Термоциклирование сварных соединений мартенситостареющей стали

УДК 621.791

Г.А. Береснев, Н.Г. Поспелов

Пермский государственный технический университет

ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАРТЕНСИТОСТАРЕЮЩЕЙ СТАЛИ

Представленные в статье исследования доказывают, что термоциклирование с последующим печным нагревом позволяют улучшить качество сварного соединения. Введение термоцик-лирования сварных соединений в технологию изготовления сварных емкостей из стали МС-200 позволило реализовать ее высокую прочность в условиях нагружения емкостей.

Реализация высокой прочности мартенситостареющей стали в сварных конструкциях ограничена относительно низкими механическими свойствами металла сварных соединений вследствие крупнозернистости околошовной зоны (ОШЗ) и ликвационной неоднородности литой структуры металла шва. Так в сварных соединениях листа стали МС-200 (химический состав - табл. 1) размер зерна металла ОШЗ достигал 4-5 баллов (по сравнению с 12-13 баллами зерна основного металла), вследствие чего после упрочняющей термообработки на прочность ов = 2000 МПа (закалка с 850 °С, старение при 480 °С, 6 ч) ударная вязкость, определяемая испытаниями образцов 8*2,8*55 с трещиной (КСТ), снизилась с 16,5 до 13,0 Дж/см3. В микроструктуре металла шва выделялись участки с повышенным содержанием Мо (до 6 % ) и Т (до 2,5 %), микротвердость которых была в 1,5-2 раза меньше микротвердости соседних участков.

Таблица 1

Химический состав стали МС-200

Элемент С N1 Со Мо Ті А1 Бі Б+Р

Содержание, % 0,007 17,4 9,0 5,0 0,65 0,010 0,005 0,006

Асз 720 °С; Ми 250 °С; Мк 70 °С

При изготовлении емкостей 0 1000 мм из листа стали МС-200 (8 = 2,8 мм) проводилась предварительная термообработка сварных соединений - термо-циклирование: многократная структурная перекристаллизация металла

вследствие а у-превращений при нагреве и охлаждении. При термоцикли-ровании осуществляли местный индукционный нагрев с наложением индуктора (медная труба, выгнутая по контуру шва) непосредственно на сварное соединение. Отрабатывая режим термоциклирования, учитывали, что высо-

коскоростной индукционный нагрев (VH ~ 200 7с) значительно повышает температуру а ^ y-превращения и завершения структурной перекристаллизации, а также принимали во внимание повышенную склонность стали МС-200 к росту аустенитного зерна при высоких температурах. Была проведена серия экспериментов и определен режим термоциклирования, обеспечивший эффективное уменьшение крупнозернистности металла ОШЗ (до ~9 баллов) и степени неоднородности металла шва: температура нагрева 980-1000 °С, выдержка 7±2 с, охлаждение до ~ 50 °С, количество циклов 5.

Механические свойства металла листа и сварных соединений оценивали по результатам испытаний образцов, вырезанных из сварных пластин, с определением прочности при растяжении (ав) и ударной вязкости образцов с трещиной (КСТ) наносимой или в основном металле, или в ОШЗ, или в металле шва.

Поскольку в емкостях, нагружаемых внутренним давлением, сварные соединения находятся в двухосном напряженном состоянии, эти условия воспроизводились испытанием сварных пластин, зажатых по контуру (0 320 мм, рис. 1) и нагружаемых методом гидростатического выпучивания. При этом определяли истинное напряжение разрушения аист = RP/28 и предельную пластическую деформацию екр = ln(80/8), где R - радиус кривизны в вершине выпучивания пластины, мм; P - давление в момент разрушения, МПа; 80 и 8 - толщина пластины в месте разрушения до и после испытания, мм.

а б в

Рис. 1. Характер разрушения пластин при двухосном нагружении: а - основной металл; б - сварные пластины; в - линия разрушения сварного соединения

Испытания образцов и сварных пластин показали низкую прочность и ударную вязкость металла сварных соединений стали МС-200 по сравнению со свойствами основного металла листа (табл. 2). Линия разрушения пластин проходила по шву и околошовной зоне. Термоциклирование сварных соединений (как предварительная термообработка) значительно повысило комплекс их механических свойств в термоупрочненном состоянии.

Механические свойства листа и сварных соединений стали МС-200 в термоупрочненном состоянии

Испытание образцов Испытания пластин*

№ п/п Состояние Ов, КСТ, Дж/см2 Оист Р, атм Место раз-

МПа шов ОШЗ ^кр МПа рушения

1 Основной металл листа 2000 16,5 0,220 2300 605

2 3-проходная сварка с присадкой** 2000 9,8 13,0 0,078 2170 518 По ОШЗ

3 3-проходная сварка с присадкой и термоциклирование 2000 13,5 16,0 0,147 2280 607 Поперек шва

‘Среднее значение результатов испытаний четырех пластин.

** Автоматическая сварка вольфрамовым электродом; присадка-проволока стали МС-200.

Термоциклирование с последующим печным нагревом под закалку (850 °С) обеспечило получение в ОШЗ мелкого аустенитного зерна, сравнимого по размеру с зерном основного металла листа (12-13 баллов), и значительную гомогенизацию и дробление литой структуры металла шва (рис. 2). Локальный химический анализ металла термоциклированных швов показал уменьшение неоднородности металла по Т и Мо. Гомогенизирующий эффект термоциклирования можно объяснить спецификой индукционного нагрева, проявившейся в значительной неравномерности разогрева границ лик-вационных участков, что было отмечено металлографически.

а б

Рис. 2. Микроструктура металла шва и околошовной зоны сварного соединения стали МС-200 (х 100): а - после сварки и упрочняющей термообработки (закалка + старение); б - после сварки, термоциклирования и упрочняющей термообработки

Введение термоциклирования сварных соединений в технологию изготовления сварных емкостей из стали МС-200 позволило реализовать ее высокую прочность в условиях нагружения емкостей.

Получено 10.06.2010