Зона термического влияния сварки дуплексных нержавеющих сталях

Термический цикл зоны термического влияния в области, прилегающей к границе сплавления, можно разделить на три временных интервала относительно температурных циклов. На рис. 7.12 изображена дуплексная нержавеющая сталь, являющаяся полностью ферритной при повышенной температуре, например, сталь 2205 с содержанием азота 0,1 %, рассмотренная ранее. Во временной области I основной металл нагревается до температуры, приближающейся к сольвусу феррита. При такой температуре аустенит начинает превращаться в феррит посредством механизма роста, контролируемого диффузией, до полного перехода структуры в феррит. В указанном температурном интервале большая часть выделений, существующих в структуре благодаря предыдущей термомеханической обработке, также начнет растворяться. Эти выделения состоят преимущественно из карбидов и особенно нитридов.

Во временной области II, выше сольвуса феррита, происходит рост зерна феррита, поскольку отсутствует вторая фаза (аустенит) или выделения, тормозящие рост. Это явление аналогично быстрому росту зерна, наблюдаемому в ферритных нержавеющих сталях. Чем ниже точка сольвуса феррита, тем активнее рост зерна. Чем больше время пребывания свыше такой температуры (точка на указанной кривой, выше которой микроструктура полностью состоит из феррита), тем значительнее рост зерна.

При охлаждении ниже сольвуса феррита (временная область III) будут образовываться и расти зародыши аустенита и восстанавливаться выделения. Превращение феррит-аустенит для данной стали контролируется скоростью охлаждения, при более высоких скоростях охлаждения превращение замедляется, и в результате в ЗТВ содержание феррита более высокое. Скорость охлаждения в интервале температур между 1200 и 800 °C (2190 и 1470 °F) (AT12-8) часто используют для количественной оценки влияния ее на содержание феррита. Количество выделений также является функцией скорости охлаждения. При более высоких скоростях охлаждения, которые способствуют сохранению феррита, выделение карбидов и нитридов в ферритной фазе значительно более ярко выражено.

Как отмечалось ранее, существенное влияние на рост ферритного зерна оказывает время нахождения выше температуры сольвуса феррита. Свыше такой температуры отсутствуют препятствия для роста зерна и размер зерна значительно увеличивается. Так как размер ферритного зерна активно влияет на ударную вязкость и другие пластические свойства, то следует минимизировать время нахождения металла в полностью ферритной области. Это можно выполнить, управляя химическим составом (выбором стали) или тепловложением при сварке и тепловой обстановкой в сварных элементах.

По мере снижения значения Crэк/Niэк линия сольвуса феррита поднимается вверх, а время нахождения выше соответствующей температуры будет снижаться для данного термического цикла ЗТВ. Для заданного значения Crэк/Niэк снижение тепловложения при сварке обеспечивает меньшие градиенты температур и минимизирует время нахождения в полностью ферритной зоне.

Температурный интервал превращения феррита в аустенит составляет примерно от 1250 до 1350 °C (от 2280 до 2460 °F) для дуплексных нержавеющих сталей и зависит от химического состава стали. Таким образом, ширина полностью ферритной области в ЗТВ может существенно колебаться. Такие стали, как 2205 (с низким содержанием азота) и 2304, склонны иметь относительно низкие температуры превращения феррита в аустенит. В то же время сталь 2205 с высоким содержанием азота и супердуплексные стали имеют температуры на уровне 1350 °C (2460 °F) или свыше, как показано на псевдобинарной диаграмме для стали 2205. Недавняя работа авторов показала, что получить полностью ферритную структуру в моделированной ЗТВ всех сталей при температуре 1350 °C (2460 °F) невозможно, за исключением марки 2304. Таким образом, предполагается, что область огрубления зерна в высокоазотистой стали 2205 и супердуплексных сталях будет крайне узкой.

Пример ЗТВ стали 2205 (с низким содержанием азота) и стали 2507 приведен на рис. 7.13. Следует обратить внимание, что область огрубления зерна в ЗТВ стали 2205 более обширная, чем у стали 2507. Это имеет место вследствие полного превращения в феррит, как показано на рис. 7.12. В ЗТВ стали 2507 огрубление зерна наблюдается только непосредственно вблизи границы сплавления. Ширина области огрубления зерна в этом случае равна фактически диаметру зерна. Максимальная температура в ЗТВ может лишь незначительно превышать температуру превращения феррит—аустенит, практически не вызывая огрубления зерна. Следует также заметить, что в ЗТВ стали 2507 имеют место более значительные интенсивные выделения нитридов, богатых хромом.

Размер зерна металла шва и ЗТВ увеличиваются в зависимости от тепловложения. При дуговой сварке вольфрамовым электродом без присадочного материала в защитном газе стали 2205 в металле шва и ЗТВ размер зерна увеличивается с коэффициентом 5 при изменении величины погонной энергии от 0,25 до 1,7 кДж/мм (рис. 7.14). В металле шва супердуплексной стали 2507 также наблюдается достаточно сильный рост зерна в зависимости от величины погонной энергии. Рост зерна в ЗТВ этой стали замедлен благодаря высокой температуре сольвуса феррита, которая ограничивает полностью ферритную область в виде узкой полосы вдоль границы сплавления.