Методическое пособие по ВК 2016. Методическое пособие Испытания и неразрушающие методы контроля визуально-оптический метод контроля (Сварные соединения и обработанные изделия) Разработал Хатько В. В. 2016 2

39
К характеристикам пластичности металлов относится также ударная вязкость, показывающая работу разрушения при изгибании надрезанного образца, отнесенную к его площади сечения в месте надреза.
К технологическим свойствам металлов относят: обрабатываемость резанием, ковкость,
жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.
Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом.
Ковкость — способность металла поддаваться обработке давлением, принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения целостности.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.
Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.
Свариваемость — способность металлов образовывать прочные соединения отдельных металлических заготовок путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния.
Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом.
Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается.
 Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.
 Чем чище металл, тем менее он подвержен коррозии.
Металлы очень технологичны:
- во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.),
-во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Таким образом, под термином «металлы» понимают всю группу металлических материалов — чистые металлы и сплавы.
Чистые металлы используют только в тех случаях, когда от материала требуются высокие показатели теплопроводности, электропроводности и высокая температура плавления. Эти свойства у них всегда выше, чем у сплавов.
Основными материалами при монтаже металлоконструкций, трубопроводов и оборудования являются сплавы, имеющие по сравнению с чистыми металлами следующие преимущества:
– более высокую прочность;
– способность изменять свойства при изменении химического состава;
– способность улучшать свойства под влиянием термической обработки;
– более низкую температуру плавления;
– большую текучесть в расплавленном состоянии;
– меньшую усадку.
Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как позволяют получать всевозможные металлоконструкции с показателями, отвечающими требуемым эксплуатационным условиям.
2.9 Технологические особенности различных марок сталей и области их применения.
Классификация стали по составу, назначению и качеству.
По составу:
1. Углеродистая сталь
Углеродистой сталью называют сплав железа с углеродом до 2,14% и примесями кремния, марганца, серы и фосфора.
Главным компонентом, определяющим свойства этой стали, является углерод. Массовое содержание элементов в, стали до 99% железа (F
e
); до 2,14 углерод (С); 0,15 – 0,35% кремний (S
i
); 0,2 – 0,8 марганца
(M
n
); до 0,07% серы (S); до 0,07% фосфора (Р).

40
Углерод
находится в, стали главным образом в виде цементита (химическое соединение Fe
3
C), который повышает твердость, упругость, прочность, но уменьшает пластичность и сопротивление
ударным нагрузкам, ухудшает обрабатываемость.
Кремний
и
марганец
в небольшом количестве особого влияния на сталь не оказывают.
Сера и фосфор вредные примеси.
Сера
находится в, стали в виде химическое соединение Fe
3
S, она вызывает красноломкость, то есть хрупкость при высоких температурах (при ковке, прокате), снижает усталостную прочность, уменьшает коррозионную стойкость.
Сера улучшает обрабатываемость (на станках-автоматах обрабатывается сталь с содержанием серы до 0,2% и фосфора до 0,15%).
Фосфор
, содержание которого составляет до 0,07% придает стали высокую хрупкость при обычной температуре, то есть вызывает хладноломкость. Особенно отрицательно фосфор влияет на сталь при высоком содержании углерода.
Кислород
, является вредной примесью в стали.
Увеличение содержания углерода приводит к увеличению перлита в структуре доэвтектоидных сталей и вторичного цементита в структуре заэвтектоидных сталей, то есть количество цементита увеличивается, а количество феррита уменьшается. Такие изменения в структуре медленноохлажденных сталей приводит к изменению ее механических свойств.
Феррит имеет не высокую прочность (Ϭ ≈ 250 МПа), небольшую твердость (НВ ≈ 80) и высокую пластичность (δ ≈ 50%).
Цементит имеет высокую твердость (НВ ≈ 800) и практически не обладает пластическими свойствами.
 С увеличением содержания углерода (С) в медленноохлажденной стали ее твердость,
прочность возрастает до известных приделов (при содержании углерода выше 1% появляется в структуре стали хрупкая сетка вторичного цементита по границам зерен перлита), а
пластичность (относительное удлинение и относительное сужение) – понижается.
Углеродистую сталь классифицируют по назначению:
- Конструкционные стали – сталь, содержащая не более 0,6% углерода (в виде исключения – до 0,85%)
- малоуглеродистая сталь до 0,25% (С).
Сталь 3; Сталь10; Сталь 20; Сталь 25. В маркировке указывается содержание углерода, в сотых долях процента.
Феррита-перлитовая смесь с твердость НВ 70-80
- среднеуглеродистая сталь до 0,6% (С)
Машиностроительные стали Сталь 40; Сталь 45; Сталь 50. В маркировке указывается содержание углерода, в сотых долях процента.
- Инструментальные стали – сталь характеризуется содержание углерода от 0,7% и выше. Они отличаются высокими твердостью, прочностью, предназначена для изготовления инструментов и штампов.
- высокоуглеродистая сталь свыше 0,6% (С)
Сталь У7; У8; У9А
Карбид железа Fe
3
C
- Стали с особыми свойствами.
Углеродистую сталь делят по качеству:
- обыкновенного качества. Стали обычного качества (ГОСТ 380-94) Сталь 0 – Сталь 6
Сталь обыкновенного качества предназначена для изготовления неответственных строительных конструкций, крепежных деталей, листов, труб, заклепок, рельсов, валов, фланцев, кулачков и т.д.
Сталь обыкновенного качества выплавляют в кислородных конверторах и мартенах и делит на три группы: А, Б, В.
Группа А – сталь поставляется по механическим свойствам.
Группа Б – сталь поставляется по химическому составу.

41
Группа В – сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам.
Их механические свойства определяются пределом прочности и пластичности.
- качественную. Сталь качественная(ГОСТ 1050-88) Сталь 10, 15, 20, 35, …. 80.
Качественная конструкционная сталь наиболее широко применяется в технике, она отличается большой прочностью, пластичностью и сопротивлением ударным нагрузкам.
Такая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам. Она выплавляется в кислородных конвекторах, мартеновских и электропечах. Допускается содержание серы до 0,04%, фосфора до 0,35%, кроме того в, стали содержится до 0,25% никеля и до 0,35% хрома.
 Недостатки углеродистой стали:
- отсутствие сочетания твердости с прочностью и пластичностью;
- высокий коэффициент теплового расширения;
- потери твердости и режущей способности при нагревании до температуры 200 0
С и прочности при повышении температуры.
- низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах, в атмосфере и при высоких температурах;
- низкие электротехнические свойства;
- не высокая прочность влечет к, увеличение массы изделия, усложнения конструкции и, следовательно, к удорожанию конечного продукта.
2. Легированная сталь
Легированная сталь наряду с обычными примесями содержит легирующие элементы, главным образом определяющие ее свойства.
К легирующим элементам относят: хром, вольфрам, ванадий, молибден, никель, а также кремний и
марганец в большом количестве.
Легированная сталь имеет свойства, которых нет у углеродистой стали, она снижает металлоемкость, повышает надежность и долговечность изделий.
Влияние легирующих элементов на свойства стали:
1.
Хром
повышает твердость и прочность, незначительно уменьшает пластичность. При содержании хрома выше 13% сталь становится коррозионностойкой. (Нержавеющие свойства
возникают скачкообразно, при содержании хрома более Cr >13%).
2.
Никель
придает высокую прочность, пластичность, коррозионную стойкость и повышает сопротивление удару.
3.
Вольфрам
резко увеличивает твердость и красностойкость.
4.
Ванадий
повышает плотность, прочность, способствует измельчению зерна, сопротивлению удару, истиранию, разрыву.
5.
Кобальт
повышает жаропрочность, магнитопроницаемость.
6.
Молибден
увеличивает красностойкость, упругость, прочность, сопротивление окислению при высоких температурах.
7.
Кремний
в количестве более 1% повышает прочность, не уменьшая пластичности, увеличивает упругость, кислотостойкость и магнитопроницаемость.
8.
Марганец
– 1% и более, увеличивает износоустойчивость без потери пластичности.
9.
Алюминий
увеличивает окалиностойкость.
10.
Титан
повышает прочность, уменьшает межкристаллическую коррозию.
11.
Ниобий
увеличивает сопротивление коррозии и кислотности.
12.
Цирконий
придает прочность, способствует измельчению зерна.
13.
Церий
повышает прочность и пластичность.
14.
Медь
уменьшает коррозию.
В сталь вводят также редкоземельные элементы: неодим, цирконий, тантал, селен и д. р., количество легирующих элементов может быть несколько.
По содержанию легирующих элементов стали делят:

42
- Низколегированные стали, сумма легирующих добавок ∑
лэ
≤ 2,5(3) %.
Эту сталь используют в строительстве, она прочнее углеродистой, лучше противостоит действию ударных нагрузок, применение уменьшает массу конструкции на 15 – 30%.
Сталь 09Г2С – используется в подъемных механизмах
Маркировка: 09 - содержание углерода в сотых процента; Г2- содержание Марганец- Г 2%; С – содержание Кремний – С до 1%.
17ГС, 15ГС, 16ГС – трубы магистральные
25Г2С - арматура
10ХСНД – используется в эстакадах мостах
Такие стали хорошо свариваются – содержат мало углерода.
Азот – А в середине марки; Ниобий – Б; Вольфрам – В; Марганец - Г;
Медь – Д; Селен – Е; Кобальт – К; Молибден – М; Никель – Н;
Фосфор – П; Бор – Р; Кремний –С; Титан – Т; Ванадий – Ф; Хром – Х; Цирконий – Ц;
Алюминий – Ю.
- среднелегированные стали, сумма легирующих добавок ∑
лэ
= 2,5 (3) -10%
Ст. 9ХВС – используется для изготовления хирургических инструментов
- высоколегированные стали, сумма легирующих добавок ∑
лэ
>10%,
Массовая доля Fe >45%, при массовой доле одного легирующего элемента более 8%.
08Х18Н10Т – сталь аустенитного класса (не магнитная)
08Х17 – сталь хромового класса.
Нержавеющие свойства возникают скачкообразно, при содержании хрома более Cr >13%.
Нержавеющие стали подвержены межкристаллической коррозии. Именно высокое содержание хрома служит для нержавеющих сталей основной причиной межкристаллитной коррозии, поскольку при некоторых условиях хром выделяется вдоль границ зерен фаз, и создаются карбиды хрома. Соседние зоны, обедненные хромом, становятся электрохимически активными и корродируют с более высокими скоростями, чем фазы, обогащенные хромом. Наибольшая склонность к межкристаллитной коррозии наблюдается в тех случаях, когда избыточные фазы на границах зерен соприкасаются, образуя непрерывные цепочки.
По назначению легированные стали подразделяют:
1. Конструкционную:
- качественная;
- высококачественная «А»;
- особо высококачественная «Ш».
2. Инструментальную. Она применяется для изготовления режущих, измерительных, ударноштамповочных инструментов.
Легирующими элементами для этой стали являются хром, вольфрам, ванадий и др., они повышают стойкость инструмента, производительность его при металлообработке резко возрастает.
3. С особыми физическими и химическими свойствами. Она используется в энергетике, ракетной технике, в нефтегазовой промышленности.
К этой группе сталей относят: магнитные, немагнитные, с высоким омическим сопротивлением, с особыми тепловыми и упругими свойствами.
Магнитные стали и сплавы делят на магнитотвердые и магнитомягкие. Магнитотвердые служат для изготовления постоянных магнитов.
Коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали используются в агрессивных средах, применяются в химической и нефтегазовой промышленности.
По структуре:
После охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса:
- перлитный
- мартенситный
- аустенитный.

43
Легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатной температуры, при разном содержании легирующих элементов и углерода получают различные структуры.
По степени раскисления:
- кипящие, содержание кремния Si ≤ 0.07%
- полуспокойные, содержание кремния Si = 0.05% - 0,15%
- спокойные, содержание кремния Si >0,12%.
По хладностойкости:
- группа хладностойкости I – не гарантируется
- группа хладностойкости II – гарантируется до минус 40 0
С
- группа хладностойкости III – гарантируется до минус 70 0
С.
По свариваемости:
- свариваемость хорошая (для углеродистых сталей при С ≤ 0,25%)
- свариваемость удовлетворительная (для углеродистых сталей при С = 0,25 – 0,35%)
- свариваемость ограниченная (для углеродистых сталей при С = 0,36 - 0,5%)
- свариваемость плохая (для углеродистых сталей при С >0,5%).
По группам поставки:
- группа поставки А – по механическим свойствам
- группа поставки Б – по химическому составу
- группа поставки В – по механическим свойствам + химическому составу
- группа поставки Г – поставка В + термообработка
- группа поставки Д – гарантия работоспособности под давлением.
Свойства титана и его сплава.
Титан. Химический элемент, символ Ti. Имеет плотность 4,5 г/см
3
, температуру плавления 1668°С, температуру кипения 3300°С.
По внешнему виду титан похож на сталь. Чистый металл пластичен и легко поддаётся механической обработке давлением.
Титан существует в двух полиморфных модификациях: до 882°С в виде модификации α с гексагональной плотно упакованной кристаллической решёткой, а выше 882°С устойчивой является модификация β с объёмноцентрированной кубической решёткой.
Титан сочетает большую прочность с малой плотностью и высокой коррозионной стойкостью.
Благодаря этому во многих случаях он обладает значительными преимуществами перед такими основными конструкционными материалами, как сталь и алюминий. Ряд титановых сплавов по прочности в два раза превосходит сталь при значительно меньшей плотности и лучшей коррозионной стойкости.
Однако из-за низкой теплопроводности затрудняется его применение для конструкций и деталей, работающих в условиях больших температурных перепадов, и при работе на термическую усталость.
К недостаткам титана как конструкционного материала следует отнести также относительно низкий модуль нормальной упругости.
Механические свойства сильно зависят от чистоты металла и предшествующей механической и термической обработки. Титан высокой чистоты обладает хорошими пластическими свойствами.
Титан и сплавы на основе титана характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосфере воздуха, в естественной холодной и горячей пресной воде, в морской воде (на пластинке из титана за 10 лет пребывания в морской воде не появилось и следа ржавчины), а также в растворах щелочей, неорганических солей, органических кислот и соединений даже при кипячении. По коррозионной стойкости титан подобен хромоникелевой нержавеющей стали. Он не подвергается коррозии в морской воде, находясь в контакте с нержавеющей сталью и медно-никелевыми сплавами. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на его поверхности плотной однородной плёнки, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой.

44
Как конструкционный материал титан наибольшее применение находит в авиации, ракетной технике, при сооружении морских судов, в приборостроении и машиностроении. Титан и его сплавы сохраняют высокие прочностные характеристики при высоких температурах и поэтому с успехом могут применяться для изготовления деталей, подвергающихся высокотемпературному нагреву. Так, из его сплавов изготовляют наружные части самолётов (мотогондолы, элероны, рули поворота) и многие другие узлы и детали — от двигателя до болтов и гаек. Например, если в одном из двигателей заменить стальные болты на титановые, то масса двигателя снизится почти на 100 кг.
Технический титан и его сплавы поддаются всем известным методам обработки давлением. Они могут прокатываться в холодном и горячем состояниях, штамповаться, обжиматься, поддаваться глубокой вытяжке, развальцовываться. Из титана и его сплавов получают стержни, прутки, полосы, различные профили проката, бесшовные трубы, проволоку и фольгу.
Сопротивление деформации у титана выше, чем у конструкционных сталей или медных и алюминиевых сплавов. Титан и его сплавы обрабатываются давлением примерно так же, как и нержавеющие стали аустенитового класса. Титан и его сплавы имеют пониженную обрабатываемость резанием подобно нержавеющим сталям аустенитного класса. При всех видах резания наиболее успешные результаты достигаются при небольших скоростях и большой глубине резания, а также при использовании режущего инструмента из быстрорежущих сталей или твёрдых сплавов. Из-за высокой химической активности титана при высоких температурах сварку его ведут в атмосфере инертных газов
(гелия, аргона). При этом защищать от взаимодействия с атмосферой и газами необходимо не только расплавленный металл шва, но все сильно нагретые части свариваемых изделий.
2.10 Влияние физических и механических свойств металлов (сплавов) на процессы сварки,
обработки металлов и выявление дефектов.
Свариваемость сталей.
Одной из важнейших характеристик сталей, применяемых в сварных конструкциях, является свариваемость. В соответствии с ГОСТ понятие свариваемость определено, как свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
Свариваемость рассматривается как степень соответствия свойств, сварных соединений одноименным свойствам основного материала или нормативным значениям свойств.
Свариваемость включает следующие показатели:
- чувствительность металла к окислению при сварке;
- реакция металла на термодеформационный цикл сварки;
- сопротивляемость образованию горячих трещин;
- сопротивляемость замедленному разрушению при сварке (холодные трещины);
- чувствительность к порообразованию (для алюминиевых сплавов);
- соответствие свойств, сварного соединения заданным эксплуатационным характеристикам.
Горячие трещины.
Горячие трещины являются одним из видов высокотемпературных межкристаллических разрушений.
Они могут возникать при неблагоприятном сочетании факторов, связанных с понижением деформационной способности металла вследствие наличия в структуре легкоплавких эвтектик, дефектов кристаллического строения, выделения хрупких фаз, а также под действием внутренних и внешних напряжений.
Различают следующие типы горячих трещин:
- Кристаллизационные (или ликвационные).
Ликвационные зоны в слитке обогащены обычно фосфором и серой. Поэтому они более твердые и
хрупкие, чем окружающий эти объемы основной металл. При деформации в этих объемах, занятых
ликвационными зонами, могут образовываться трещины.
- Подсолидусные и подваликовые.

45
Кристаллизационные горячие трещины образуются при температуре, превышающей температуру солидуса. Самая высокая температура, при которой металл или сплав находится полностью в твердом состоянии. Подсолидусные и подваликовые трещины появляются после завершения первичной кристаллизации.
Дефекты типа горячих трещин обнаруживаются как в металле шва, так и в металле околошовного участка ЗТВ вблизи линии сплавления. В большинстве случаев горячие трещины обнаруживаются с помощью растрового микроскопа.
Полагают, что горячая трещина образуется, если деформации растяжения развиваются в период нахождения металлов так называемом температурном интервале хрупкости (ТИХ), а скорость деформации велика.
Деформационная способность металла в температурном интервале кристаллизации зависит от содержания серы, образующей с железом и никелем легкоплавкие эвтектики типа FeS, FeS
2
 Для предотвращения образования горячих трещин следует применять сварочную проволоку с
пониженным содержанием серы (менее 0,015%), ограничивать долю участия основного
металла в образовании сварного шва. Применение предварительного или сопутствующего
подогрева положительно сказывается на уменьшении сварочных напряжений.
Холодные трещины.
Холодные трещины являются одним из видов локального разрушения сварных соединений. При образовании холодных трещин определяющим являются три фактора:
- закалочные структуры,
- повышенный уровень напряжений первого рода
- насыщенность металла водородом.
Установлено, что процесс образования холодных трещин включает три стадии: подготовительную, инкубационную и спонтанную. Первые две стадии характеризует процесс зарождения, а третья – процесс распространения трещин.
Холодные трещины зарождаются по границам зерна аустенита после высокотемпературной пластической деформации, при которой увеличивается плотность дислокаций и возрастает упругая энергия искажений структуры.
Последующее возникновение субмикротрещин является результатом проскальзывания по границам зерен и диффузии вакансий к границам. Водород и сера, снижающие поверхностную энергию границ зерен, способствуют росту полостей и субмикротрещин.
Склонность сталей к возникновению холодных трещин связана с их закаливаемостью – повышением твердости под воздействием термического цикла сварки и насыщением металла шва и ЗТВ сварных соединений водородом.
Поскольку закаливаемость сталей возрастает с повышением степени легированности, склонность к образованию холодных трещин ориентировочно оценивается показателем эквивалента углерода Сэкв.
Считается, что при Сэкв = 0,4 сталь не склонна к образованию холодных трещин.
 Для предотвращения образования холодных трещин эффективно применение подогрева при
сварке. При этом снижается скорость охлаждения шва и ЗТВ, предотвращается возможность
образования мартенсита и создаются благоприятные условия для удаления диффузного
водорода.
Хрупкое разрушение.
С увеличением толщины металла возрастает структурно-механическая неоднородность материала, повышается вероятность появления дефектов. При этом также увеличиваются напряжения по толщине металла и создаются условия для возникновения плоскодеформированного состояния.
Статистический анализ причин разрушения крупногабаритных толстостенных сосудов, работающих под давлением, свидетельствуют о том, что более чем в 80% случаев разрушение происходит в результате образования и роста трещин в сварных соединениях.
В зависимости от степени деформации материала, предшествующей разрушению, различают хрупкое
(внутризеренное и межзеренное), квазихрупкое и вязкое разрушение.

46
Межзеренное хрупкое разрушение является следствием адсорбционного обогащения вредными примесями и, как следствие, снижения в десятки раз поверхностной энергии межзеренного сцепления.
Степень пластической деформации металла и энергоемкость процесса при хрупком разрушении минимальны.
Для вязкого разрушения характерна многостадийность процесса, включающего появление пор у частиц второй фазы, образование чашек в результате разрастания и слияния смежных микропустот вокруг пор, пластическая деформация материала вокруг микропустот и его разрыв.
Снижение температуры, переход к плоскодеформированному состоянию, повышение предела текучести материала способствует смене вязкого механизма разрушения хрупким.
Характер распространения трещин в мартенситной структуре преимущественно межзеренный. При нагружении металла микротрещины, возникающие по границам пакетов мартенсита, объединяются в магистральную трещину.
 Последующий отпуск при температуре 650-700С существенно повышает сопротивление
хрупкому разрушению металла с мартенситной структурой.
Отпускная хрупкость.
Сварное технологическое оборудование в нефтехимической и энергетической отраслях промышленности эксплуатируется во многих случаях при повышенных температурах (от 350 до 550С).
При длительной выдержке металла при указанных температурах его сопротивление хрупкому разрушению снижается.
Сопротивляемость сталей отпускной хрупкости зависит как от содержания Cr (хром) и Mo (молибден) в составе стали, так и их соотношения. Наименее склонны к отпускной хрупкости стали типа 1Cr-0,5Mo,
1,25Cr – 0,5Mo, 9Cr – 1 Mo. Стали типа 2,25Cr – 1Mo, 3Cr – 0,5Mo, 5Cr – 0,5Mo обнаруживают повышенную склонность к отпускной хрупкости.
Современные представления о механизме отпускной хрупкости, основанные на спектроскопии, связывают с процессами зернограничной сегрегации вредных примесей (P, Sn, Sb, As) и, как следствие, снижением прочности границ зерен, сменой внутризеренного механизма разрушения межзеренным.
Причем степень этого отрицательного влияния в ЗТВ выше, чем в основном металле, из-за укрупнения зерна аустенита и резкого уменьшения вследствие этого удельной поверхности границ зерен.
Отрицательное влияние примесных атомов усиливается с увеличением в составе стали марганца и кремния.
 Выбирая рациональный режим термообработки, можно существенно снизить склонность
металла к отпускной хрупкости.
Наряду с явлением отпускной хрупкости сталей, которую определяют по снижению ударной вязкости, различают хрупкость металла в условиях ползучести, которую определяют по снижению пластичности в условиях выдержки при повышенных температурах.
Водородоустойчивость.
В последние годы в связи с необходимостью решения проблемы глубокого крекинга тяжелых нефтяных дистиллятов и ужесточения требований к содержанию SO
2
(двуокись серы – сернистый газ) в продуктах сгорания нефтепродуктов широкое развитие получило производство соответствующего технологического оборудования из теплоустойчивых сталей.
В конструкционных сталях при повышенных температурах и давлениях под воздействием водорода развивается особый вид коррозии.
Механизм водородной коррозии следующий: молекулы водорода диссоциируют (растворяются, распадаются) на поверхности контакта с металлом в результате каталитического действия последних.
При температурах 300-600 0
С отмечается интенсивное насыщение и проникновение атомарного водорода через металлы. При высоких температурах и давлении водорода в углеродистой стали происходит диссоциация цементита и активизируется процесс обезуглероживания. Реакция протекает как на поверхности раздела металл-газ, так и внутри металла на границах зерен и межфазных границах.
Для первой стадии процесса водородной коррозии характерно обезуглероживание стали, образование метана на границах раздела и накопление его в дефектных участках структуры.

47
Первая стадия еще не приводит к снижению механических свойств, стали.
На второй стадии под действием высокого давления газообразных продуктов отдельные микропоры расширяются и объединяются, появляются очаги разрушения. Одновременно в связи с увеличением поверхности контакта металла с водородом ускоряется процесс обезуглероживания перлитных участков, возрастает доля феррита в объеме структуры.
 Для повышения стойкости стали к водородной коррозии в ее состав вводят сильные
карбидообразующие элементы (Ti - титан, V - ванадий, Cr - хром, Mo - молибден),
понижающие термодинамическую активность и скорость диффузии углерода в феррите.
В наибольшей степени метал охрупчивается в состоянии после сварки с отпуском при температуре
600 0
С независимо от погонной энергии и интенсивности охлаждения металла при сварке.
 Увеличение температуры последующего отпуска до 750С позволяет существенно повысить
сопротивляемость металла водородному охрупчиванию.
Слоистые трещины.
Воздействие термического цикла сварки на металл может сопровождаться образованием слоистых
(ламеллярных) трещин в процессе остывания (при температуре ниже 200 0
С) в сварных соединениях угловых швов, например, в металле толстостенного корпуса аппарата в области его соединения со штуцером.
 Сопротивление образованию слоистых трещин резко снижается с увеличением объемной
доли сульфидных строчечных включений выше 0,5% и уменьшением относительного сужения
при испытаниях на растяжение.
Трещины повторного нагрева
С увеличением степени легированности свариваемых сталей, особенно химическими элементами, способствующими дисперсионному твердению, значительно возрастает вероятность образования трещин при повторном нагреве сварных соединений в процессе последующей термообработки, например, отпуска.
Механизмы, ответственные за образование трещин термической обработки (ТТО) можно разделить на две группы в зависимости от их влияния на прямое и относительное разупрочнение границ зерен.
- Прямое разупрочнение является следствием зерноограничительной сегрегации легирующих и примесных элементов, адсорбции газов, выделения хрупких фаз, появления в результате мартенситного превращения субмикроскопических или микроскопических зародышевых дефектов.
- Относительное разупрочнение, являющееся в большинстве случаев основным фактором, проявляется в результате процесса дисперсионного твердения, вызванного выделением частиц термически стойких вторичных фаз.
При выдержке, принятой в процессе термической обработки, дисперсионное твердение низко- и среднелегированных сталей проявляется в температурном интервале 500-600 0
С, в котором отмечается появление ТТО, что вызвано в первую очередь образованием карбидов молибдена и ванадия.
Разупрочнение.
Одним из важнейших показателей свариваемости термически упрочненных сталей является склонность к разупрочнению под действием термического цикла сварки.
Явление разупрочнения закономерно для сталей с нестабильной структурой, потому, что структура термоупрочненной стали обладает большим запасом свободной энергии, чем равновесная ферритокарбидная фаза, образующаяся в условиях сварочного нагрева и охлаждения в ЗТВ сварных соединений при общепринятой технологии сварки. В зависимости от химического состава стали эффект разупрочнения проявляется в определенном интервале максимальных температур нагрева.
В некоторых работах исследователей в этой области проанализированы два подхода к обеспечению равнопрочности сварных соединений.
 Первый основан на легировании, изменении структурного состояния сталей, повышения степени гомогенизации аустенита.
 Второй основан на принудительном сопутствующем охлаждении.

48
Особенности сварки сталей.
Особенности сварки углеродистых и низколегированных сталей.
Эта группа сталей применяется в самых различных отраслях промышленности для изготовления сварных изделий и конструкций, работающих в различных условиях – при воздействии статических, циклических и ударных видов нагружения при температурах от -100 до +540 0
С.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали применяют для сварных конструкций, работающих в интервале температур от -40 до +450 0
С. Это стали обыкновенного качества марок Сталь1 - Сталь 5, стали качественные углеродистые и низколегированные.
Стали хладостойкие предназначены для работы при температуре ниже -60 0
С. К этой группе относятся стали 06Н3; 06Н6; 06Н9.
Стали теплоустойчивые: для работ при повышенных температурах до 570 0
С применяют низколегированные стали, в основном хромомолибденовые и с добавлением ванадия: 12МХ; 12Х1М1Ф;
15Х1М1Ф; 12х5М.
Сварка каждой из этих групп сталей имеет свои особенности, связанные с составом сталей, их структурным состоянием перед сваркой, назначением и условиями работы сварных соединений.
Низкоуглеродистые и низколегированные стали.
1) Эти стали содержат до 0,15-0,18% углерода и имеют очень высокую критическую скорость охлаждения при закалке (это минимальная скорость охлаждения с температуры закалки, при которой весь аустенит превращается в мартенсит).
Поэтому охлаждение после сварки не оказывает заметного влияния на твердость в ЗТВ (практически не образуется мартенсит). Как правило, твердость в ЗТВ не превышает НВ 180.
2) Склонность к образованию горячих и холодных трещин практически отсутствует, что позволяет использовать различные виды сварки как при малых, так и при больших значениях погонной энергии.
 Низколегированные стали имеют ограничения при ведении сварочного процесса:
Быстрый нагрев и быстрое охлаждение при сварке будут способствовать повышению твердости в ЗТВ. То есть сварку лучше выполнять при повышенных погонных энергиях без подогрева или с небольшим подогревом.
Особенно важны эти ограничения для деталей большой толщины.
В тонких деталях, даже если в ЗТВ образуется некоторое количество мартенсита, количество его невелико и большого влияния не оказывает.
Для низколегированных сталей с карбонитридным упрочнением (типа 15Г3АФ), наиболее приемлема газоэлектрическая сварка – процесс, позволяющий обеспечить малое тепловое воздействие на ЗТВ.
Несколько хуже ручная дуговая сварка. Электрошлаковая сварка дает наихудшие результаты.
Низколегированные стали в термически улучшенном состоянии – после закалки и высокого отпуска при температурах 550-670 0
С (10ХСНД; 17ГС; 16Г2АФ).
Сварка этих сталей осложнена тем, что в зоне ЗТВ, где происходит, нагрев до температуры близкой к
А1(677 0
С), происходит разупрочнение. Так как полностью не избежать воздействия высокой температуры, чтобы обеспечить однородные свойства сварного соединения – это термообработка после сварки.
 При термообработке существенно снижается уровень остаточных внутренних напряжений, способных вызвать образование холодных напряжений и уменьшить работоспособность сварного соединения в условиях низких температур.
Среднеуглеродистые, низколегированные стали.
Это стали, которые имеют среднее содержание углерода 0,25-0,45% и могут быть как нелегированными
(Сталь25, 30, 40, 45), так и низколегированными (30ХГСА, 40Х, 25ХГМ).
Эти конструкционные стали применяют, как правило, после закалки с отпуском и реже в нормализованном состоянии. После термообработки достигаются прочность сталей до 1000 МПа и хорошая сопротивляемость циклическим нагрузкам.

49
При сварке таких сталей, прежде всего, необходимо снизить скорость охлаждения сварочного соединения после сварки и снизить уровень возникающих сварочных напряжений.
 Для этого прибегают либо к подогреву свариваемого металла, либо к увеличению погонной энергии при сварке (увеличению сварочного тока). Возможна комбинация этих способов.
Поскольку на образование холодных трещин может повлиять попадающий в металл водород, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности против попадания в зону сварки влаги.
 Для этого следует тщательно сушить сварочные материалы и очищать перед сваркой кромки свариваемого изделия.
 Целесообразна также термообработка (высокий отпуск), позволяющая одновременно привести к распаду мартенсита и к снижению остаточных сварочных напряжений. Термообработка сварных соединений из таких сталей необходима сразу же после завершения сварки, чтобы свести к минимуму время, за которое может развиться разрушение.
Таким образом, условия сварки среднеуглеродистых и среднелегированных сталей зависят от многих факторов: состав стали, жесткость конструкции, толщина металла.
 Стали данной группы относятся к числу наиболее трудно-свариваемых.
Высокоуглеродистые стали.
Стали, содержащие более 0,5% углерода, не относятся к машиностроительным или конструкционным. В пределах содержания углерода до 0,7% углеродистые и низколегированные стали применяют на железнодорожном транспорте, для рельса и как штамповые.
При содержании углерода 0,7-1,2% углеродистые и легированные стали относятся к инструментальными.
Характерными особенностями высокоуглеродистых сталей являются:
- наличие избыточных заэвтектоидных карбидов (W - вольфрама и V - ванадия);
- у легированных высокоуглеродистых сталей очень малы критические скорости охлаждения при закалке, и охлаждение на воздухе часто дает в них неравновесные структуры – мартенсит и бейнит;
- легированные инструментальные стали имеют повышенную устойчивость против отпуска.
 В связи с указанными особенностями рассматриваемые стали имеют очень высокую склонность к образованию горячих и холодных трещин при сварке и сваркой плавлением почти не свариваются.
В тоже время некоторые из этих сталей с успехом свариваются контактной сваркой при изготовлении режущего инструмента. При этом после сварки необходима термообработка: общая или местная для придания нужных свойств рабочей части.
Хладостойкие стали.
Это стали типа 06Н3, 06Н6, 06Н9.
Это группа низко и среднелегированных сталей предназначена для работы при температурах до -196 0
С.
Долгое время для этих температурных условий применяли только никельсодержащие стали с 3%, 6%,
9% и низким содержанием углерода или аустенитные хромоникелевые стали. В последнее время начали применять безникелевые стали или с его содержанием менее 1,5%. Эти стали характеризуются очень низким содержанием углерода.
Основными показателями свариваемости для этих сталей являются склонность к образованию холодных трещин, изменение свойств в ЗТВ. По этим показателям рассматриваемые никелевые стали являются хорошо свариваемыми: низкое содержание углерода снижает склонность к холодным трещинам, даже в случае образования мартенсита.
Так как хладостойкость сталей обеспечивается также мелким зерном аустенита, применяют газоэлектрическую или ручную дуговую сварку, чтобы в ЗТВ не выросло зерно.
 Подогрев при сварке почти не используют. Термообработка необязательна.
Теплоустойчивые стали.
Низко и среднелегированные, хромомолибденовые и хромо-молибден-ванадиевые стали способны сохранять механические свойства в условиях эксплуатации при повышенных температурах (550-570 0
С).
Теплоустойчивость этих сталей обусловлена тем, что легирование хромом и молибденом

50 низкоуглеродистых сталей в количествах выше критического отношения Мo (молибден)/С (хром) приводит к тому, что значительная доля этих элементов находится в твердом растворе. Такое легирование феррита вызывает его упрочнение и затрудняет процессы диффузии и самодиффузии при повышенных температурах, что определяет устойчивость свойств при нагреве.
При легирование хромом, молибденом и ванадием образуются специальные карбиды, которые имеют повышенную устойчивость против коагуляции при нагреве. Этот фактор также влияет на сохранение свойств хромомолибденовых и хромо-молибден-ванадиевых сталей при температурах до
570 0
С. Но это обстоятельство приводит также к тому, что образующийся аустенит может быть негомогенным по содержанию углерода, но он не имеет резкой неоднородности по содержанию легирующих элементов.
В связи с этим образующийся при сварке в ЗТВ легированный аустенит имеет повышенную устойчивость и при охлаждении после сварки может претерпевать превращения и различные продукты распада аустенита определяют склонность сталей теплоустойчивых к образованию холодных трещин при сварке и принятия технологических мер по их предупреждению.
 Как правило, теплоустойчивые стали хорошо свариваются различными видами сварки.
Ограничения могут быть связаны с необходимостью подогрева, условиями термообработки.
Высоколегированные хромистые стали.
Хром – основной легирующий элемент для получения коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких сталей. В коррозионностойких сталях хром играет двоякую роль.
При его содержании более 12% резко повышается электрохимический потенциал, и сталь становится более устойчивой в растворах электролитов. В то же время хром способствует образованию на поверхности металла плотной и достаточно прочной окисной пленки, защищающей поверхность от воздействия агрессивной среды. Эта же пленка хрома защищает от окисления при высоких температурах – повышает жаростойкость.
Таким образом, высокохромистые стали оказываются стойкими против химической и электрохимической коррозии в окислительных средах. Наряду с высокой коррозионной стойкостью стали, содержащие примерно 12% хрома, имеют высокие прочность и жаропрочность.
Однако такие стали имеют пониженную технологичность, в том числе пониженную свариваемость.
Хромистые стали с содержание хрома 8-14% и 0,06-0,4% С – углерода, относятся к классу мартенситных в связи с небольшой критической скоростью охлаждения при закалке.
 Такие стали можно подвергать термообработке с целью упрочнения.
Дополнительное повышение жаропрочности высокохромистых сталей достигается введением карбидообразующих элементов: вольфрама, ванадия, ниобия, молибдена.
Таким образом, стали 08Х13, 12Х13, 20Х13 применяют для изготовления оборудования, эксплуатируемого в условиях воздействия сернистых газов и других сред при температуре до 500 0
С.
Стали 10Х13 и 40Х13 используют как коррозионностойкие для различных инструментов и пружин.
Стали 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 15Х12ВНМФ и 14Х12В2МФ являются жаропрочными, применяются при температуре соответственно 550, 580, 630 0
С, для изготовления деталей турбин, литых конструкций и труб.
Стали с 17% хрома по сравнению со сталями, содержащими 1З% хрома, имеют более высокую стойкость к коррозии в атмосфере и, например, в азотной кислоте. 12Х17, 12Х17Т, 12Х17Н2. Эти стали имеют практически ферритную структуру.
 Сварка этих сталей связана с рядом трудностей:
1.Выделение избыточных фаз в участках ЗТВ (400-500, 550-850, 1000-Тпл), которые понижают ударную вязкость, что в свою очередь, вызывает охрупчивание околошовной зоны. В этой связи повышения сопротивления сварных соединений хромистых ферритных сталей можно достигнуть за счет минимизации углерода, азота и кислорода, а с другой стороны подавлением рекристаллизацонных процессов, например, легированием нитридами.
3. Стали имеют низкую теплопроводность, что приводит к возникновению в зоне сварки более высокого градиента температур, а значит повышенного уровня сварочных напряжений.
4. В мартенситных сталях – образование мартенсита в ЗТВ, который обуславливает склонность к образованию холодных трещин при сварке.

51 5. Стали мартенситного класса являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска. В процессе сварки происходит разупрочнение в ЗТВ. Такое разупрочнение может быть ликвидировано только повторной сложной термообработкой (нормализацией и отпуском).
Поскольку для этих сталей применимы различные отпуски (250…760С) в зависимости от требуемой твердости, то для сварных изделий рекомендуется выбирать сталь с наиболее высоким отпуском, так как в этом случае будет наименее заметным разупрочнение в ЗТВ.
6. Для полу-ферритных и ферритных сталей с содержанием хрома 17-25% при сварке в ЗТВ происходит резкий рост размера зерна феррита, что значительно охрупчивает ЗТВ.
7. Повышение хрупкости ЗТВ у высокохромистых сталей может быть связано и с другим явлением – развитие хрупкости в участках, нагревавшихся до 500 0
С, с выделением по границам зерен карбидов. В этой связи этот недостаток может быть устранен за счет легирования ниобием и титаном, которые связывают углерод в стойкие карбиды. Если в сталях не содержаться ниобий и титан, то для повышения стойкости к межкристаллитной коррозии проводят термообработку.
Таким образом, высокохромистые стали можно сваривать различными способами сварки, но при условии наименее интенсивного теплового воздействия сварочного источника теплоты в ЗТВ.
При сварке мартенситных сталей это уменьшает размер мартенситных участков.
Неблагоприятные факторы – низкую теплопроводность и повышенный градиент температур в ЗТВ, можно компенсировать предварительным подогревом сталей или уменьшить скорость охлаждения после сварки.
Все сварные соединения мартенситных сталей подвергаются высокому отпуску для снятия напряжений, распада мартенсита и общего повышения ударной вязкости.
Обычно это нагрев до температур 680-760 0
С в зависимости от состава сталей.
Сварные изделия, работающие в коррозионно-активных средах для восстановления устойчивости к межкристаллитной коррозии, подвергают термообработке при температуре 760-780 0
С, с последующим ускоренным охлаждением.
Хромоникелевые аустенитные стали.
Хромоникелевые стали относятся к особой группе сталей с комплексом свойств, принципиально отличающиеся от свойств обычных углеродистых низко- и среднелегированных сталей.
Никель стабилизирует аустенитную фазу, расширяет температурную и концентрационную область ее существования, тем самым снижает критическую температуру охлаждения при закалке.
При легировании никелем более 8% и хромом более 18% критическая скорость охлаждения снижается настолько, что даже при очень медленном охлаждении сохраняет переохлажденный аустенит.
В реальных сплавах фазовое состояние как при нагреве, так и при охлаждении может быть более сложным.
Широко известна коррозионностойкая сталь 18%Cr - хрома и 8% Ni – никеля. Высоколегированные хромоникелевые стали с аустенитной основой имеют высокую жаропрочность и холодостойкость. Эти свойства будут зависеть от химического состава сплава, фазового и структурного состояния.
 Несмотря на сложный состав, высокое содержание легирующих элементов, стали относятся к
удовлетворительно свариваемым.
Процессы, протекающие при сварке различных по назначению и исходному фазовому состоянию сталей, имеют много общего. У всех сталей при сварочном нагреве участки ЗТВ в околошовной зоне, являются в основном аустенитными. В тех случаях, когда образуется феррит, его количество невелико, которое может оказывать также положительное действие на уменьшение возможности образования кристаллизационных трещин. Получение аустенитного состояния в зоне сварки даже в высокопрочных мартенсито-стареющих сталях обеспечивает хорошую свариваемость практически всех хромоникелевых сталей.
Положительное значение для свариваемости рассматриваемых сталей имеет то обстоятельство, что рост аустенитного зерна в ЗТВ происходит в меньшей степени, чем в ЗТВ углеродистых и низколегированных сталях, а также ниже уровень остаточных напряжений.

52
 Поэтому предпочтение отдается таким видам сварки, при котором тепловое воздействие будет наименьшим: в среде защитного инертного газа тонкой проволокой, электронно-лучевую и различные способы сварки давлением.
 Термообработке такие сварные соединения чаще не подвергают.

перейти в каталог файлов