Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений
Рассмотрена связь между степенью легирования хромистых теплоустойчивых сталей (с 2,25…13 % Cr), температурой мартенситного превращения Ms и результирующей твердостью закаленного металла сварных соединений. Показано, что уровень твердости зависит от температуры Ms и связан с длительностью периода с...
Збережено в:
| Дата: | 2006 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2006
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102798 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений / В.Ю. Скульский // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 22-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102798 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1027982016-06-13T03:05:10Z Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений Скульский, В.Ю. Научно-технический раздел Рассмотрена связь между степенью легирования хромистых теплоустойчивых сталей (с 2,25…13 % Cr), температурой мартенситного превращения Ms и результирующей твердостью закаленного металла сварных соединений. Показано, что уровень твердости зависит от температуры Ms и связан с длительностью периода самоотпуска мартенсита на стадии остывания металла от температуры превращения. An interrelation is considered between the degree of alloying of heat-resistant chromium steels (with 2.25...13 % Cr), martensite transformation temperature, Ms, and the resultant hardness of the hardened metal of welded joints. It is shown that the level of hardness depends on temperature, Ms, and is associated with the duration of the period of martensite self-tempering at the stage of metal cooling from the transformation temperature. 2006 Article Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений / В.Ю. Скульский // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 22-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102798 621.791:669.14/.15 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Скульский, В.Ю. Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрена связь между степенью легирования хромистых теплоустойчивых сталей (с 2,25…13 % Cr), температурой
мартенситного превращения Ms и результирующей твердостью закаленного металла сварных соединений. Показано,
что уровень твердости зависит от температуры Ms и связан с длительностью периода самоотпуска мартенсита на
стадии остывания металла от температуры превращения. |
| format |
Article |
| author |
Скульский, В.Ю. |
| author_facet |
Скульский, В.Ю. |
| author_sort |
Скульский, В.Ю. |
| title |
Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| title_short |
Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| title_full |
Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| title_fullStr |
Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| title_full_unstemmed |
Влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| title_sort |
влияние степени легирования хромистых теплоустойчивых сталей на твердость металла в зоне сварных соединений |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2006 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102798 |
| citation_txt |
Влияние степени легирования
хромистых теплоустойчивых сталей на твердость
металла в зоне сварных соединений / В.Ю. Скульский // Автоматическая сварка. — 2006. — № 9 (641). — С. 22-25. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT skulʹskijvû vliâniestepenilegirovaniâhromistyhteploustojčivyhstalejnatverdostʹmetallavzonesvarnyhsoedinenij |
| first_indexed |
2025-07-07T12:50:58Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:50:58Z |
| _version_ |
1836992596335919104 |
| fulltext |
УДК 621.791:669.14/.15
ВЛИЯНИЕ СТЕПЕНИ ЛЕГИРОВАНИЯ ХРОМИСТЫХ
ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ НА ТВЕРДОСТЬ МЕТАЛЛА
В ЗОНЕ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
В. Ю. СКУЛЬСКИЙ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрена связь между степенью легирования хромистых теплоустойчивых сталей (с 2,25…13 % Cr), температурой
мартенситного превращения Ms и результирующей твердостью закаленного металла сварных соединений. Показано,
что уровень твердости зависит от температуры Ms и связан с длительностью периода самоотпуска мартенсита на
стадии остывания металла от температуры превращения.
К л ю ч е в ы е с л о в а : дуговая сварка, теплоустойчивые
стали, сварные соединения, легирование, мартенсит, само-
отпуск, твердость
Одной из главных причин возникновения холод-
ных трещин является образование закалочных
структур в металле ЗТВ. С увеличением общего
содержания легирующих элементов в сваривае-
мой стали склонность к трещинообразованию воз-
растает, что лежит в основе оценки свариваемости
по величине углеродного эквивалента Сэкв или па-
раметрическому показателю Ито – Бессио Pcm [1,
2]. Ориентировочным показателем склонности к
трещинообразованию может служить также твер-
дость металла ЗТВ (считается, что риск образования
холодных трещин возникает при твердости более
HV 350…400 [2, 3]). Иногда при сравнении тех-
нологических характеристик современных высоко-
хромистых теплоустойчивых сталей отмечают, что
стали с 12 % Сr более склонны к образованию хо-
лодных трещин, чем стали с 9 % Cr, поскольку у
первых мартенситное превращение происходит
при более низкой температуре, в результате чего
металл приобретает более высокую твердость (до
HV 650 по сравнении с HV 450 у сталей с 9 %
Cr) [3, 4]. При низком содержании хрома прев-
ращение аустенита сдвигается в сторону более вы-
сокой температуры с проявлением склонности к
промежуточному превращению, что вызывает по-
лучение металла с относительно низкой твер-
достью. Эти особенности отражены в термоки-
нетических диаграммах превращения аустенита,
полученных для конкретных сталей. В силу раз-
розненности таких данных нет определенного
представления об общем характере влияния ле-
гирования на поведение сталей в условиях распада
перегретого аустенита.
В настоящей работе рассмотрено влияние сте-
пени легирования хромистых теплоустойчивых
сталей на температуры начала распада аустенита
и ориентировочную твердость металла со структу-
рой закалки. При проведении анализа использованы
данные о характере превращения аустенита в сталях
с содержанием хрома от 2,25 до 13 % [3, 5–9]. Сос-
тавы сталей приведены в таблице.
Для обобщенной оценки степени легирования
использован подход, заложенный в методах приб-
лиженного определения фазового состава сталей
© В. Ю. Скульский, 2006
Химический состав анализируемых сталей
Тип, марка стали
Массовая доля элементов, %
C Si Mn P S Cr Ni Mo V W Nb N Прочие
2,25Cr–1Mo [5] 0,1 0,34 0,48 0,017 0,013 2,16 0,96
7CrMoVTiB10–10 [3] 0,081 0,21 0,53 0,004 0,004 2,44 0,18 0,95 0,26 0,002 0,007 0,04 Al;
0,004 B;
0,053 Ti3Cr–1Mo [5] 0,1 0,4 0,4 3 1
3Cr–1,5Mo [5] 0,1 0,4 0,4 3 1,5
P91 [6] 0,1 0,34 0,47 0,018 0,003 8,52 0,28 0,93 0,20 0,072 0,06 0,011 Al
E911 [3] 0,115 0,2 0,51 0,017 0,002 8,85 0,24 0,94 0,22 0,95 0,069 0,084 0,007 Al
HCM12A [7] 0,13 0,31 0,50 0,014 0,001 10,65 0,35 0,35 0,22 1,92 0,06 0,061 0,009 Al
X20CrMoV121 [8] 0,18 0,28 0,54 0,020 0,005 12,7 0,63 0,90 0,32 0,030
20X13 [9] 0,24 0,37 0,27 13,32 0,32 0,06
22 9/2006
с помощью известных диаграмм Шеффлера или
Де Лонга по расчетным значениям Crэкв и Niэкв,
поскольку эти параметры учитывают влияние эле-
ментов, оказывающих основное влияние на струк-
турообразование. В данном случае степень леги-
рования «активными» структуроопределяющими
элементами выражалась обобщающим парамет-
ром PС = Crэкв + Niэкв, где
(Crэкв = % Cr + % Mo + 1,5% Si + 0,5% Nb +
+ {2⋅(% Ti + % Al) + % W},
Niэкв = % Ni + 30(% C + % N)+ 0,5% Mn + {12% B}).
В фигурных скобках дополнительно введены
элементы с коэффициентами по данным [10].
Особенностью теплоустойчивых сталей с по-
вышенным содержанием хрома (9…12 %) явля-
ется высокая стабильность аустенита в условиях
переохлаждения, что приводит к образованию
мартенсита при различных скоростях охлаждения
на спокойном воздухе. На диаграммах это выра-
жено наличием широкой временной области су-
ществования чисто мартенситного превращения
(рис. 1). Например, в стали Р91 с 9 % хрома [4]
начало диффузионного распада аустенита с об-
разованием перлита возможно при нахождении на
стадии охлаждения в интервале 800…500 °С в те-
чение 30000…40000 с (8,3…11 ч), что соответс-
твует скорости охлаждения w8/5 порядка
0,01…0,008 °С/с и характерно для остывания на
воздухе трубы с толщиной стенки 80 мм. Обычно
при сварке скорости охлаждения гораздо выше.
В зависимости от способа (мощности дуги), теп-
лового режима сварки и толщины металла реальные
скорости охлаждения могут изменяться примерно
от 10 до 30 °С/c и выше (последнее более характерно
для выполнения первых корневых проходов в тол-
стостенных стыковых соединениях с пониженной
температурой предварительного подогрева или без
него), т. е. в условиях сварки сталей с 9 % хрома
следует ожидать образования в металле ЗТВ чисто
мартенситной структуры. Поскольку из-за требо-
вания обеспечения однородности физико-механи-
ческих свойств сварных соединений швы должны
иметь легирование, аналогичное основному ме-
таллу, закалку с образованием мартенсита будут
претерпевать сварные соединения в целом.
Рис. 1. Термокинетические диаграммы превращения аустенита в теплоустойчивых сталях с различным содержанием хрома:
а — сталь Р91 [6]; б — Е911 [3]; в — X20CrMoV121 [8]; г — сталь с 2,25 % Cr (7CrMoVTiB10-10) [3] (А — аустенит; F —
феррит; М — мартенсит; Ms, Mf — начало и конец мартенситного превращения)
9/2006 23
В общем случае начало мартенситного прев-
ращения зависит от степени упрочнения кристал-
лической решетки аустенита углеродом и введен-
ными легирующими элементами, которые, созда-
вая внутренние искажения и поля упругих нап-
ряжений, обусловливают увеличение сопротивле-
ния кристаллической системы сдвиговой перест-
ройке в порядке расположения атомов. В резуль-
тате в сталях с повышенным содержанием леги-
рующих элементов мартенситное превращение
происходит в условиях накопления усадочных нап-
ряжений при более низкой температуре, чем в менее
легированной стали. Так, у сталей с 12 % Cr по
сравнению со сталями с 9 % Cr (см. рис. 1, в)
точка Ms расположена примерно на 100°С ниже
— на уровне 280 °С (553 К) [8]. У сталей с низким
содержанием хрома (типа 2,25 % Cr–1Mo) (см.
рис. 1, г) мартенситное превращение происходит
при более высокой температуре — около 460 °С
(733 К). При этих температурах достаточно быс-
тро развиваются диффузионные процессы и при
замедлении охлаждения происходит промежуточ-
ное бейнитное превращение [3].
Результаты анализа влияния степени легиро-
вания хромистых сталей на начало мартенситного
превращения Ms представлены на рис. 2. Темпе-
ратуры Ms определяли по диаграммам распада аус-
тенита [3, 5–9] и расчетным путем с использо-
ванием следующей зависимости [11]:
Ms (°C) = 539 – 423 (% C) – 30,4 (% Mn) –
– 12,1 (% Cr) – 17,7 (% Ni) – 7,5 (% Mo).
Необходимо отметить, что существуют и дру-
гие модели для оценки значений Ms. Дополни-
тельно может учитываться также сдвиг точки Ms
вверх в зависимости от содержания карбидооб-
разующих элементов или углерода, что достигает
нескольких десятков градусов при малых его со-
держаниях (например, в одной из моделей с по-
мощью параметра «+4,2/С»). Выбранная модель
дает хорошую сходимость результатов расчетов
и практических измерений, хотя в отдельных слу-
чаях и есть заметные расхождения. Кроме того,
в данной работе преследуется цель не определения
с максимальной точностью значений Ms только
путем расчетов, а с помощью набора эксперимен-
тальных и расчетных данных прослеживание тен-
денции изменения температур начала фазового
превращения в сталях с различным легированием
и связи между значениями Ms и твердостью за-
каленного металла.
В целом расчетные значения и эксперимен-
тальные результаты отражают общую закономер-
ность в снижении точки мартенситного превра-
щения с увеличением степени легирования хро-
мистых сталей. Существенное изменение в зна-
чениях Ms происходит при увеличении содержа-
ния хрома от 2,5…3 до 12 %. Имеется также за-
метная разница в температурах мартенситного
превращения у сталей с 9 и 12 % Cr. При этом
температуры Ms у сталей с 9 % Cr находятся приб-
лизительно посередине между температурами Ms
сталей с 2,5 и 12 % Cr. Такое различие в темпе-
ратурах начала мартенситного превращения кор-
релирует с результирующей твердостью закален-
ной структуры.
Наблюдается четкое различие в уровнях твер-
дости металла после распада аустенита, соответс-
Рис. 2. Влияние степени легирования хромистых сталей Pc на
температуру начала мартенситного превращения Ms
Рис. 3. Влияние повышенной (а) и пониженной (б) скоростей
охлаждения w6/5 на твердость металла ЗТВ теплоустойчивых
сталей различного легирования (темные точки — результаты
ИЭС)
24 9/2006
твующее степени его легирования хромом (рис. 3).
Условно стали по уровню твердости можно раз-
бить на три категории: ~ HV 550 (стали с 12 % Cr);
~ HV 450 (9 % Cr); ~ HV 350 (2…3 % Cr). Чем
выше точка мартенситного превращения, тем
больше длительность пребывания при повышен-
ных температурах металла с закаленной струк-
турой, что создает условия для достижения боль-
шей степени самоотпуска мартенсита. Результи-
рующая твердость в большей мере отпущенного
при охлаждении мартенсита становится ниже, что
должно благоприятно сказываться на стойкости
против образования холодных трещин.
В сталях с чисто мартенситным превращением
(9…12 % Cr) при изменении скорости охлаждения
твердость изменяется мало и остается высокой.
Только в диапазоне очень малых скоростей ох-
лаждения (w6/5 < 0,5…0,2 °С/c), когда достигаются
условия для частичного распада аустенита по рав-
новесному (диффузионному) механизму, наблю-
дается более резкое уменьшение твердости (рис. 3,
б). Однако такие малые скорости при сварке плав-
лением не достигаются. В реальных условиях не-
которое снижение твердости металла ЗТВ может
наблюдаться в результате развития самоотпуска
мартенсита после принятия специальных мер по
замедлению охлаждения сварных соединений.
В сталях с малой степенью легирования
(2,25 % Cr) аустенит не обладает такой стабиль-
ностью при переохлаждении, как в высокохро-
мистых. В результате распада при самой высокой
(из рассматриваемых здесь материалов) темпера-
туре (примерно 460 °С) интенсивная диффузия
углерода затрудняет образование чистого мартен-
сита и большее развитие приобретает бейнитное
превращение. Последующий самоотпуск структу-
ры закалки обеспечивает получение металла с ре-
зультирующей низкой твердостью. При w6/5 <
< 16 °С/с твердость снижается более резко вслед-
ствие перехода от преимущественно мартенсит-
ного к бейнитному превращению.
Таким образом, полученные результаты пока-
зывают, что металл сварных соединений сталей
с 9…12 % хрома при любых скоростях охлажде-
ния в процессе сварки будет претерпевать закалку
с образованием мартенсита. Твердость такого ме-
талла будет тем выше, чем больше легирующих
элементов содержит сталь, поскольку с увеличе-
нием степени легирования температура начала
мартенситного превращения снижается и при
дальнейшем охлаждении процесс самоотпуска
мартенсита сдерживается. При сварке с замедле-
нием охлаждения возможно обеспечение некото-
рого снижения твердости металла ЗТВ и швов
при развитии процесса самоотпуска. Однако в ус-
ловиях обычных тепловых режимов сварки су-
щественного снижения твердости не происходит.
Поэтому для обеспечения стойкости против об-
разования холодных трещин в сварных соедине-
ниях требуется дополнительно ограничивать
действие других вредных факторов — снижать
уровень водорода, исключать появление концен-
траторов напряжений.
1. Петров Г. Л., Тумарев А. С. Теория сварочных процес-
сов. — М.: Высш. шк., 1977. — 392 с.
2. Гривняк И. Свариваемость сталей. — М.: Машинострое-
ние, 1984. — 216 с.
3. Current state of development of advanced pipe and tube ma-
terials in Germany and Europe for power plant components /
W. Bendick, K. Haarmann, M. Rigg, M. Zschau // VGB
Conf. (Cottbus, 8–9 Oct., 1996). — Lectures. — Mannes-
mann Rohr, 1996. — 25 p.
4. Zschau M., Niederhoff K. Construction of piping systems in
the new steel P91 including hot induction bends // VGB
Kraftwerkstechnik. — 1994. — 74, № 2. — P. 142–149.
5. Lundin C. D., Khan K. K. Fundamental studies of the metal-
lurgical causes and mitigation of reheat cracking in 11/4 Cr–
1/2 Mo и 21/4 Cr–1 Mo steels // WRС Bulletin. — 1996. —
№ 409. — Р. 117.
6. Назначение и свойства новой теплоустойчивой стали с
9 % хрома / В. Ю. Скульский, А. К. Царюк, Ю. Н. Вах-
нин, В. Г. Васильев // Сб. тр. Междунар. конф. «Совре-
менные проблемы сварки и ресурса конструкций», Киев,
24–27 нояб. 2003. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона НАН
Украины, 2003. — С. 73–74.
7. Zeman M., Brozda J., Pasternak J. Ocena spawalnosci stali
HCM12A przeznaczenej na elementy kotlow energetycznych
pracujаce przy parametrach nadkrytycznych // Przeglad Spa-
walnictwa. — 1999. — LXXI, № 6. — S. 1–7.
8. Gnirb G. Present situation of the use of P91
(X10CrMoVNb91) in German power stations. — [1994]. —
14 p. — (Intern. Inst. of Welding; Dос. XI-617/94).
9. Попов А. А., Попова Л. Е. Изотермические и термокине-
тические диаграммы распада переохлажденного аусте-
нита. — М.: Металлургия, 1984. — 216 с.
10. Грабин В. Ф. Металловедение сварки плавлением. — Ки-
ев: Наук. думка, 1982. — 416 с.
11. Microstructure-property relationships in HAZ of new 13%
Cr martensitic stainless steels / O. M. Akselsen, G. Rorvik,
P. E. Kvaale et al. // Welding J. — 2004. — 83, № 5. —
P. 160–167.
An interrelation is considered between the degree of alloying of heat-resistant chromium steels (with 2.25...13 % Cr),
martensite transformation temperature, Ms, and the resultant hardness of the hardened metal of welded joints. It is shown
that the level of hardness depends on temperature, Ms, and is associated with the duration of the period of martensite
self-tempering at the stage of metal cooling from the transformation temperature.
Поступила в редакцию 26.06.2005
9/2006 25
|