Механические свойства сварных соединений ферритных высокохромистых сталей

Ударная вязкость и пластические свойства высокоуглеродистых и высокохромистых сталей, таких как сталь марки 446, в состоянии после сварки крайне низкие вследствие совместного влияния крупного зерна и значительного количества примесей внедрения. В отличие от низко- и среднехромистых сталей свойства сварных соединений более чувствительны к химическому составу, чем к микроструктуре, и металл шва и ЗТВ этих сталей весьма склонен к высокотемпературному охрупчиванию. Например, авторы работы показали, что в сталях с содержанием 26 % хрома максимально допустимое содержание примесей внедрения для обеспечения удовлетворительных пластических свойств сварного соединения должно составлять 150*10в-6 (150 ppm). Свыше этого уровня ударная вязкость и другие пластические свойства существенно снижаются. Использование углеродных стабилизаторов, таких как титан и ниобий, эффективно для снижения негативного влияния высокотемпературного охрупчивания, но, как было показано в работе, излишнее содержание стабилизаторов может быть вредным. Кроме того, эти стабилизаторы ограниченно влияют на рост зерна и охрупчивание, которое является его результатом. В целом считают, что титан более эффективно воздействует на размер зерна, чем ниобий. Автор работы предложил добавку "пластифицирующих" элементов, таких как алюминий, медь, ванадий, платина, палладий или серебро, для повышения пластических свойств сварных соединений. Однако существует немного данных, подтверждающих их эффективность. В целом свойства сварных соединений определяются преимущественно выбором марки стали и могут быть улучшены использованием материалов с низким содержанием примесей внедрения и/или соответствующим уровнем содержания стабилизирующих элементов.

Большинство публикаций по высокохромистым ферритным нержавеющим сталям относятся к использованию дуговых способов сварки, так как эти стали изначально предназначались для замены аустенитных нержавеющих сталей при изготовлении секций с умеренными толщинами. В результате для соединения этих сталей были исследованы следующие дуговые способы сварки: вольфрамовым электродом в защитном газе (GTAW), плавящимся металлическим электродом в защитном газе (GMAW) и металлическим покрытым электродом (SMAW). Автор работ опубликовал результаты исследований по ударной вязкости на образцах Шарпи сварных соединений из ряда высокохромистых сталей, выполненных дуговой сваркой в защитном газе вольфрамовым и плавящимся металлическим электродом. Результаты этих исследований применительно к дуговой сварке вольфрамовым электродом в защитном газе как для стандартной высокочистой стали 26Сr—1Mo, так и для стали, стабилизированной титаном, приведены на рис. 5.20. Следует заметить, что некоторое повышение ударной вязкости может быть достигнуто за счет регулирования режимом сварки для стандартной стали, в то время как стабилизированная сталь показала низкую ударную вязкость, несмотря на регулирование режимом сварки (автор не указал параметры режима сварки). Использование дуговой сварки металлическим покрытым электродом с применением различных аустенитных сварочных материалов (см. рис. 5.20b) предотвращает резкое изменение температуры перехода из хрупкого состояния в вязкое, которое продемонстрировали швы, выполненные дуговой сваркой вольфрамовым электродом без присадочного материала (GTA), но при этом верхние значения ударной вязкости оказались малы. Вероятно также, что ударная вязкость ЗТВ и пластические свойства таких швов будут низкими. Использование послесварочной термической обработки для улучшения свойств сварных соединений не исследовалось.

Автор работы установил, что уровень тепловложения сварочного источника незначительно влияет на пластические свойства сталей с содержанием хрома 26 %, возможно, потому, что рост зерна был значителен при всех тепловложениях. Несмотря на это, рекомендуется минимизировать тепловложение для таких материалов. Кроме того, учитывая тенденцию к резкому росту зерна, не следует применять предварительный подогрев, а нагрев металла при наличии нескольких проходов необходимо минимизировать. Как и в случае низкохромистых сталей, было показано, что послесварочная термическая обработка улучшает свойства металла по сравнению с состоянием после сварки преимущественно за счет изменения природы дисперсных выделений, вызывающих высокотемпературное охрупчивание. Влияние послесварочной термообработки при температуре 850 °С (1560 °F) на пластические свойства стали с содержанием 26 % хрома представлено на рис. 5.21. Быстрое охлаждение с температур послесварочной термической обработки обеспечивает повышение пластических свойств в диапазоне температур испытаний на растяжение, в то время как медленное охлаждение дает резкое снижение пластических свойств. Послесварочная термическая обработка с последующим резким охлаждением способствует растворению выделений, образовавшихся при сварке, и сдерживает их образование вновь, в то время как медленное охлаждение с температур послесварочной термической обработки приводит к повторному образованию выделений по границам зерен. Считают, что послесварочная термическая обработка аналогично влияет и на ударную вязкость сварных соединений.

Использование аустенитных нержавеющих присадочных материалов улучшает свойства металла шва высокохромистых сталей (см. рис. 5.20А), обеспечивая дуплексную аустенито-ферритную структуру. Ho такие сварочные материалы должны применяться с осторожностью, так как они могут вызвать коррозию в сварных конструкциях. Также возможно применять присадочные материалы на основе никеля, хотя различие химического состава с основным металлом может снизить коррозионную стойкость в некоторых средах. Кроме того, применение таких присадочных материалов может привести к образованию интерметаллидных фаз на границе сплавления. Как следствие, для соединения высокохромистых сталей предпочтительно применение присадочных материалов химического состава, соответствующего основному металлу, с добавлением стабилизирующих элементов (особенно титана) с целью измельчения зерна и минимизации влияния высокотемпературного охрупчивания.

Хотя по таким процессам, как лазерная и электроннолучевая сварка [сварочные источники с высокой плотностью энергии (HED)] для соединения рассматриваемых сталей, информации недостаточно, однако эти способы сварки являются перспективными благодаря присущим им малому тепловложению и высокой скорости охлаждения. Также перспективны способы сварки с формированием сварного соединения в твердой фазе, исходя из возможности образования мелкозернистой структуры сварного соединения и минимизации влияния высокотемпературного охрупчивания. К сожалению, по этим сварочным процессам применительно к высокохромистым сталям также информации недостаточно.