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;
Тл (Тс) – 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: