Горячие трещины пи сварке жаропрочных сталей

Шоршоров М.Х. Горячие трещины пи сварке жаропрочных сталей

Машиностроение, 1973 г.

ЛОКАЛЬНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛА В ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЕ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Локальные разрушения характерны для сварных паропроводов из аустеннтных сталей типа Х18Н8—Х18Н12 с ниобием (США, Англия, ФРГ) и титаном (СССР). Они возникают после длительного срока эксплуатации при рабочих температурах (580° С и выше) и охватывают почти всю или значительную часть окружности трубы рядом со сварным швом. Первые трещины зарождаются только в участке перегрева околошовной зоны на расстоянии одного—трех зерен от границы сплавления. Они носят характер межкристаллического разрушения.

Природа локальных разрушений полностью еще не изучена. Однако наиболее обоснованная точка зрения сводится к тому, что этот вид разрушения имеет много общего с разрушением при ножевой коррозии [46, 111]. В обоих случаях участок околошовной зоны, в котором они возникают, нагревается почти до температуры плавления, а затем подвергается длительному воздействию температур 600—650° С. В этих условиях в аустенитных сталях сначала происходят процессы растворения карбидов, и, в частности, карбидов стабилизирующих элементов (ниобия, титана) (при нагреве выше 1250^1300° С), а затем при последующем охлаждении и при рабочих температурах — сегрегация углерода по границам зерен и выделение по границам карбидов хрома и железа, а в теле зерна — карбидов ниобия и титана. Обеднение приграничных объемов зерен хромом приводит к разупрочнению границ, а выделение карбидов ниобия и титана в теле зерна — к упрочнению зерен. Это вызывает концентрацию деформаций по границам зерен и облегчает процессы межзеренного проскальзывания и разрушения. По-видимому, в сталях сложного состава при этом могут протекать процессы старения, еще в большей степени изменяющие химическую неоднородность аустенита и приводящие к концентрации деформации по границам зерен.

Другая точка зрения допускает связь локальных разрушений с оплавлением по границам зерен и образованием микроскопических горячих трещин при сварке [42, 46]. Эти трещины не выявляются непосредственно после сварки и могут служить зародышами локальных разрушений со временем.

Характерно, что явление растрескивания сварных соединений стали типа 1Х18Н12Б обнаруживается и при термической обработке с целью снятия напряжений [121]. Растрескивание происходит, как правило, при медленном нагреве (около 110° С в час). Особенно часто трещины возникают при изготовлении толстостенных сварных конструкций (20 мми более) из крупнозернистой стали. Крупнозернистые стали Х18Н9Т и Х18Н10Б склонны к растрескиванию при нагреве в напряженном состоянии и без предварительного воздействия термического цикла сварки [53].

На основании анализа случаев разрушения сварных соединений при нагреве ряд исследователей пришли к выводу, что растрескивание есть следствие процесса релаксации остаточных напряжений, которые при нагреве могут оказаться выше предела длительной прочности в интервале температур, охрупчивающих металл [41, 121]. Позже это предложение было подтверждено экспериментально при испытании стали Х18Н9Т на длительную прочность и релаксацию напряжений.

Вследствие серьезных затруднений при эксплуатации сварных паропроводов из стали типа 0Х18Н12Б (347 по AJSJ) в Англии и в США вынуждены были перейти к применению менее жаропрочной стали типа Х16Н9М2 (316 по AJSJ), сварные соединения которой не склонны к локальным разрушениям при технологических нагревах и эксплуатации [129]. В объеме зерен этой стали мелкодисперсные карбиды не выделяются, наблюдаются только обособленные карбиды типа Ме₂зС₆ по границам зерен [104]. Этим объясняют повышенную длительную пластичность и нечувствительность стали к надрезам в околошовной зоне.

Упрочнение границ зерен стали Х16Н9М2 относят за счет молибдена, который, сегрегируя к границам зерен и образуя карбиды, препятствует межзеренному проскальзыванию [23].

Введение в сталь Х16Н9М2 ниобия даже в количестве 0,05-0,1% делает сварные соединения склонными к растрескиванию при   нагреве.   При электронномикроскопическом исследовании этой стали обнаружены мелкодисперсные выделения   карбидов ниобия в теле зерен [104].

Существующие количественные методы испытания сварных соединений на склонность к локальным разрушениям основаны на исчерпании запаса длительной прочности в участке перегрева околошовной зоны в процессе сварки и последующей эксплуатации. При этом воспроизводятся основные условия, способствующие этому виду разрушения: перегрев, накопление деформации в температурном интервале межкристаллической хрупкости, воздействие растягивающих напряжений в интервале температур распада аустенита   в процессе сварки и последующее испытание соединения на длительную прочность.