книги / Сварка в машиностроении. Т. 3

ных соединений высокопрочных аустенитных сталей и сплавов таким участком является околошовная зона.

Общие закономерности поведения механически неоднородных сварных сое­ динений при высоких температурах могут быть поняты при анализе особенно­ стей деформации образца с мягкой прослойкой [6, 14]. При его нагружении со­ противление пластической деформации зависит не только от свойств металла про­ слойки, но и от ее размеров, степени неоднородности и компактности сечения. Такое поведение образца определяется тем, что вблизи границы (контакта) метал­ лов разной прочности пластические деформации мягкого металла сдерживаются более прочным и в прослойке создается объемное напряженное состояние, уве­ личивающее за счет эффекта контактного упрочнения ее сопротивление дефор-

Рис. 11. Зависимости дли­ тельной прочности (а) и пла­ стичности (б) сварных сое­ динений с мягкими прослой­ ками

t

мации при одновременном снижении пластичности до разрушения. С уменьше­ нием относительной толщины (х) прослойки ее прочность растет, а пластичность снижается.

В условиях ползучести длительная прочность и пластичность сварных сое­ динений с мягкой прослойкой на стадиях внутризеренного и межзеренного разру­ шения будут разными (рис. 11). В области / вязких внутризеренных разрушений эффект контактного упрочнения реализуется полностью. Линии длительной прочности образцов с разной относительной шириной мягкой прослойки (щ > Ха) дараллельны и расп<?ложены выше кривой для однородного образца со свойст­ вами мягкой прослойки. Длительная прочность соединения с мягкой прослой­

кой (oj£ в) х тем выше, а пластичность (ф**)* тем ниже, чем меньше величина х;

В области III хрупких межзеренных разрушений, развитие которых свя­ зано с уровнем максимальных нормальных напряжений, длительная прочность

сварного соединения (oJJ хр) н становится ниже длительной прочности свобод-

Н----------р (п — показатель ползучести). В предельных случаях это снижение мо-

1 + т

жет достигать 1,5—3 раз. Переход к хрупким разрушениям сопровождается и заметным снижением пластичности. В области II смешанных разрушений дли-

р а з р у ш е н и я : Д й — о с н о в н о й м е т а л л ; ф А — м я г к а я п р о с л о й к а

тельная прочность сварных соединений относительно мягкой прослойки посте­ пенно снижается.

При использовании термически упрочняемых сталей длительная прочность сварных соединений зависит и от уровня прочности основного металла. Ее зави­ симости для сварных соединений стали 12Х1МФ при трех значениях прочности основного металла (48, 56 и 81 кгс/мм2) приведены на рис. 12. Хотя в период, охваченный испытаниями, наименьшую прочность показали образцы отожжен­ ного состояния, а наибольшую низкоотпущенные образцы, с повышением вре­ мени до разрушения кривые сближаются и при экстраполяции на 106 ч сходятся. Характерна весьма низкая пластичность высокопрочных образцов, связанная с хрупкими разрушениями по мягкой прослойке. Поэтому при наличии в таких сварных соединениях концентратора напряжений может наступить их прежде­ временное разрушение, В отличие от этого отожженные малопрочные образцы

трещин в указанных участках сварных соединений (у вершин угловых швов в ме­ стах стыковки труб с разной толщиной стенки, у непроваров, подрезов и других). Такое проявление эффекта малоцикловой усталости при высоких температурах в отличие от комнатной при оценке повреждаемости требует одновременного учета ее накопления за счет механизмов усталости и ползучести.

Для инженерной оценки циклической долговечности сварных соединений при высоких температурах можно использовать [8] схему Мэнсона, в которой исходными характеристиками являются механические свойства и длительная прочность при рабочей температуре, а также частота нагружения. Долговечность определяется по меньшему из двух значений, подсчитанному по правилу 10%:

^ / = 0,1^/

или по формуле, основанной на линейном суммировании повреждений от уста­ лости и ползучести при некотором условном (эффективном) цикле нагружения:

N,

m - f 0,12 »

m

где Nf — долговечность в условиях ползучести; N f— долговечность при отсут­ ствии ползучести, определяемая по методу универсальных наклонов; А и m — постоянные для данного материала и условий испытаний, определяемые по кри­ вой длительной прочности в логарифмических координатах; F — частота нагру­ жения; k — условный коэффициент, принимаемый обычно равным 0,3.

Проверка указанной схемы на угловых и стыковых соединениях хромомолиб­ денованадиевых сталей показала, что для относительно быстрых циклов (в усло­ виях испытания около 5 мин) или при сравнительно невысоких температурах, когда эффект ползучести относительно невелик, с достоверностью можно исполь­ зовать формулу 10%. Для циклов большой длительности, характерных для ста­ ционарных установок, расчет по правилу 10% дает завышенные значения долго­ вечности и в этих случаях нужно использовать формулу суммирования повреж­ дений.

Стабильность структуры и свойств. Как отмечалось ранее, на жаропрочность влияют структурное состояние металла и его стабильность во времени. По усло­ вию формирования сварного соединения его различные зоны в исходном состоя­ нии имеют неравновесную структуру с высокой степенью пересыщенности твер­ дого раствора и большой плотностью структурных несовершенств. Во время по­ следующих высокотемпературных выдержек такое структурное состояние явля­ ется нестабильным и подвержено значительному изменению, сопровождающемуся и существенным изменением свойств. Хотя термическая обработка заметно сни­ жает степень структурной неравновесности разных зон соединения, она тем не менее не восстанавливает полностью структуру и свойства сварного соединения до уровня свойств основного металла.

Для шва и околошовной зоны сварных соединений, подвергаемых при сварке перегреву, последующая высокотемпературная выдержка по-разному влияет на структуру и свойства. Если сталь не содержит энергичных карбидообразующих элементов, то с увеличением температуры и длительности выдержки твердость участка перегрева постепенно снижается (кривая 1 на рис. 14), что связано с рас­ падом неравновесной структуры и коагуляцией дисперсных фаз. При наличии в стали таких элементов как ванадий, титан и ниобий, на начальной стадии ста­ рения твердость растет тем заметнее, чем выше содержание этих элементов (кри­ вые 2 и 3). Это связано с эффектом твердения за счет выпадения дисперсных кар­ бидов ванадия из пересыщенного твердого раствора. Дальнейшая выдержка ведет к постепенному снижению твердости, обусловленному эффектом перестариваиия. Чем выше температура выдержки, тем быстрее достигается максимальная твер­ дость и тем меньше она.

ферритной фаз. Хрупкость такого рода в зависимости от содержания феррита в структуре сохраняется до 200—500° С. Она устраняется относительно кратко­ временным нагревом при 550° С и выше.

В области температур 550—850° С аустенито-ферритные швы подвержены охрупчиванию вследствие образования при этих температурах в участках феррита хрупких интерметаллидных соединений типа a-фазы. Оно сопровождается сниже­ нием не только вязкости, но и пластичности при комнатной и повышенных тем­ пературах и проявляется уже при содержании феррита свыше 4— 5% . Повышение стойкости против о-охрупчивания аустенито-ферритных швов достигается прове­ дением их аустенизации при температурах выше 900—950° С, способствующей более благоприятному распределению ферритной фазы в виде округлых участков.

Рис. 19. Ударная вязкость аустенитного и аустенито-феррит­ ных швов при 20° С после выдержки в интервале температур 20— 1000° С длительностью 10 ч; содержание феррита:

более стабильны при высоких температурах. При большем содержании хрома, как, например, для электродов типа Э-10Х25Н13Г2, наблюдается интенсивное о-охрупчивание и при однофазном составе аустенитного шва. В высоконикеле­ вых сварных швах при содержании молибдена выше 14% в процессе старения при температурах выше 700° С проявляется охрупчивание, обусловленное выде­ лением частиц р-фазы [4].

Пути повышения жаропрочности сварных соединений. Эксплуатационная надежность сварных узлов при высоких температурах зависит от комплекса свойств жаропрочности и определяется выбором материала изделия, степенью неоднород­ ности сварных соединений, конструктивными формами и условиями работы. Особое внимание должно уделяться опасности хрупких разрушений, развитие

которых является основной причиной преждевременного выхода высокотемпера­ турных узлов из строя.

Для рассматриваемых сварных конструкций необходимо выбирать стали с учетом условий работы изделия в соответствии с правилами Госгортехнадзора CGCP, стандартами на изделия и нормами расчета. Предпочтение должно быть отдано материалам, обладающим лучшей технологичностью при сварке, обеспе­ чивающим максимальную однородность сварных соединений при отсутствии в них разупрочненных и хрупких зон и склонности к образованию трещин при термической обработке и эксплуатации.

эффектом ползучести можно пренебречь; 2) работающих при более высоких тем­ пературах в условиях ползучести.

Допустимые напряжения для наиболее распространенных свариваемых ста­ лей в стационарных энергетических установках приведены на рис. 20. Перегибы кривых связаны с переходом от расчета по пределу текучести (для первой группы конструкций) к расчету по пределу длительной прочности за 105 ч.

Для первой группы сварных узлов, к которым принадлежат такие ответствен­ ные конструкции, как атомные энергетические установки, барабаны паровых кот­ лов и сосуды нефтехимических установок, выбор материалов подчиняется общим конструктивно-технологическим требованиям. Стали, обычно используемые для сварных узлов, работающих в нормальном диапазоне температур, можно при­ менять и в данном случае. Исключение составляют стали, чувствительные к де­