева до 10 000 °С/с. Эти машины также позволяют механически испытывать образцы в любой точке запрограммированного термического цикла.

Испытания на пластичность в горячем состоянии обеспечивают для материала некий “признак” пластичности, что дает несколько конкретных характеристик (рис. 10.10). При определении пластичности на стадии нагрева большинство материалов показывает рост пластичности с ростом температуры и последующим резким его падением. Падение пластичности связано с началом плавления. Температура, при которой пластичность падает до нуля, называется температурой нулевой пластичности (NDT). При этой температуре материал имеет определенную прочность. Дополнительные испытания проводят для определения температуры, при которой прочность равна нулю, называемой температурой нулевой прочности (NST).

Для снятия кривой пластичности при охлаждении образцы нагревают до температуры нулевой прочности (или температуры между NDT и NST), охлаждают до заранее заданной температуры и испытывают. Точка, при которой наблюдается заметная измеряемая пластичность, называется температурой восстановления пластичности (DRT). При этой температуре жидкость, образовавшаяся при нагреве выше температуры нулевой пластичности, кристаллизуется до такой степени, что образец обладает определенной пластичностью при испытании на растяжение.

Примеры результатов испытаний на горячую пластичность для сталей марок 310 и А-286 на основании работы автора показаны на рис. 10.11. Это те же материалы, которые были описаны ранее применительно к точечному испытанию по методике Varestraint. Следует обратить внимание на то, что кривые пластичности на стадии нагрева и охлаждения практически идентичны, а температура нулевой пластичности и температура восстановления пластичности почти совпадают. Температура нулевой прочности примерно на 25 °C выше температуры нулевой пластичности. Это показывает, что жидкие пленки на границах зерен, образующиеся между указанными температурами при нагреве, кристаллизуются на стадии охлаждения при температуре 1325 °С. Поскольку температурный диапазон существования жидких пленок в частично расплавленной зоне ЗТВ узок, материал будет достаточно стойким к образованию ликвационных трещин в ЗТВ.

Микрошлиф образца стали А-286, нагретого до температуры нулевой прочности, показан на рис. 10.12. Следует обратить внимание на полное покрытие границ зерен жидкими пленками. Указанный механизм описан в главе 8. В отличие от случая для стали марки 310, кривые для стали А-286 на стадиях нагрева и охлаждения носят совершенно другой характер (рис. 10.11, внизу). Температура нулевой пластичности для стали А-286 примерно равна 1200 °C, а температура нулевой прочности 1350 °С. После нагрева до температуры нулевой прочности на стадии охлаждения пластичность не восстанавливается до температуры примерно 1050 °С. Таким образом, жидкие пленки по границам зерен существуют в диапазоне температур свыше 300 °C ниже температуры нулевой прочности. Эго обеспечивает очень широкую зону частичного расплавления в ЗТВ и делает материал весьма склонным к ликвационным трещинам в ЗТВ.

Аналогично точечному испытанию по методике Varestraint результаты испытаний на пластичность в горячем состоянии (снятые с кривых температура нулевой пластичности, температура нулевой прочности и температура восстановления пластичности) могут быть использованы для определения области склонности к трещинам в ЗТВ, При наведении сварочной ванны ликвация начинается тогда, когда материал нагрет выше температуры нулевой пластичности. Разница между температурами нулевой пластичности и ликвидуса на границе сплавления определяет ширину диапазона температуры ликвации на стадии нагрева. Для удобства температуру нулевой прочности используют для аппроксимации температуры ликвидуса.

В охлаждающейся части ЗТВ жидкие пленки будут кристаллизоваться в области, нагретой между температурой нулевой пластичности и нулевой прочности. Величина температуры восстановления изменяется в зависимости от максимальной температуры и имеет минимальное значение в точке, наиболее близко расположенной к границе сплавления. Разность между температурами нулевой прочности и восстановления пластичности будет представлять максимальный интервал температур, при котором в ЗТВ существуют жидкие пленки. Затем эта величина может быть использована для определения интервала температур ликвационных трещин (LCTR). Последняя величина является мерой склонности к ликвационным трещинам, аналогичная температурному интервалу склонности к трещинообразованию для металла шва. Для стали марки 310 она составляет 25 °С, в то время как для стали марки А-286 — 300 °С.

К сожалению, не существует стандартной методики для генерирования кривых испытаний пластичности в нагретом состоянии. Основные параметры испытаний по методике, использованной автором работы для получения данных, показанных на рис. 10.11, приведены далее:

1) образцы имели диаметр 0,25 дюйма (6,35 мм) и длину 4 дюйма (100 мм) и резьбу на концах;

2) база испытания образцов составляла 1,0 дюйм (25 мм) — расстояние между зажимами машины Gleeble. Все испытания проводили в среде аргона;

3) температура нулевой прочности определялась при скорости нагрева 200 °F/c (111 °С/с) при статической нагрузке в 10 кгс до разрушения образца;

4) испытания на стадии нагрева проводили путем нагрева до желаемой максимальной температуры за 12 с, а затем растягивали образцы до разрушения со скоростью 2 дюйма/с (50 мм/с). Время стадии нагрева было основано на испытаниях, проведенных с целью определения температуры нулевой прочности;

5) испытания на стадии охлаждения выполнялись после нагрева образца до температуры нулевой прочности за 12 с и последующего охлаждения до желаемой температуры со скоростью 50 °C/с. Далее образец также растягивался со скоростью 2 дюйма/с до разрушения.