Сварка специальных сталей и сплавов реферат

Обновлено: 05.07.2024

Высоколегированными сталями считают сплавы на основе железа с суммарным содержанием легирующих элементов свыше 10% при содержании железа в них более 45%. Если содержание железа меньше этой величины, то материалы считаются специальными сплавами. Основные легирующие элементы сплавов и сталей этой группы - хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам, ванадий, молибден, титан, бор и др.

Прикрепленные файлы: 1 файл

СВАРКА ВЫСОКО ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ.docx


СВАРКА ВЫСОКО ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Высоколегированными сталями считают сплавы на основе железа с суммарным

содержанием легирующих элементов свыше 10% при содержании железа в них

более 45%. Если содержание железа меньше этой величины, то материалы

считаются специальными сплавами. Основные легирующие элементы сплавов и

сталей этой группы - хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам,

ванадий, молибден, титан, бор и др.

Высоколегированные стали и сплавы обладают специфическими свойствами:

высокой коррозийной стойкостью, хладостойкостью, жаропрочностью,

жаростойкостью, сопротивлением ползучести при нагреве и др. Жаростойкость

(окалиностойкость) - свойство металлов и сплавов хорошо противостоять при

высоких температурах химическому воздействию, в частности окислению на

воздухе и в другой газовой среде. Жаропрочностью - способность материалов

при высоких температурах выдерживать без разрушения химические нагрузки.

Высоколегированные стали и сплавы - важнейшие конструкционные материалы,

применяемые в производстве оборудования, работающего в широком диапазоне

температур. Газовых или жидких средах, для химической промышленности, а

также авиации и энергетики.

Свариваемость сталей. В зависимости от содержания основных легирующих

элементов стали различаются на хромистые, хромоникелевые,

хромомарганцевые, хромомарганцевоазотистые и т. д. По структуре

высоколегированные стали разделяются на мартенситные,

мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитно- мартенситные,

аустенитно-ферритные и аустенитные.

Высоколегированные сплавы делят на две группы: сплавы на железоникелевой

(суммарное содержание железа и никеля более 65%) и никелевой (содержание

никеля более 55%) основах. Они имеют стабильную аустенитную структуру.

Хромистые стали имеют различную структуру в зависимости от содержания

хрома и углерода. При содержании в стали хрома 12…13% и углерода более

0,06…0,08% сталь относят к мартенситному классу; при содержании хрома

13…16% - мартенситно-ферритному; при содержании хрома более 16% - к

ферритному классу. Введение в стали других элементов изменяет её структуру

и может привести к переходу из одного класса в другой.

Стали с содержанием хрома 10,5…12% при легировании молибденом, вольфрамом,

ниобием и ванадием обладают повышенным сопротивлением высокотемпературной

ползучести и поэтому их используют как жаропрочные при температурах до

6000С. Термическая обработка и температуры эксплуатации могут вызвать

изменения в структуре стали и сделать её хрупкой. При некоторых видах

термического воздействия хромистые ферритные стали приобретают склонность

к межкристаллитной коррозии. Охрупчивание и снижение коррозийной стойкости

связано с выделением карбида хрома и других хрупких фаз по границам зёрен

и обеднением хромом твёрдого раствора в областях, прилегающих к границам

При сварке сталей мартенистого и мартенситно-ферритного класса в металле

сварного соединения образуются закалочные мартенситные структуры, имеющие

высокую твёрдость и малую пластичность. При определенных условиях это

может привести к появлению холодных трещин. Образование трещин исключается

предварительным и сопутствующим подогревами до температуры 200…4500С,

снижением в металле шва водорода и применением последующего высокого

При невозможности по каким-либо причинам осуществить подогрев и

последующую термическую обработку применяют сварочные материалы. Дающие

металл шва с аустенитной структурой.

Проблема сварки ферритных сталей - укрупнение зерна в околошовной зоне и в

металле сварного шва при повышении погонной энергии сварки и уменьшении

концентрации источника сварочной теплоты. По этой причине становится

нежелательным применение сопутствующего или предварительного прогрева и

последующего отпуска для предотвращения появления холодных трещин. Сплавы

и стали классифицируют по системе легирования, структурному классу,

свойствам и служебному назначению. По системе легирования их делят на два

основных типа: хромоникелевые и хромомагниевые. Существуют также

хромоникельмолибденовые и хромоникельмарганцевые стали. В зависимости от

структуры, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие

классы сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитные.

Сплавы на железоникелевой (при содержании более 30%) и никелевой основах

по структуре являются стабильно аустенитными и не имеют структурных

изменений при охлаждении на воздухе. В настоящее время используют также

боридные аустенитные стали и сплавы, основная структура которых - аустенит

с включениями боридной фазы.

При сварке аустенитных сталей и сплавов в металле шва и околошовной зоне

могут возникнуть горячие трещины. Для их предупреждения существуют

несколько способов. Один из них - создание в шве двухфазной структуры,

способствующей измельчению зерна в металле шва и уменьшению ликвации. В

большинстве случаев для этого в структуре шва достаточно иметь 2…3%

первичного d-феррита, что обеспечивается легированием шва

ферритообразующими элементами (титаном, молибденом, кремнием и др.).

Двухфазная структура в стабильно аустенитных сталях и сплавах может быть

создана за счёт выделения в металле шва карбидов или боридов. Для

получения аустенитно-карбидной структуры шов легирую углеродом и

карбидообразующими элементами - ниобием или титаном. Однако углерод резко

повышает склонность швов к межкристаллической коррозии. Поэтому этот

способ применим только при сварке жаропрочных и жаростойких сталей.

Получение аустенитно-боридной структуры достигается легированием шва

0,2…0,7% бора. При больших содержаниях бора в швах могут появиться

холодные трещины, для предупреждения которых требуется предварительный или

сопутствующий подогрев до температуры 250… 3000С.

При сварке чисто аустенитных сплавов в них ограничивают содержание вредных

примесей (серы, фосфора, висмута) и других элементов, образующих

легкоплавкие эвтектики (кремния, титана, алюминия и ниобия). Положительное

действие оказывают легирование этих сплавов молибденом, вольфрамом,

танталом и замена части никеля марганцем.

Измельчение структуры швов высоколегированных сталей и сплавов достигается

также использованием для сварки фторидных флюсов и электродов с

фторитсто-кальциевым покрытием. Большое внимание обращают на технику и

режим сварки, определяющие форму шва и характер кристаллизации его

металла. Уменьшение коэффициента формы шва, малые зазоры между кромками

повышают вероятность появления горячих трещин. Сварка электродными

проволоками малого диаметра (до 2 мм) и умеренные режимы сварки повышают

стойкость швов к горячи трещинам.

От состава и структуры и металлургического способа получения стали зависит

появление трещин в околошовной зоне в процессе длительной эксплуатации при

температурах 550…7700С (так называемых локальных разрушений).

При работе изделий в интервале температур от 350 до 5000С в ферритных и

аустенитно-ферритных швах, содержащих 15…20% сложнолегированного феррита,

может появиться 475-градусная, или тепловая, хрупкость. Она не

сопровождается заметными структурными изменениями. Предотвращение

охрупчивания швов подобного типа достигается ограничением в металле

феррита. Выдержка аустенитных аустенитно-ферритных сталей при температурах

550…8750С приводит к охрупчиванию в результате выпадения s-фазы,

представляющей собой интерметаллид. Предупреждение того вида охрупчивания

достигается закалкой с температуры 1050… 11000С, а в двухфазных

аустенитно-ферритных сталях - ограничение содержания первичного феррита

Необходимо отметить, что из-за высокого коэффициента теплового расширения

высоколегированных сталей значительно возрастает суммарная пластическая

деформация металла шва и околошовной зоны. В результате самонаклёпа

жёстких соединений (при сварке многослойных швов) количество феррита в

металле может повышаться. При длительной эксплуатации сварное соединение

стареет в результате выделения по границам зёрен карбидов и

интерметаллидов. Для уменьшения старения следует снижать содержание в

металле углерода. Этому же служит термическая обработка с нагревом выше

температура распада карбидов и интерметаллидов (выше 900…9500С).

Большинство высоколегированных сталей и сплавов широко используются как

корозийностойкие материалы. Однако под действием агрессивной среды в

сварных соединениях могут наблюдаться различные виды коррозийного

разрушения, связанные с перераспределением хрома. Под действием хрома. Под

действием критических температур (500…8000С) по границам зёрен выделяются

карбиды, обогащённые хромом. Одновременно происходит обеднение хромом

приграничных слоёв зёрен. Которое ведёт к потере стойкости к действию

агрессивной среды и проявлению межкристаллитной коррозии. Межкристаллитная

коррозия наблюдается в металле шва, околошовной зоны или в узкой зоне на

границе сплавления (ножевая коррозия). Появление ножевой коррозии может

быть связано с условиями нагрева при сварке или эксплуатации изделия в

интервале критических температур при сварке многослойных или

перекрещивающихся швов, при смене электрода и т. д. снижает коррозийную

стойкость сварных соединений.

Предупреждение склонности сплавов к межкристаллитной коррозии достигается:

снижением содержания углерода и легированием сильными карбидообразующими

элементами - титаном, ниобием, имеющими большее сродство к углероду, чем

хром. Обычно должны выдерживаться соотношения Ti>5(C - 0.02) и Nb>10C;

формирование двухфазной аустенитно- ферритной структуры с содержанием

феррита до 20…25%;

Термической обработкой (закалка для сталей Х18Н10 с температуры

1050…11000С или стабилизирующий отжиг в течение 2…3 ч при температурах

700…7800С - для хромистых сталей). При нагреве под закалку карбиды

растворяются, при быстром охлаждении углерод фиксируется в твёрдом

растворе (аустените). Однако повторный нагрев может снова вызвать

межкристаллитную коррозию шва. При стабилизирующем отжиге происходит более

полное выпадение карбидов и выравнивание концентрации хрома по объёму

Предотвращение ножевой коррозии обеспечивается приёмами, снижающими

перегрев металла в околошовной зоне (сварка короткой дугой, ускоренное

охлаждение и др.).

Для уменьшения общей коррозии следует применять технику и технологию

сварки, при которых металл шва не отличается по химическому составу от

Коррозийное растрескивание наблюдается в сварных соединениях на

аустенитных сталях при совместном действии агрессивной среды и

растягивающих напряжений. Снижение уровня остаточных растягивающих

напряжений и образование двухфазной аустенитно-ферритной или

аустенитно-боридной структуры - главные способы борьбы с этим видом

разрушения сварных соединений.

Высокая коррозийная стойкость сталей при повышенных температурах в газовых

средах (жаростойкость) определяется возможностью образования и сохранения

на их поверхности плотных и прочных плёнок оксидов. Это достигается их

легированием кремнием и алюминием. Требуемую жаростойкость металла шва

обычно получают за счёт максимального сближения химических составов шва и

Общие технологические приёмы при сварке. Высоколегированные стали и сплавы

сваривают следующими способами сварки: ручной дуговой покрытыми

электродами, дуговой под флюсом, в защитных газах плавящимся и не

плавящимся электродом, электрошлаковой сваркой. Применяют также сварку

лучом лазера и электронно-лучевую сварку.

Теплофизические и химические свойства высоколегированных сталей и сплавов

Абрашин, А.В. Сварка специальных сталей и сплавов: учеб. пособие. – Брянск: БГТУ, 2005. – 116 с.

Показано влияние легирующих элементов на процессы, происходящие при сварке, условия плавления и кристаллизации металла сварочной ванны, механизм химической и физической неоднородности, свариваемость.

Рассмотрены свойства, области применения, свариваемость и технология сварки перлитных жаропрочных, хромистых, хромоникелевых, аустенитных и разнородных сталей, а также сплавов на никелевой основе.

Даны сведения о способах, материалах и режимах сварки, видах и режимах термической обработки и свойствах сварных соединений.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150202 – "Оборудование и технология сварочного производства" при изучении дисциплины "Сварка специальных сталей и сплавов", может быть полезно работникам промышленных предприятий.

Табл. 33. Ил. 47. Библиогр. – 9 назв.

Научный редактор Кащук М.Г.

Рецензенты: кафедра "Технология конструкционных

материалов и ремонт машин" Брянской

к.т.н. Кузнецов Л.Д.

технический университет, 2005

ПРЕДИСЛОВИЕ

Специальные стали и сплавы относятся к большой группе конструкционных материалов, обеспечивающих работу узлов и деталей машин в условиях воздействия высоких температур, агрессивных сред, радиационного излучения и т.п.

Целью учебного пособия является обобщение современной информации о способах и технологии сварки указанных материалов таким образом, чтобы она была доступна для студентов при изучении и выполнении курсовых и дипломных проектов.

Данное пособие содержит информацию о свойствах сталей и сплавов, особенностях и трудностях при их сварке, возможных дефектах и способах их предупреждения и устранения.

Изложение материала в пособии включает краткое изложение особенностей работы сварных конструкций из специальных сталей и сплавов; влияния легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке; рассматривает вопросы свариваемости и технологии сварки жаропрочных перлитных, хромистых, аустенитных хромоникелевых сталей, никелевых сплавов и разнородных сталей.

Основное содержание пособия соответствует требованиям Государственного общеобразовательного стандарта по специальности 150202 – "Оборудование и технология сварочного производства".

В пособии рассмотрено влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке, на физические свойства сталей, свариваемость легированных сталей и природа образования холодных и горячих трещин при сварке. Для каждой группы сталей представлены свойства и области применения при изготовлении сварных конструкций. Определены трудности и представлена технология сварки, обеспечивающая получение сварных соединений с требуемыми свойствами. В приложении приведены условные обозначения химических элементов, перечень лабораторных и практических работ и темы индивидуальных докладов для студентов. Для оценки усвоения материала учебного пособия в конце каждой главы предлагаются контрольные вопросы.

Автор выражает свою признательность научно-методическому консультанту, зам. председателя РИСО БГТУ, к.т.н. А.П. Шлюшенкову за полезные замечания при редактировании пособия. Автор будет благодарен всем, кто выскажет конструктивные замечания и предложения для дальнейшей работы над данным учебным пособием.

Наш адрес: 241035, Россия, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, д.7, БГТУ, кафедра "ОиТСП", тел./факс (0832) 56-09-93.

ВВЕДЕНИЕ

Основным конструкционным материалом в промышленности являются углеродистые и низколегированные стали. Но с развитием энергетики, авиации, ракетной и атомной техники, химического машиностроения и судостроения, криогенной технологии и других отраслей непрерывно возрастает потребность в новых конструкционных материалах, обладающих специальными свойствами. Такие стали и сплавы называют специальными.

Эти свойства определяются непрерывным повышением рабочих температур и давлений, созданием установок большой мощности, работой в различных агрессивных средах при низких и высоких температурах. Высокие температуры необходимы для обеспечения эффективной работы энергетических установок (тепло- и атомные станции, реактивные двигатели и т.д.). Так, реактивные двигатели должны изготавливаться из материалов, способных обеспечивать необходимую прочность при температурах более 1000 °С, а оборудование электрических станций работает в условиях действия термомеханических нагрузок (давление пара 25 МПа, температура 600 °С).

К этому добавляется коррозионное действие на металл активной водяной, паровой или газовой среды. Многие сварные конструкции работают в условиях коррозии и кавитации под действием высоких и низких температур, нейтронного облучения и т. п. В этой связи возникает необходимость изучения особенностей сварки специальных сталей и сплавов. Целью настоящего курса является изучение металлургических и технологических особенностей сварки плавлением этих материалов, обеспечивающих необходимую работоспособность сварных соединений в различных условиях эксплуатации.





УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

В тексте приняты следующие условные обозначения:

АДС – автоматическая дуговая сварка;

АрДС – аргонодуговая сварка;

ЭЛС – электронно-лучевая сварка;

ЭШС – электрошлаковая сварка;

РДС – ручная дуговая сварка штучными электродами;

ГЦК – гранецентрированная кристаллическая решетка;

ОЦК – объемно-центрированная кристаллическая решетка;

Тпп – температура предварительного подогрева;

Тпл – температура плавления;

Тлс) – температура ликвидуса (солидуса);

ТИХ – температурный интервал хрупкости;

ГТ – горячие трещины при сварке;

XT – холодные трещины при сварке;

Vкр – критическая скорость деформации;

sT – физический предел текучести стали;

sВ – временное сопротивление;

s – условный предел текучести;

d – относительное удлинение при разрыве;

y – относительное сужение;

KCV – ударная вязкость;

Мн, Мк – температура начала (конца) мартенситного превращения

ЗТВ – зона термического влияния;

ВДП – вакуумно-дуговой переплав;

ШП – шлаковый переплав;

ВИП – вакуумно-индукционный переплав;

ЛЭ – легирующие элементы;

МКК – межкристаллитная коррозия;

ОШЗ – околошовная зона;

ЛТ – ламелярные трещины;

ТПН – трещины повторного нагрева;

ХР – хрупкие разрушения;

МХН – микрохимическая неоднородность.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Классификация сталей и сплавов осуществляется по следующим показателям:

1. По химическому составу:

А. Углеродистые стали:

– низкоуглеродистые (до 0,22 % С);

– среднеуглеродистые (0,23. 0,45 % С);

– высокоуглеродистые (более 0,45 % С).

Б. Легированные стали:

а) низколегированные (количество легирующих элементов не превышает 5 %), которые, в свою очередь подразделяются:

– на низкоуглеродистые конструкционные (09Г2, 14Г, 10ХСНД);

– теплоустойчивые (12ХМ, 20ХН, 20ХМФ);

– среднеуглеродистые (30ХГСА, 35ХМ).

б) среднелегированные (количество легирующих элементов составляет 5. 10 %):

– конструкционные (30ХГСНД, 30ХН2МФА);

– теплоустойчивые (20Х2МА, 12Х5МА).

в) высоколегированные стали (количество легирующих элементов от 10 до 55 %).

г) высоколегированные сплавы:

– сплавы на железоникелевой основе – твердый раствор хрома в железоникелевой основе (Fe+Ni > 65 %);

– сплавы на никелевой основе – твердый раствор хрома и других элементов в никелевой основе (Ni > 55 %).

2. По назначению в зависимости от основных свойств:

– коррозионно-стойкие, способные сопротивляться разрушениям в условиях воздействия коррозионной среды (воды, газа, пара, кислот, щелочей и т. п.) в течение расчетного срока эксплуатации (стали 12X13, 20X13, 30X13, 04Х18Н10, 12Х17Г9АН4, 10Х17Н13М2Т и другие);

Принадлежность стали к той или иной структурной группе можно определить по диаграмме Шеффлера (рис. 1).

Рис. 1. Структурная диаграмма металлов (по Шеффлеру)

5. По системе упрочнения твердого раствора:

· карбидное – характерно для жаропрочных и жаростойких сталей с содержанием углерода 0,2. 1,0 %; при выдержке стали при Т = 600. 650 °С выпадают сложные карбиды Fe, Cг, Nb, V, W типа Me23C6, Ме6С, MeC и другие, которые располагаются по границам зерен и "заклинивают" их;

· боридное – характерно образованием боридов Fe, Cr, Mo, Nb;

· интерметаллидное – характерно для никельсодержащих жаропрочных сталей легированных Ti (1,0. 3,5 %) и Аl (до 6 %). При Т = 650. 850 °С образуются мелкодисперсные интерметаллиды типа Ni3 (Ti, Al), (Ni; Fe)2Ti и другие. Наличие других элементов может привести к карбидному виду упрочнения.

Контрольные вопросы к главе 1

1. По каким показателям классифицируются стали и сплавы?

2. Перечислите структурные составляющие системы Fe–C.

3. Чем отличается аустенит от феррита?

4. Как классифицируются стали по назначению?

5. Каким образом определяется принадлежность стали к структурному классу?

Специальные стали и сплавы относятся к большой группе конструкционных материалов, обеспечивающих работу узлов и деталей машин в условиях воздействия высоких температур, агрессивных сред, радиационного излучения и т.п.

Основным конструкционным материалом в промышленности являются углеродистые и низколегированные стали. Но с развитием энергетики, авиации, ракетной и атомной техники, химического машиностроения и судостроения, криогенной технологии и других отраслей непрерывно возрастает потребность в новых конструкционных материалах, обладающих специальными свойствами. Такие стали и сплавы называют специальными.

Эти свойства определяются непрерывным повышением рабочих температур и давлений, созданием установок большой мощности, работой в различных агрессивных средах при низких и высоких температурах. Высокие температуры необходимы для обеспечения эффективной работы энергетических установок (тепло- и атомные станции, реактивные двигатели и т.д.).

Так, реактивные двигатели должны изготавливаться из материалов, способных обеспечивать необходимую прочность при температурах более 1000 °С, а оборудование электрических станций работает в условиях действия термомеханических нагрузок (давление пара 25 МПа, температура 600 °С).

К этому добавляется коррозионное действие на металл активной водяной, паровой или газовой среды. Многие сварные конструкции работают в условиях коррозии и кавитации под действием высоких и низких температур, нейтронного облучения и т. п. В этой связи возникает необходимость изучения особенностей сварки специальных сталей и сплавов.

1. Классификация сталей и сплавов

Классификация сталей и сплавов осуществляется по следующим показателям:

1. По химическому составу:

А. Углеродистые стали:

  • низкоуглеродистые (до 0,22 % С);
  • среднеуглеродистые (0,23…0,45 % С);
  • высокоуглеродистые (более 0,45 % С).

Б. Легированные стали:

а) низколегированные (количество легирующих элементов не превышает 5 %), которые, в свою очередь подразделяются:

  • на низкоуглеродистые конструкционные (09Г2, 14Г, 10ХСНД);
  • теплоустойчивые (12ХМ, 20ХН, 20ХМФ);
  • среднеуглеродистые (30ХГСА, 35ХМ).

б) среднелегированные (количество легирующих элементов со-ставляет 5…10 %):

  • конструкционные (30ХГСНД, 30ХН2МФА);
  • теплоустойчивые (20Х2МА, 12Х5МА).

в) высоколегированные стали (количество легирующих элемен-тов от 10 до 55 %).

Влияние хрома, никеля, кремния и алюминия на жаростойкость сталей

. этой стали изготовляют изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации воздействию металла или солей. Жаропрочные сплавы должны . легирующие элементы могли диффундировать по объему сплава, то можно установить обогащение слоя окалины хромом, алюминием, кремнием. В результате диффузии при соответствующих условиях . Так, в результате внедрения в сталь соответствующих количеств хрома, алюминия или кремния, .

г) высоколегированные сплавы:

  • сплавы на железоникелевой основе — твердый раствор хрома в железоникелевой основе (Fe+Ni >
  • 65 %);

2. По назначению в зависимости от основных свойств:

  • коррозионно-стойкие, способные сопротивляться разрушениям в условиях воздействия коррозионной среды (воды, газа, пара, кислот, щелочей и т. п.) в течение расчетного срока эксплуатации (стали 12X13, 20X13, 30X13, 04Х18Н10, 12Х17Г9АН4, 10Х17Н13М2Т и другие);
  • жаростойкие (окалиностойкие), способные сопротивляться окисляющему действию рабочей среды при Т >
  • 500 °С, работающие в слабонагруженном состоянии в течение расчетного срока эксплуата-ции;
  • для Т 2. Особенности работы сварных конструкций из специальных сталей и сплавов

В зависимости от длительности работы сварные конструкции можно разделить на группы:

1. Кратковременного действия (узлы ракет и ракетных двигателей), работающие несколько минут.

2. Среднего действия (узлы самолетов и т. п.), работающие сотни часов.

3. Длительной службы (паропроводы, турбины, химическая аппаратура), работающие 10…20 лет.

Как правило, чем выше температура, давление и другие параметры, тем короче срок службы конструкций.

В сварных конструкциях из легированных сталей под действием длительных нагревов наблюдаются следующие формы нестабильности структуры:

  • сфероидизация перлита и коагуляция (укрупнение) частиц карбидной фазы;
  • графитизация (только в сталях перлитного класса, не содержащих хром);
  • образование новых и перерождение старых фаз (химических соединений);
  • перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой.

В условиях работы атомных электростанций добавляется и действие нейтронного облучения и агрессивной среды.

При работе в условиях ползучести и малоцикловой усталости наблюдается:

1. Внутризеренная деформация, когда пластическая деформация происходит путем сдвига внутри зерна. Такая деформация наблюдается при значительных скоростях ползучести, больших напряжениях и сравнительно коротком времени его действия. При этом возникают значительная пластическая деформация и вязкое разрушение.

2. Межзеренная деформация, при которой образование и развитие трещин происходит по границам зерен. Такой вид деформаций наблюдается при малых скоростях ползучести (малые и высокие Т).

При этом происходит хрупкое разрушение.

Вследствие упругопластического скольжения зерен по границам, ориентированным в направлении нормальных напряжений, под действием происходит релаксация касательных напряжений и накопление нормальных напряжений на поперечных границах.

Мартенситные превращения (как и понижение Т) исключают развитие упругопластической деформации в прилегающих участках металла. Поэтому вершины зерен, в которых сходятся скользящие границы и прилегающие к ним поперечные, являются наиболее вероятными местами очагов разрушения.

В этих условиях проявляется несовершенство сварных соединений, обусловленное самим процессом сварки.

К этим несовершенствам относятся:

  • неоднородность структуры и свойств металла по зонам сварного соединения (наличие хрупких участков закалочного и иного происхождения, малопрочных прослоек и т. п.);
  • концентраторы напряжений, обусловленные формой шва и сварного узла;
  • наличие концентратов в виде допустимых технологических дефектов шва (шлаковые включения, газовые поры и т. п.);
  • наличие остаточных сварочных напряжений.

Для устранения или уменьшения таких несовершенств сварных соединений необходимо:

1. Совершенствовать проектно-технологическую проработку сварной конструкции.

2. Применять более технологичные и чистые материалы, например сталь ЭШП, ВДП.

3. Применять прогрессивные способы сварки, позволяющие получать сварные соединения (швы) требуемой чистоты, свойств, сплошности и геометрической формы,

4. Совершенствовать методы нагрева для термообработки сварных соединений в строго заданных режимах,

5. Совершенствовать методы и средства неразрушающего контроля для сооружаемых и эксплуатируемых сварных конструкций.

6. Совершенствовать организацию сварочных работ и повышать технологическую дисциплину их изготовления.

В настоящее время в промышленности применяется свыше 2500 марок сталей и сплавов и нет единой технологии их сварки.

Один и тот же материал можно использовать и в реактивном двигателе, и в химическом аппарате, и если в первом случае необходимо обеспечивать жаропрочность, то во втором — коррозионную стойкость. Технология сварки различна и зависит от условий эксплуатации.

3. Сварка жаропрочных перлитных сталей

Жаропрочными (теплоустойчивыми) принято называть стали, предназначенные для длительной работы при Т 4. Сварка хромистых сталей

1. Хромистые стали в зависимости от условий эксплуатации сваривают по двум вариантам:

  • с применением присадочных материалов, аналогичных основному металлу;
  • использованием присадочных материалов аустенитного или аустенитно-ферритного классов.

В первом случае сварное соединение отличается структурной однородностью и высокой прочностью после термообработки, во втором — структурной неоднородностью, равнопрочность с основным металлом не достигается.

2. Все хромистые стали свариваются с подогревом (низкий коэффициент теплопроводности).

Но в отдельных случаях можно отказаться от подогрева. Это возможно при сварке сталей толщиной до 8 мм, а также при использовании аустенитных и аустенитно-ферритных электродов.

3. Наиболее приемлемой является сварка плавлением (РДС, АДС, сварка в Аг, Аг+О2 плавящимся и неплавящимся электродами, ЭШС).

4. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности (эвакуация водорода).

5. После сварки, как правило, сварное соединение подвергают термообработке.

6. Сварочные материалы (электроды, проволоки, флюсы) необходимо прокаливать и хранить в герметичной таре.

7. Для сварки хромистых сталей применяют малоактивные и даже пассивные безмарганцовистые солеоксидные флюсы.

8. Силу сварочного тока и вылет электрода применяют на 20…30% меньше, чем при сварке перлитных сталей.

9. Сварку целесообразно осуществлять с малым тепловложением для уменьшения ЗТВ, понижения склонности к росту зерна и т. п.

5. Сварка мартенситных сталей

Среди способов сварки мартенситных сталей плавлением наибольшее распространение получила РДС, которая позволяет получить сварные швы однородные по химическому составу с основным металлом. Это электроды КТИ-9, КТИ-10 и ЦЛ-32 фтористо-кальциевого типа, обеспечивающие наплавленный металл с 10…12 % Cr, 0,8 % Ni и 1 % Mo, а для ЦЛ-32 еще и 1 % W.

Для АДС под флюсом используют сварочные проволоки Св-15X12НМВФБ и Св-15X12ГНМБФ и низкокремнистые безмарганцовистые солеоксидные флюсы ОФ-6 и ФН-17, позволяющие получать наплавленный металл с низким содержанием диффузионного водорода (до 3 см3/100 г).

Независимо от толщины изделий сварного соединения мартенситных сталей, как правило, подвергают термообработке (табл. 12) для снятия остаточных напряжений, распада закалочных структур и улучшения механических свойств. Термообработку проводят немедленно после сварки (без охлаждения не ниже Тпод).

Таблица 2 Тепловой режим сварки мартенситно-ферритных сталей

Температура подогрева, С

Время пролеживания до термообработки, ч

Отпуск при 680…700 С

Отпуск при 700…720 С

Отпуск при 700…720 С

Отпуск при 620…640 С

Так как для мартенситно-ферритных сталей применяются в основном аустенитные сварочные материалы, то прочность сварных соединений ниже по сравнению с основным металлом. Так, в, , , KCV сварных соединений составляет 75…90% от аналогичных показателей основного металла. Равнопрочность достигается при использовании для сварки электродов и проволок, обеспечивающих получение металла швов с мартенситной структурой (АНВ-1, АНВ-2, ЦЛ-5) (табл. 16).

Стойкость сварного соединения к МКК обеспечивается рекомендуемой термообработкой.

6. Сварка ферритных сталей

Для ферритных сталей назначают подогрев, исходя из значения в исходном состоянии. Обычно Ткр составляет 150…200 °С (табл. 19).

Но подогрев уменьшает скорость охлаждения и увеличивает время пребывания при Т = 475 °С.

В этой связи сварку рекомендуют вести с ускоренным охлаждением. Ускоренное охлаждение повышает пластичность и вязкость сталей с низким уровнем примесей внедрения. Так, у стали типа 01X30, содержащей 0,008 % С и 0,022 % N, после сварки и быстрого охлаждения > 0,5 %, KCV > 2,8 МДж/м2.

В качестве присадочных материалов для РДС, АДС, АрДС преимущественно применяют сварочные электроды и проволоку, обеспечивающие наплавленный металл типа Х25Н13 с аустенитной структурой С (табл. 20).

При наличии требований по МКК применяют присадочные металлы, легированные Nb, Ti или Al.

В связи с невозможностью измельчения структуры ферритных сталей термообработкой хрупкость их сварных соединений является необратимой. Отжиг при Т = 760 С является универсальным для этих сталей. При этой температуре полностью релаксируются остаточные напряжения и устраняется восприимчивость к МКК.

Если при сварке применяются однородные электроды и проволоки с обычным содержанием примесей, то пластичность и ударная вязкость металла шва крайне низкие. Лишь в случае низкого содержания примесей (ЭП882-ВИ, ЭП904-ВИ, аргон и сварочная проволока Св-02Х19Ю3Б) у металла шва могут быть > 22 % и KCV > 0,5 МДж/м2. Ударная вязкость ЗТВ металла сварных соединений этих сталей также составляет не менее 0,5 МДж/м2.

7. Сварка аустенитных хромоникелевых сталей

Аустенитные хромоникелевые стали сочетают достаточную прочность с высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, жаростойкостью и жаропрочностью. Эти стали называют металлами атомного века.

Основными факторами, ухудшающими свариваемость аустенитных сталей, являются:

1. Низкая стойкость сварного соединения к образованию трещин.

2. Возможная потеря коррозионной стойкости металла.

3. Охрупчивание при эксплуатации.

4. Поры в наплавленном металле.

Выбор сварочных материалов осуществляется в зависимости от марки стали и условий ее эксплуатации.

Для сталей с Cr/Ni > 1 применяют аустенитно-ферритные материалы, а для сталей с Cr/Ni 8. Технология сварки и свойства соединений

При выборе сварочных материалов необходимо предотвратить горячие трещины в шве и ЗТВ, трещины при термообработке, а также обеспечить равную жаропрочность сварного соединения и основного металла.

При сварке гомогенных сплавов применяют присадочные проволоки, близкие по химическому составу к основному. Отличие состоит в увеличении доли элементов, повышающих энергию активации процессов диффузии (Mo, W, Mn), и в уменьшении упрочняющих добавок (Ti, A1) (табл. 3).

При сварке гетерогенных сплавов с большим содержанием Ti и Al применяют присадочные проволоки, в которых часть Ti заменена Nb.

Общий принцип выбора режима сварки — максимально возможное сокращение времени высокотемпературного нагрева, увеличение скорости охлаждения и уменьшения размеров сварочной ванны, снижение сварочных напряжений.

Таблица 3 Типовые составы присадочных материалов

1,0 Al; 1,0 Ti; 1,0 Nb

Указанные требования выполняются при лазерной и ЭЛС на скорости 4 % являются плохо свариваемыми и их рекомендуют соединять диффузионной сваркой и пайкой.

Термообработка после сварки для гомогенных сплавов включает аустенизацию сварных узлов при Т = 1050…1200 °С, которая приводит к растворению избыточных фаз и снятию сварочных напряжений. Это повышает работоспособность сварных соединений в коррозионных средах (табл. 4).

Для гетерогенных дисперсионно-упрочняемых сплавов термообработка включает аустенизацию и стабилизирующий отжиг. Более эффективна двукратная обработка, которая формирует глобулярную структуру карбидов и -фазы по границам. Последующее двухступенчатое старение при 900 °С, 8 часов и при 850 °С, 15 часов приводит к выделению ‘-фазы в объёмах зерен и стабилизирует структуру для последующей высокотемпературной эксплуатации, но не изменяет морфологию карбидов. Качественные сварные соединения показывают высокие эксплуатационные свойства, мало отличающиеся от основного металла (табл. 4).

Таблица 4 Жаропрочность сварных соединений никелевых сплавов

Время до разрушения, ч

Примечание. Аустенизация 1200 С, 1 час, воздух.

Заключение

Многообразие сталей и сплавов, применяемых при изготовлении сварных конструкций, требует от инженера-сварщика глубоких знаний в области материаловедения, теории сварочных процессов, технологии и оборудовании сварки плавлением и давлением.

Особенно это относится к специальным сталям и сплавам, которые характеризуются наличием в них большого количества легирующих элементов, обеспечивающих получение особых свойств сварных конструкций.

К таким свойствам относятся жаростойкость, коррозионностойкость, хладостойкость, радиационностойкость и другие. Эти свойства обеспечиваются сталями различных структурных классов (аустенитные, ферритные и т.д.) и комплексным легированием.

Разработка способов и технологии сварки таких материалов требует учета условий эксплуатации и требований к сварным соединениям. Условия работы сварной конструкции должны учитываться на всех этапах разработки технологии сварки и термообработки.

При этом необходимо принимать меры против разрушения сварных соединений как при изготовлении, так и в условиях эксплуатации (устранять возможности образования трещин, коррозионного разрушения, охрупчивания и т.п.).

Разрабатываются и будут разрабатываться новые марки сталей и сплавов, обладающих требуемыми эксплуатационными свойствами. Сварка таких материалов потребует применения новых чистых и сверхчистых основных и присадочных материалов, высококонцентрированных источников тепла (плазма, электронный луч) и специального оборудования.

От инженера-сварщика требуется комплексный подход к разработке технологии и оборудования для сборки и сварки конструкций из специальных сталей и сплавов, начиная с анализа конструкции и заканчивая выбором способов контроля качества сварных соединений.

Все это обусловливает необходимость изучения широкого круга вопросов общетехнических и специальных дисциплин, применения современных средств информационной и вычислительной техники.

Примеры похожих учебных работ

. и коррозионной стойкости, так как эти изделия работают в тяжелых условиях эксплуатации. Поэтому в процессе сварки медь . и т.д. Многокомпонентные медноцинковые сплавы принято называть специальными латунями. Сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием и .

Сварка цветных металлов и сплавов

. газа с кислородом. Инертные газы используются для сварки химически активных металлов (высоколегированные стали и цветные металлы). В среде защитных газов применяется ручная и механизированная сварка неплавящимся электродом, а также автоматическая .

Импульсно – дуговая сварка плавящимся электродом алюминиевых сплавов

. наиболее рациональным с технической и технологической точек зрения является импульсно- дуговая сварка алюминия с применением специальных импульсных источников питания, дополнительных генераторов к сварочным выпрямителям или, в последнее .

Реферат сварка никеля и его сплавов

. лопатки, роторы и др.). В электрохимической промышленности применяются сплавы никеля с медью и железом типа монель и константан для изготовления катодов. Особенности диффузионной сварки никеля и его сплавов определяются их свой-ствами и составом, в .

Сварка титана и его сплавов

. не остынет примерно до 400°С. рис.1. Схема ручной сварки титана неплавящимся электродом Некоторые технологические указания по сварке титана и его сплавов вольфрамовым электродом в аргоне приведены ниже. .

Металлургические процессы при сварке низкоуглеродистых, низколегированных и высоколегированных .

. стали 1.1 Состав и свойства сталей Стали этих групп относятся к хорошо сваривающимся практически всеми видами сварки, сталям. Основные требования при их сварке . В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных .


Бурное развитие атомной и тепловой энергетики, авиационной и ракетной техники, химического нефтехимического машиностроения и других отраслей привело к созданию разнообразных металлических материалов со специальными свойствами, обеспечивающими надежность и работоспособность конструкций в различных условиях эксплуатации.

Специальные свойства металлических материалов (в том числе сталей и сплавов) в основном обеспечиваются путем сложного легирования. Однако добавка в металлические материалы легирующих элементов наряду с приданием им специальных свойств – жаропрочности, окалиностойкости, коррозионной и хладостойкости и др. – иногда резко ухудшает их свариваемость.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА КУРСА

Цель курса – дать студенту углубленные знания о состоянии и перспективах развития сварки плавлением при производстве сварных конструкций из специальных сталей и сплавов на железной и никелевых основах в энергетическом, химическом, криогенном и других производствах.

В курсе освещается научный подход к выбору принципиальной технологии сварки специальных сталей и сплавов, работающих при высоких и низких температурах, в условиях коррозии, нейтронного облучения и других экстремальных условиях.

Студент должен уметь с учетом условий эксплуатации сталей и сплавов и системы их легирования выбрать способ сварки, технологические режимы,| сварочные материалы, термическую обработку сварных соединений и дать другие необходимые рекомендации, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность изделий.

Учебные занятия по курсу включают лекции, лабораторные занятия, консультацию, самостоятельную работу студентов с учебниками и другой рекомендованной литературой и выполнение контрольных работ.

Студент обязан выполнять в соответствии с учебным планом одну контрольную работу и четыре лабораторные работы. После изучения курса, выполнения лабораторных и контрольных работ студент сдает экзамены.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА И

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ КУРСА

Содержание и значение курса. Состояние и перспективы использования легированных, теплоустойчивых, жаропрочных, жаростойких, хладостойких, коррозионно-стойких сталей и жаропрочных никелевых сплавов в энергетической, криогенной, химической. Нефтехимической и других отраслях машиностроения для производства сварных конструкций.

Основные сведения о специальных сталях, сплавах и поведении при сварке.

Характеристики работоспособности сварных соединений жаропрочных, жаростойких, хладостойких и коррозионно-стойких сталей. Влияние легированных сталей на принадлежность их к различным структурным классам. Поведение при сварке сталей перлитного мартенситного, ферритного, аустенитного классов и сплавов на никелевой основе. Изменение свойств сталей в околошовной зоне в результате структурных превращений под действием термодеформационного цикла сварки.

Технологическая прочность сварных соединений. Склонность швов к образованию газовых включений.

Металлургическая характеристика способов сварки плавлением и сварочных материалов, используемых при производстве сварных конструкций из специальных сталей и сплавов.

Виды термической обработки сварных соединений, ее назначение и способы осуществления.

Методические указания

Вопросы для самопроверки

1) Какие стали относятся к легированным, теплоустойчивым, жаропрочным, жаростойким, хладостойким, коррозионно-стойким. Приведите пример марок сталей, относящихся к указанным группам.

2) В результате чего металлические материалы приобретают специальные свойства?

3) Назовите причину изменения свойств в зоне термического влияния сварных соединений.

4) перспектива производства специальных сталей и сплавов.

5) Укажите области применения специальных сталей и сплавов.

2 Сварка специальных сталей и никелевых сплавов

в энергетическом машиностроении

2.1 Трудности, возникающие при сварке теплоустойчивых сталей перлитного и мартенситного классов типа 15Х2НМФА, 15Х1М1Ф, 15Х11В2МФ и др., предназначенных для изготовления оборудования тепловых и атомных электростанций, работающего при 400-500 0 С. Выбор сварочных материалов для дуговой и электрошлаковой сварки, режимов сварки, температур подогрева свариваемых изделий и термической обработки сварных соединений, обеспечивающих их стойкость против образования холодных трещин, высокую жаропрочность (1, с. 151-158; 2, с. 17-25, 342-356, 404-40, 431-443; 6, 9, 13, с. 302-313).

2.2 Трудности, возникающие при сварке жаропрочных аустенитных сталей на никелевой основе типа 06Х16Н9Н2, Х25Н2ОС2, 15Х25Т, ХН7ОВМТЮ и др., работающих при температурах 600-900 0 С. Выбор сварочных материалов, режимов дуговой, электронно-лучевой сварки, а также режимов термической обработки сварных соединений, обеспечивающих стойкость сварных швов против образования горячих трещин, необходимую жаропрочность, жаростойкость сварных соединений и стойкость против локальных разрушений в процессе эксплуатации /1, с. 184-220, 269-288; 3, 4, с. 26-44; 5, 7, 11, 12, 13, с. 290-300, 314-330/.

Методические указания

При изучении этой темы студент должен, прежде всего, обратить внимание на влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали, а также их влияние на образование горячих и холодных трещин. Знание причин и степени воздействия легирующих элементов на металл шва и зоны термического влияния позволит обоснованно подойти к выбору сварочных материалов, режимов сварки и термической обработки.

Читайте также: