Сварка теплоустойчивых сталей

Козлов Р.А.

Машиностроение, 1986 г.

Особенности легирования теплоустойчивых сталей заключаются в следующем. Для повышения длительной прочности используют два вида структурного упрочнения:

1) образование твердого раствора с введением элементов, повышающих температуру рекристаллизации и снижающих интенсивность диффузионных процессов в сплаве;

2) получение высокодисперсной смеси фаз путем закалки стали и последующего отпуска. Для первого вида структурного упрочнения обычно используют хром, молибден и вольфрам. Для второго вида структурного упрочнения используют карбиды ванадия, ниобия и титана.

В процессе эксплуатации происходит изменение структурных составляющих, что приводит к изменению жаропрочности. Для длительной службы, как правило, используют малоупрочненные стали, имеющие в исходном состоянии более низкую жаропрочность, но значительно более устойчивую структуру.

Для сварных конструкции более предпочтительным является первый путь структурного упрочнения. Это объясняется тем, что твердые растворы замещения позволяют получить менее прочный и более пластичный металл в зоне термического влияния при сварке по сравнению с карбидным упрочнением. В работе [24] также отмечается, что хромомолибденовые теплоустойчивые стали являются более предпочтительными для сварных конструкции, так как они обладают большей структурной стабильностью в

процессе эксплуатации при температуре 400°.

Молибден широко применяется для легирования теплоустойчивых сталей и легирования металла шва. Наиболее резкое повышение сопротивления ползучести стали и металла шва обеспечивается добавкой 0,5-1,0 % молибдена. Молибден повышает температуру рекристаллизации железа [19], что способствует повышению его прочности при повышенных температурах. Но роль молибдена в вопросах упрочнения стали при повышенных температурах в настоящее время рассматривается шире.

В настоящее время экспериментально доказано [68, 69] что в процессе эксплуатации молибден образует с железом фазу Лавеса  Fe₂Mo, которая образуется в процессе длительной выдержки металла при температуре 450—600° С. Образование фазы Лавеса Fe₂Mo идет, видимо, с уменьшением объема, поэтому иногда наблюдается так называемая «отрицательная» ползучесть. Образование фазы Лавеса Fe₂Mo повышает прочность стали при повышенной температуре по механизму дисперсионного твердения. Влияние частиц второй фазы в настоящее время объясняется дислокационной теорией. Согласно теории дислокации, частицы второй фазы являются препятствием для передвижения дислокаций. Упрочнение сплава тем выше, чем меньше расстояния, на которые может переместиться дислокация.  Поэтому дисперсность второй фазы оказывает прямое воздействие на прочность стали.

Выделение частиц второй фазы сказывается не только на повышении прочности стали, но также и на изменении пластичности. Форма выделений— глобулярная или пластинчатая — приводит к разным характеристикам пластичности. Частицы второй фазы с глобулярной формой позволяют получить металл с более высокими пластическими свойствами.

Кроме этого, молибден при повышенных температурах образует специальные карбиды, что также способствует повышению длительной прочности. Чем выше содержание молибдена, тем больше длительная прочность и сопротивляемость ползучести  стали.

Никель также не рекомендуется применят элемент в теплоустойчивых сталях, работают  выше 350°С, так как с увеличением содержания  несколько уменьшается длительная прочность стали и металла шва. Это объясняется тем, что никель также образует фазу Лавеса с молибденом Ni₃Mo, которая возникает при более низкой температуре (400—500°С), чем фаза Лавеса Fe₂Mo [31]. Этим пользуются для частичного повышения прочности мартенситно-стареющих сталей, вводя в них определенное количество молибдена.

Поэтому введение никеля в сталь как бы уменьшает концентрацию молибдена в твердом растворе α-железа и тем самым снижает эффективность воздействия молибдена па ее длительную прочность. Кроме этого, с увеличением никеля несколько увеличивается склонность стали к радиационному охрупчиванию |69, 77].

Однако для теплоустойчивых сталей, работающих при температуре до 350° С, где не требуется повышенная длительная прочность, никель используется как легирующий элемент. С введением никеля в сталь и в металл шва значительно повышается сопротивляемость сварных конструкций хрупкому разрушению при низких температурах (близких к комнатной) так как с увеличением содержания никеля снижается температура хрупкости.