ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

Донской государственный технический университет

 

Кафедра “Машины и автоматизация сварочного производства”

 

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 НА СКЛОННОСТЬ К МЕЖКРИСТАЛЛИТНОЙ

КОРРОЗИИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине “Материалы и их поведение  при сварке”

 

Ростов-на-Дону,

2006 г.

 

         Составители: проф.,к.т.н Моисеенко В.П.

                               доц.,к.т.н.  Щекин В.А.

                               доц.,к.т.н Кошкарев Б.Т.

 

Методические указания содержат описание экспериментальных и расчетных способов оценки влияния металлургических факторов технологии сварки ( состав металла шва, сварочные материалы, тепловые режимы сварки и т.д. ) на склонность соединений к МКК. Показаны причины образования МКК, температурно-временные интервалы ее проявления.

Предназначены для студентов специальности 15.02.02.

 

1. Склонность к МКК как характеристика поведения

хромоникелевых сталей при сварке

 

         Обеспечение работоспособности сварных элементов в условиях воздействия агрессивных сред достигается использованием коррозионно-стойких высоколегированных аустенитных и аустенитно-ферритных сталей.В большинстве случаев эксплуатации равномерная коррозия сварных швов и соединений незначительна (глубина коррозии не превышает 0,1мм/год ),что гарантирует продолжительную работу конструкции в течении ресурсного срока. В тоже время имеют место сосредоточенные виды коррозии, как например, межкристаллитная,ножевая, точечная, стуктурно-избирательная, поражающие в основном шов и зону термического влияния. Наиболее опасным видом из указанных является межкристаллитная коррозия (МКК), так как пораженный ею металл разрушается даже при приложении незначительных эксплуатационных нагрузок Поэтому при выборе стали для сварных конструкций и при оценке свойств соединений, выполненных из различных марок сталей или сваренных различными электродными материалами, сваренных на разных режимах, а также при назначении техники сварки одним из критериев качества сварных соединений является оценка их стойкости против МКК.В этом смысле стойкость к МКК является, по существу, оценкой технологической свариваемости, наряду с общепринятыми методами оценки склонности сталей и сварных соединений к горячим и холодным трещинам. Технически обоснованное применение средств и методов борьбы с МКК характеризует уровень технологии и является признаком высокого профессионализма разработчика.

 

2.ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Межкристаллитная коррозия заключается в ускоренном избирательном растворении границ между зернами металла, что приводит к потере прочности и пластичности при эксплуатационных нагрузках. Этот вид коррозии часто наблюдается в материалах, которые обладают сравнительно высокой сопротивляемостью общей коррозии, в частности, в хромоникелевых сталях.

Одной из основных причин межкристаллитной коррозии является термическое воздействие на структуру металла, приводящее к электрохимической гетерогенности между объемом зерна и приграничными участками. Известны [1] различные теории, объясняющие причины возникновения МКК. В коррозионностойких сталях, легированных хромом и никелем, различают следующие виды МКК:

         1. коррозия, связанная с обеднением приграничных областей зерен элементом или элементами (легирующими), которые обусловливают стойкость материала к данной среде; обеднение (например, хромом) может происходить  за счет выделения по границам зерен химических соединений типа карбидов на базе указанных элементов;

         2. коррозия, вызванная низкой химической стойкостью выделяющихся по границам равновесных фаз,например,карбидов железа;

         3. коррозия, обусловленная сегрегацией по границам зерен поверхностно активных элементов (S,P,Si), снижающих стойкость основы стали к данной агрессивной среде.

         Первый из указанных видов МКК  находит подтверждение как экспериментальными данными, так и расчетами, основанными на представлениях об условиях равновесного существования карбидной фазы с твердым раствором.

         Известно, что углерод обладает ограниченной растворимостью в аустените (0,02-0,03%). Когда содержание углерода превышает предел растворимости, гомогенная аустенитная структура стали, образовавшаяся после высокотемпературной обработки (нагрев до Т=1050-1150^оС с последующим быстрым охлаждением) находится в состоянии неустойчивого равновесия. При повторных нагревах в интервале температур Т=400-900^оС такая структура стремится к уменьшению свободной энергии, что приводит к выделению сложных карбидов(Fe,Cr)₂₃C_6, (Cr,Fe)₃C по границам зерен и образованию нитридов (Fe,Cr)N. Скорость их выделения возрастает с повышением температуры и увеличением времени выдержки при этих температурах. При этом возрастает склонность к МКК. Хром из центральных участков зерен расходуется на образование карбонитридов на границах зерен, вследствие чего обедненные хромом периферийные участки зерен теряют способность к пассивации и подвергаются интенсивному коррозионному разрушению. На рис.1 показана схема распределения хрома по зерну в стали типа 18-8, а на рис.2 - температурно-временная область склонности хромоникелевой аустенитной стали к МКК.

Существует мнение [2,3], что одной из причин появления МКК  является возникновение микронапряжений на границах зерен , снижающих анодный потенциал границ и их способность к пассивации. Указанные причины появления МКК убедительно подтверждаются для большинства восстановительных и слабоокислительных сред (40-60%HNO₃, 10-12%H₂SO₄), что позволяет в определенной мере прогнозировать и сравнивать склонность различных марок хромоникелевых сталей и их сварных соединений, выполненных на различных режимах сварки, либо с использованием различных электродных материалов.

Это положение позволяет определять и реализовывать меры предотвращения или снижения склонности сталей к МКК при производстве сталей и сварных соединений из них. Для сталей и в некоторых случаях для сварных соединений наиболее распространенным средством повышения стойкости против МКК является термообработка (закалка с Т=1050-1150^оС)[3]. Однако, для сварных соединений этот путь не всегда удается реализовать (например, из-за габаритов или сложной формы конструкции, повышенной стоимости работ и т.д.)

В сварочном производстве чаще используют металлургические или технологические пути борьбы с межкристаллитной коррозией в сварных швах и соединениях. К ним можно отнести, например, снижение содержания углерода и направленное легирование швов, обеспечение двухфазной аустенитно-ферритной  структуры швов вместо однофазной структуры свариваемой стали, что в большой степени зависит от выбранных электродных материалов. Снижение склонности к МКК околошовной зоны в определенных пределах можно достигать регулированием тепловложения т.е. использованием оптимальных для заданной толщины и типа соединения режимов сварки. При этом основным критерием оценки эффективности данного способа борьбы с МКК является зависящее от параметров режима время пребывания участка в критическом интервале температур, т.е. в том, при котором интенсивно образуются карбиды  и тело зерна обедняется хромом.

Указанное на рис.2 расположение температурно-временной области склонности к МКК может быть конкретизирована для определенных марок сталей или составов швов. В частности, установлено, что снижение содержание углерода в сталях типа 18-8 заметно увеличивает время t_кр до начала проявления склонности к МКК и одновременно снижает температуру начала этого процесса (см. Рис.3). Использование указанных на рис.3 экспериментальных данных [1,3] позволяет при проектировании технологии сварки изделий для заданных условий эксплуатации осуществить обоснованный выбор сталей и сварочных материалов, обеспечивающих минимальное содержание углерода в шве. При этом необходимо помнить, что дополнительное легирование шва Mn, Mo,Ti, V, Nb снижает активность углерода (меньше образуется карбидов хрома), а Ni,Si-повышают ее.

         При известном содержании углерода, как указывалось, снижение склонности к МКК сварного соединения в целом может достигаться за счет регулирования режимов сварки, изменяющих длительность пребывания металла в области критических температур. Для предупреждения появления МКК необходимо выполнить условие[4]:

t_кр> k t_опт +k₁

где t_кр- минимальное время пребывания металла в изотермических условиях до появления МКК, мин;

         t_опт - среднее время пребывания металла шва (или участка ЗТВ)  в области температур Т=800-400^оС, мин;

         å - суммарное время пребывания металла многослойного шва(или участка ЗТВ) в области критических температур, определяемое временем воздействия всех термических циклов сварки на каждый слой шва, мин;

         k, k₁ - поправочные коэффициенты, определенные сопоставлением расчетных и экспериментальных данных по скоростям охлаждения и равные соответственно 2,1 и 1,74.

         Время пребывания металла в интервале критических температур( 800-400^оС) определяется, согласно работы[4] по формулам:

         - для наплавки валика

                                                           

t_800-400=

 

- для сварки со сквозным проплавлением

 

t_800-400=

 

где  l- коэффициент теплопроводности,

        сg - объемная теплоемкость,

        q_{и -} эффективная энергия сварки,

        v_св- скорость сварки,

        S-  толщина,

        Т- максимальная температура нагрева участка,

        Т_о- начальная температура изделия.

Указанные выше положения позволяют расчетным путем или проведением экспериментальных работ оценить и сравнить уровень склонности к МКК различных  марок аустенитных коррозионностойких  сталей и использовать технологические средства для повышения коррозионной стойкости их сварных соединений.

 

3.Указания по  выполнению работы          

 

3.1. Ознакомиться с методическими указаниями и при необходимости с указанной ниже литературой.                

3.2. Получить задание и выбрать необходимые данные.

3.3. Провести необходимые расчеты ( q_и, t_800-400).

3.4. Определить и сравнить степень склонности к МКК, используя зависимости, приведенные на рис 3. Построить графики влияния указанных в задании параметров на уровень склонности сварных соединений к МКК.

 

4. Литература

                           

         1. Каховский.Н.И. Сварка высоколегированных сталей. -Киев, Технiка, 1975.-375с.

         2. Акулов В.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. -М.: Машиностроение, 1977.- 431с.

         3. Ульянин Е.А. Коррозионные стали и сплавы: Справочник. -М.: Металлургия, 1980.-207с.

         4. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов.- М.: Машиностроение, 1967.-505с.

         5. Электроды для сварки и наплавки. Каталог. -Киев.: Наукова думка, 1967. -438с

         6. Сварочные проволоки и электроды. Под ред. Н.И.Потапова. - М.: Машиностроение, 1993. -766 с.

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

Примеры типовых контрольных заданий для самостоятельной работы

 

Задание N^о 1

Определить влияние параметров технологии сварки (тип электрода,режим сварки,температуру подогрева и т.д.), выбранных из табл.1, на склонность металла шва к МКК.

Таблица 1

Исходные данные

 

Примечание. При использовании табличных данных принимать численные значения нижеуказанных величин в интервалах:

g₀=0,25-0,45;  h_и=0,7-0,8;  Т₀=20-250⁰С.

Тип соединения во всех вариантах-стыковой, а в2^х последних-наплавка валика.   

Химический состав шва определять по формулам, указанным в работах [2,4].

 

Задание 2

 

Определить влияние погонной энергии при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом на стойкость сварного соединения против МКК. Исходные данные для заданного режима выбирать из табл.2.

        

 

 

Таблица 2.

 

 

Примечание. В расчетах принимать значение h_{и £} 0,6

 

Задание 3

Определить влияние химического состава свариваемой стали на ширину интервала критических температур и возиожность появления МКК при заданном режиме сварки. Исходные данные получить у преподавателя из табл.3.

                                                                 

Таблица 3

Примечание. В расчетах принимать h £ 0,6.

 

 

Таблица 4

Значения теплофизических констант конструкционных сталей