Свойства сталей и сварных швов

Аустенитные хромоникелевые стали предназначены для изготовления теплоэнергетических, химических и атомных установок, испытывающих совместное действие напряжений, высоких температур и агрессивных сред (лопатки газовых турбин, камеры сгорания, автоклавы, трубопроводы с жидким теплоносителем и т.п.).

Свойства сталей и сварных швов зависят от структуры металла, а структура хромоникелевых сталей зависит от содержания С, Cr, Ni и скорости охлаждения.

В условиях ускоренного охлаждения при сварке швы состоят из крупнокристаллической матрицы аустенита с остаточным ферритом в виде прерывающих выделений по границам дендритных ячеек.

Несмотря на наличие этого феррита, стали указанных составов претерпевают по существу однофазную кристаллизацию, что приводит к формированию крупных кристаллов со слабо развитыми осями второго порядка и со значительно развитой ликвацией.

Наиболее крупное кристаллическое строение имеет центр шва, куда в результате конкурентного роста вклинивается и прорастает ограниченное число кристаллитов.

В результате совместной кристаллизации феррита и аустенита образуются ячейки с весьма развитой дендритной формой и высокой дисперсностью. Кроме того, в меж дендритных пространствах, обогащенных Сг, образуется эвтектический феррит.

После замедленного охлаждения в швах этого состава сохраняется 5...6 % остаточного феррита. Остальной феррит преобразуется в аустенит в твердофазном состоянии. Такой шов приобретает однофазную структуру после аустенизации.

Наряду со структурным составом важным параметром строения шва является схема его кристаллизации. Сварка с большими скоростями приводит к образованию неблагоприятно высокого угла встречи между двумя растущими кристаллами, а сварка с малыми скоростями – к возникновению осевого кристалла, смыкающегося с двух сторон с двумя фронтами кристаллитов под большим углом.

Высоколегированные стали с аустенитной основой обладают повышенной жаропрочностью и другими особыми свойствами по сравнению с аналогичными характеристиками перлитных или мартенситных сталей. Такая особенность свойств связана с особенностями аустенитной основы, то есть:

1. кристаллическим строением и расположением атомов в решетке (γ-железо), что обеспечивает высокую пластичность, вязкость, длительную прочность;

2. С высокой степенью легирования - сумма легирующих элементов не ниже 25-30%, такая степень легирования всегда значительно превышает критическую величину отношения Ме/с (отношение содержания карбидообразующего элемента в стали к содержанию в стали углерода, т.е. количество легирующих элементов связана в виде карбида этого элемента). Образующиеся карбиды упрочняют твердый раствор основы. Избыток легирующих элементов будет растворяться в аустените, изменяя его свойства.

Таким образом, наряду с вязкой основой - аустенитом в структуре присутствуют дисперсные карбиды Сr₂₃С₆; NbC; ТiС или интерметаллиды FeW; Ni₃Ti, которые упрочняют структуру и придают сталям высокую жаропрочность.

Высокая степень легирования основы и низкий коэффициент диффузии в ней углерода и легирующих элементов при нагреве (высокие t) делают дисперсные фазы упрочнения устойчивыми при нагреве, что обеспечивает сохранность прочности и сопротивления деформированию при высоких температурах. Следует отметить, что процессы диффузии в аустените идут медленнее, чем в феррите. Поэтому, наличие феррита в аустенитных сталях оказывается неблагоприятным фактором.

Высокие жаропрочные свойства в аустенитных сталях достигаются после специальной термообработки: закалка на аустенит или закалка с отпуском (1100-1150⁰С) - старением. Закалка обеспечивает растворение углерода и легирующих элементов, а старение - выделение дисперсных карбидов или интерметаллидов. Температура старения осуществляется при температуре, близкой к эксплуатации изделия. Сохранение такой структуры и свойств обеспечивается и после сварки.

Оценивая свариваемость хромоникелевых сталей аустенитного класса, прежде всего, следует отметить, что они не подвержены фазовым превращениям.

Поэтому исключаются затруднения, связанные с появлением в зоне термического влияния структурных напряжений и снижается опасность возникновения холодных трещин.