Влияние хрома и ванадия на склонность к замедленному разрушению низколегированной теплоустойчивой стали после сварочного нагрева

Химический состав основного металла при некоторых колебаниях содержания легирующих элементов, допускаемых техническими условиями, наряду с температурой подогрева и погонной энергией сварки может оказать заметное влияние на склонность соединений к образованию холодных трещин. Предусмотреть влияние отдельных легирующих элементов на технологическую прочность стали при сварке не всегда возможно, так как данные-по структурам и свойствам металла, полученные при печном нагреве, могут оказаться неверными в связи с весьма кратковременным нагревом металла зоны термического влияния в интервале температур выше фазовой перекристаллизации.
Исследование влияния хрома и ванадия на рассматриваемое явление было проведено на стали 15Х2НМФА, применяемой в энергомашиностроении. Техническими условиями на эту сталь оговорены широкие пределы содержания указанных элементов (соответственно^ 1,7...2,4 % и до 0,12%). Химический состав и механические свойства опытных плавок приведены в табл. 1 и 2.
Влияние легирования стали 15Х2НМФА на склонность к образованию холодных около-шовных трещин изучали на образцах 12X2X65 мм с имитированной зоной термического влияния, при этом определяли параметр критического раскрытия трещины 6С по методике, изложенной в работе. Температура и скорость нагрева образцов во всех случаях составляли 1400 °С и ~150°С/с соответственно, а скорость охлаждения в диапазоне 650...450°С изменялась от 2 до 18°С/с. Скорость охлаждения в интервале наименьшей'' устойчивости аустенита назначалась применительно к случаям ручной и автоматической сварки с погонной энергией ?/о= 12,6ч- 33,5 кДж/см и температурой подогрева 20...250°С. Учитывая, что склонность к замедленному разрушению наиболее значительно проявляется в период окончания процесса сварки, испытания на бс проводили непосредственно после моделирования термических циклов. В этом случае время между завершением сварочного прогрева образцов и моментом приложения к ним сосредоточенной нагрузки составляло —5 мин.
Испытания на критическое раскрытие трещины позволили установить, что содержание хрома в основном металле оказывает существенное влияние на трещино-устойчивость сварных соединений в период замедленного разрушения. Об этом свидетельствуют результаты испытаний плавок 28, 52 и 05, содержащих 0,55, 1,85 и 2,32% Сг соответственно. В случае концентрации Сг, равной 0,55%, критическая скорость охлаждения вызывающая образование мартенсита в структуре около-шовного металла, соответствует значениям, превышающим 12°С/с. Величина 6С при Ц7оХЛ= 12 °С/с составляет 0,22 мм, а при увеличении этого параметра раскрытие трещины резко понижается до 0,13 мм (рис. 1)2. Увеличение содержания хрома в этой же стали до 1,85 % привело к уменьшению критической скорости охлаждения. Получение высокой трещино устойчивости оказалось возможным не более 10°С/с. Повышение содержания хрома до 2,32 % еще более значительно оказалось на сопротивляемости около-шовного металла образованию холодных трещин. Скорость охлаждения, способствующая получению высоких значений, смещена в область 6...8°С/с.
Исследование влияния ванадия с учетом возможных колебаний по содержанию хрома проводили потрем группам опытных плавок. В первой группе концентрация Сг находилась в пределах 0,64... 1,06 %, а V — примерно 0,10...0,14 %. По данным рис. 1 наглядно видно, что введение 0,14% V в сталь с 0,64% Сг заметно понизило свойства металла участка перегрева по сравнению с плавкой 28 и сместило критические значения. У металла плавки 12 с 1,06 % Сг и 0,14 % V после обработки по термическому циклу сварки (ТЦС) наблюдали дальнейшее понижение стойкости против образования холодных трещин, выразившееся в снижении критических значений И70хл до 8 °С/с.
Во второй группе плавок содержание Сг находится иа уровне 1,85 %, а содержание V изменяется от 0,06 до 0,55 %. При повышении концентрации V стойкость околошовного металла против растрескивания в период замедленного разрушения существенно понижается. Даже при незначительном (около 0,06 %) содержании V сварные соединения стали 15Х2НМФА не должны охлаждаться со скоростью более 8°С/с (в интервале 650...450 °С) в связи со значительным уменьшением значений 6С.
Относительно плавок 89 и 90, легированных ванадием (0,20 и 0,55 % V соответственно), можно сделать вывод, что при сварке эти стали будут склонны к образованию холодных трещин уже при охлаждении со скоростью примерно 6 °С/с (6С—0,08 мм).
Такое влияние ванадия может быть обусловлено выделениями его избыточных фаз. При этом выделения по телу зерен дисперсных карбидов ванадия способствуют локализации пластических деформаций у разупрочненных относительно матрицы границ зерен, повышая тем самым склонность около-шовного металла к образованию холодных трещин.
Стали третьей группы, отличающиеся высоким содержанием хрома, проявляют более выраженную склонность к разрушению в период замедленного разрушения, чем ранее рассмотренные. Например, у стали плавки 06 (0,05 % V) тенденция к существенному понижению трещино-устойчивости прослеживается при*. 1Г0хл>7°С/с. Увеличение содержания этого элемента до 0,14 % приводит к заметному снижению значений' 6С при Г0Хл=6 °С/с. Наиболее низкая технологическая прочность при сварке сталей исследованных составов наблюдается у плавок 01 и 38, сварные соединения которых рекомендуется выполнять на тепловых режимах, обеспечивающих их охлаждение со скоростями, не превышающими 4 и 2°С/с соответственно.
На основании результатов проведенных исследований с использованием номограммы влияния значений погонной энергии сварки и температуры подогрева на скорость охлаждения металла около-шовной зоны составлены рекомендации по тепловому режиму сварки стали 15Х2НМФА в зависимости ее легирования хромом и ванадием.