Ваш город
Киев
smc@metinvestholding.com
Написать письмо
smc@metinvestholding.com
0 800 30 30 70
Позвонить
0 800 30 30 70
Заказать звонок
Зарегистрируйтесь!

Жаропрочные стали: причины возникновения трещин

  1. Главная
  2. Статьи
  3. Жаропрочные стали: причины возникновения трещин
Жаропрочные стали: причины возникновения трещин
Жаропрочная сталь - это вид сталей, основной способностью которых является жаростойкость и способность выдерживать высокие температуры, предотвращая при этом растрескивание металла.
Жаропрочные стали: причины возникновения трещин
Метинвест СМЦ
https://metinvest-smc.com/articles/zharoprochnye-stali-prichiny-vozniknoveniya-treshchin/
2020-02-06 14:33:53
Жаропрочные стали: причины возникновения трещин
28 Декабря 2019

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик стали, которая используется в условиях повышенных температур, является ее жаростойкость. То есть, способность изделия работать в высокотемпературных режимах без разрушения или заметной остаточной деформации. Критерии оценки жаропрочности – ползучесть и длительная прочность. Также, перед тем как купить металл рекомендуем обратить внимание на такой фактор, как растрескивание жаропрочной стали, то есть локальные разрушения металла в зоне сварного шва при высоких температурах эксплуатации или вследствие коррозийных воздействий.

Области применения

Теплоустойчивая сталь и жаропрочные стали применяются в металлургических печах, в конструкциях крекинг-установок при процессах гидрогенизации топлива. При производстве газовых турбин (реактивная авиация, морские суда, стационарные установки) они в принципе незаменимы. Рассмотрим несколько примеров.

  • 40Х9С2. Из нее производят клапаны и крепежные элементы моторов, которые работают при температурах около +1000 C.
  • 15Х12ВНМФ. Листовой металл используюется для изготовления деталей газовых турбин (умеренное рабочее напряжение), а также при производстве нагревательных приборов сопротивления. При этом технология не предполагает сварку, что нивелирует риск возникновения трещин в околошовных областях.
  • 12Х18Н10Т. Из нее выпускаются детали выхлопных систем и труб. Потребителям поставляется в виде листового и сортового проката.
  • 12Х18Н12Т. Отличается стабильностью при эксплуатации, если сравнивать, например, с маркой 12Х18Н10Т. Из нее изготавливается крепежная продукция, эксплуатируемая при температурах до +650  C.

Химический состав жаропрочной стали

Чтобы предотвратить трещинообразование при температурном режиме +700 ... 950°С,в формуле стального сплава в большом количестве присутствуют кобальт или железо. Для температур до +950°С…1500°С в качестве главного компонента выбирается молибден или другие металлы категории тугоплавких, например:

Материал

Температура плавления, С

Цирконий

18500

Ванадий

19000

Гафний

20000

Ниобий

24150

Молибден

26000

Тантал

30000

Рений

31800

Вольфрам

34100

При нагреве до указанных температур, указанные металлы пластически деформируются, переходя в хрупкое состояние. То есть, происходит это при достижении критических точек температуры рекристаллизации, когда формируется волокнистая структура тугоплавкого металла и наклеп. Чтобы таким материалам увеличить показатель жаропрочности в формулу включают специальные добавки.

Сегодня на рынке по степени востребованности выделяют тугоплавкую металлопродукцию с таким химическим составом:

  • тантал + вольфрам (10%);
  • вольфрам + рений (30%);
  • железо (48%) + ниобий (15%) + молибден (5%) +цирконий (1%).

Добавки выполняют функцию легирования, что повышает функциональный ресурс материалов.

Более высокой жаростойкостью обладают сплавы, содержащие более 55% никеля или включающие комбинацию железо + никель на уровне 65%.

Физические и механические свойства

Предотвращение холодных трещин и других деформаций металлоконструкций зависит от правильности выбора материала для решения определенных эксплуатационных задач.

Сплавы жаропрочной категории характеризуются способностью сопротивляться внешним воздействиям при различных состояниях. Основными механическими свойствами такой продукции являются:

  • прочность – сопротивление воздействию внешних сил;
  • твердость – сопротивление интегрированному в сплав более твердому компоненту под действием нагрузки;
  • вязкость – сопротивление разрушению в противовес динамическим нагрузкам;
  • упругость – способность к восстановлению изначальных размеров и формы без разрушения под воздействием внешних сил;
  • пластичность – изменения размеров и формы без разрушения под воздействием внешних сил;
  • хрупкость – разрушение под внешним воздействием без остаточной деформации.

Растягивающие и сжимающие напряжения – еще один важный фактор, который применяется для оценки функционального потенциала жаропрочного стального сплава. Если более конкретно, то напряжение существует:

  • статическое растягивающее;
  • изгибающее;
  • скручивающее;
  • термическое при температурных колебаниях;
  • динамическое переменное разнообразной частоты и амплитуды;
  • динамическое путем воздействия газовых потоков на поверхность.

Почему возникают трещины?

Возникновение и распространение трещин в конструкциях из жаропрочных сталей при наплавке, сварке и аддитивных технологиях, где применяют высококонцентрированные источники энергии – это серьезная проблема, снижающая качество изделий.

Причины возникновения трещин при сварке или наплавке определяются составом, структурными факторами – неоднородностью, размером зерна, компонентной формулой присадок. Сплавы большой структурной неоднородности преимущественно с крупным зерном обладают повышенной склонностью к получению горячих трещин. Причем самым слабым местом является околошовная зона.

С другой стороны, структурная сбалансированность, обеспеченная правильно подобранным химическим составом сплава, не всегда гарантирует хорошую трещиностойкость. Очень важно с учетом компонентной формулы правильно выбрать режим сварки и наплавки – очень часто это имеет решающее значение.

Холодные трещины – типичный дефект сварных соединений при монтаже конструкций из среднелегированных и высоколегированных перлитных и мартенситных сталей. Образуется он на этапе охлаждения до сравнительно невысоких температур, обычно, ниже 200 °С. Ключевые отличия холодных трещин:

  • задержанное зарождение;
  • замедленное развитие.

Выбирая сталь для производства металлоконструкций, оценить риск возникновения холодных трещин можно путем расчета углеродного эквивалента Сэкв, который характеризует степень легирования стали. Одна из причин образования трещин – водород в сварном шве: чем выше его концентрация, тем большая выраженность растрескивания.

Внутренние остаточные напряжения в металле сварного соединения по окончании сварки при наличии внешних суммируются с ними. Процесс распределения этих напряжений влияет на образование трещин.

Возникновение растягивающих и сжимающих напряжений

При изготовлении металлоконструкций листовую и прокатную сталь режут. При этом имеют место процессы нагрева, деформации и трения, вследствие чего возникают большие температурные градиенты и температурное напряжение, показатели которых превосходят граничный предел текучести материала.

Пластическая деформация сжатия в нормальных температурных условиях в детали провоцируется появлением растягивающих остаточных напряжений. В определенных ситуациях необходимо учитывать и структурные изменения, влияющие на изменение объема.

Получается, что два ключевых фактора при порезке стали – силовой и температурный, работают в противоположных направлениях. Именно этим объясняется высокая взаимосвязь величины и знака остаточного напряжения с технологическим режимом обработки.

Если рассмотреть другое механическое воздействие на углеродистую сталь – точение при положительном переднем угле резца в режиме высоких скоростей, то на поверхностях металла возникают остаточные напряжения растяжения. А вот при точно таких же условиях в процессе резания стали, например, 18ХНМА, появляется напряжение сжатия.

Снятие напряжения в металле можно обеспечить, если использовать максимально острый резец, поскольку его затупление способствует возникновению этого процесса при изготовлении стальных конструкций.

Трещины и сварка

Трещины сварных швов – это несплошность, вследствие местного разрушения шва и его охлаждения или же вызванная действием нагрузок. Они в металлоконструкциях недопустимы, поскольку выступают концентраторами вредного для конструкции напряжения и являются очагом разрушения.

Внешне трещины сталей визуализируются невооруженным глазом или через обычную увеличительную лупу, как разрывы металла по границам кристаллизующихся зерен. Как вариант, дефекты могут определяться по самим кристаллам материала сварного соединения.

Выделяются такие виды трещин соединений в местах соединения элементов с помощью сварки:

  • Разветвленные.
  • Раздельные.
  • Трещина в кратере.
  • Радиальные.
  • Поперечные.
  • Продольные.
  • Микротрещины.

Как предотвратить растрескивания стали

Растрескивание металла при затвердевании сразу после окончания сварки случаются. Однако самым частым видом разрушений такой специфики является медленное растрескивание. Поэтому в приведенной ниже информации речь идет именно об этом явлении.

Предотвращение быстрого затвердевания околошовной зоны

При сварке наиболее эффективный метод предотвращения замедленного растрескивания – предварительный прогрев. Это воздействие на основной металлопрокат обеспечивает возможность сокращения скорости остывания по завершении сварки, что является сдерживающим фактором для затвердевания околошовной зоны.

Снижение содержание диффузного водорода в сварочном металле

  1. Применение при соединении элементов конструкций низководородных электродов в процессе дуговой сварки в среде защитного газа.
  2. Применение сплошной проволоки при дуговой сварке в окружении защитного газа – это снижает уровень водорода в сварном шве.
  3. С целью удаления водорода показана немедленная теплообработка соединения при температуре 300~350℃.

Сведение напряжения к минимуму

Чтобы добиться минимизации напряжения при монтаже конструкций из металла стоит избегать сварки на участках концентрированного напряжения. Как вариант, для уменьшения концентрации напряжения может выполняться сварка в правильной последовательности.

Усиление конструкций

В завершение хотим отметить, что с целью повышения несущей способности конструктивных деталей металлоконструкций и их соединений прибегают к таким способам: внедрение дополнительных элементов, которые работают в унисон с усиливаемыми деталями; усиление соединений – сварных, заклепочных и болтовых. Но более детально об этом мы расскажем в следующей статье.