Жароміцні сталі: причини виникнення тріщин

• Області застосування
• Хімічний склад жароміцної сталі
• Фізичні та механічні властивості
• Чому виникають тріщини?
• Виникнення напруг, що розтягуються і стискаються
• Тріщини і зварювання
• Як запобігти розтріскуванню сталі
• Посилення конструкцій

Однією з найважливіших експлуатаційних характеристик сталі, яка використовується в умовах підвищених температур, є її жаростійкість. Тобто, здатність виробу працювати в високотемпературних режимах без руйнування або помітної залишкової деформації.

Інтерес до сталі із жаростійкими властивостями виник у 30-х роках 20 століття. У ті роки у зв'язку з розвитком газотурбінних двигунів та реактивної авіації, був запит на необхідність таких матеріалів, які можуть служити при дуже високих температурах.

Критерії оцінки жароміцності - повзучість і тривала міцність. Також, перед тим як купити метал, рекомендуємо звернути увагу на такий фактор, як розтріскування жароміцної сталі, тобто локальні руйнування металу в зоні зварного шва при високих температурах експлуатації або  внаслідок корозійних впливів.

Області застосування

Теплотривка сталь і жароміцні сталі застосовуються в металургійних печах, в конструкціях крекінг-установок при процесах гідрогенізації палива. При виробництві газових турбін (реактивна авіація, морські судна, стаціонарні установки) вони в принципі незамінні. Розглянемо кілька прикладів.

• 40Х9С2. З неї виробляють клапани та елементи кріплення моторів, які працюють при температурах близько +1000 C.
• 15Х12ВНМФ. Листовий метал використовують для виготовлення деталей газових турбін (помірна робоча напруга), а також при виробництві нагрівальних приладів опору. При цьому технологія не передбачає зварювання, що нівелює ризик виникнення тріщин в біляшовних ділянках.
• 12Х18Н10Т. З неї випускаються деталі вихлопних систем і труб. Споживачам поставляється у вигляді листового і сортового прокату.
• 12Х18Н12Т. Відрізняється стабільністю при експлуатації, якщо  порівнювати, наприклад, з маркою 12Х18Н10Т. З неї виготовляється кріпильна продукція, що експлуатується при температурах до +650ºC.

Хімічний склад жароміцної сталі

Щоб запобігти утворенню тріщин при температурному режимі +700 ... 950°С, у формулі сталі у великій кількості присутні кобальт або нікель. Для температур до +950°С...1500°С в якості головного компонента вибирається молібден або інші метали категорії тугоплавких, наприклад:

Сьогодні на ринку за ступенем затребуваності виділяють тугоплавку металопродукцію з таким хімічним складом:

• тантал + вольфрам (10%);
• вольфрам + реній (30%);
• залізо (48%) + ніобій (15%) + молібден (5%) + цирконій (1%).

Добавки виконують функцію легування, що підвищує експлуатаційний ресурс матеріалів.

Більш високою жаростійкістю володіють сплави, що містять понад 55% нікелю або  включають комбінацію залізо + нікель на рівні 65%.

Фізичні та механічні властивості

Запобігання холодних тріщин і інших деформацій металоконструкцій залежить від правильності вибору матеріалу для вирішення певних експлуатаційних задач.

Сплави жароміцної категорії характеризуються здатністю чинити опір зовнішнім впливам при різних станах. Основними механічними властивостями такої продукції є:

• міцність - опір впливу зовнішніх сил;
• твердість - опір інтегрованому в сплав більш твердому компоненту під дією навантаження;
• в'язкість - опір руйнуванню на противагу динамічним навантаженням;
• гнучкість - здатність до відновлення початкових розмірів і форми без руйнування під впливом зовнішніх сил;
• пластичність - зміни розмірів і форми без руйнування під впливом зовнішніх сил;
• крихкість - руйнування під зовнішнім впливом без залишкової деформації.

Напруги, що розтягуються і стискаються - ще один важливий фактор, який застосовується для оцінки функціонального потенціалу жароміцного сталевого сплаву. Якщо конкретніше, то напруга існує:

• статично розтягуюється;
• згибається;
• скручується;
• термічна при температурних коливаннях;
• динамічна змінна за різноманітною частотою і амплітудою;
• динамічна шляхом впливу  газових потоків на поверхню.

Чому виникають тріщини?

Виникнення і поширення тріщин в конструкціях з жароміцних сталей при наплавленні, зварюванні і адитивних технологіях, де застосовують висококонцентровані джерела енергії - це серйозна проблема, яка знижує якість виробів.

Причини виникнення тріщин при зварюванні або наплавленні визначаються складом, структурними чинниками - неоднорідністю, розміром зерна, компонентною формулою присадок. Сплави великої структурної неоднорідності переважно з великим зерном володіють підвищеною схильністю до отримання гарячих тріщин. Причому найслабшим місцем є околошовна зона.

З іншого боку, структурна збалансованість, забезпечена правильно підібраним хімічним складом сплаву, не завжди гарантує гарну тріщиностійкість. Дуже важливо з урахуванням компонентної формули правильно вибрати режим зварювання і наплавлення - дуже часто це має вирішальне значення.

Холодні тріщини - типовий дефект зварних з'єднань при монтажі конструкцій з середньолегованих і високолегованих перлитових і мартенситних сталей. Утворюється він на етапі охолодження до порівняно невисоких температур, зазвичай, нижче 200 °С. Ключові відмінності холодних тріщин:

• затримане зародження;
• уповільнений розвиток.

Обираючи сталь для виробництва металоконструкцій, оцінити ризик виникнення холодних тріщин можна шляхом розрахунку вуглецевого еквівалента Секв, який характеризує ступінь легування сталі. Одна з причин утворення тріщин - водень в звареному шві: чим вища його концентрація, тим більша виразність розтріскування.

Внутрішні залишкові напруги в металі зварного з'єднання після  закінчення зварювання при наявності зовнішніх підсумовуються з ними. Процес розподілу цих напруг впливає на утворення тріщин.

Виникнення напруг, що розтягуються і стискаються

При виготовленні металоконструкцій листову і прокатну сталь ріжуть. При цьому мають місце процеси нагріву, деформації і тертя, внаслідок чого виникають великі температурні градієнти і температурне напруження, показники яких перевершують граничну межу плинності матеріалу.

Пластична деформація стиснення в нормальних температурних умовах в деталі провокується появою розтягуючих залишкових напружень. У певних ситуаціях необхідно враховувати і структурні зміни, що впливають на зміну обсягу.

Виходить, що два ключові чинники при різанні сталі - силовий і температурний, працюють в протилежних напрямках. Саме цим пояснюється високий взаємозв'язок величини і знака залишкової напруги до технологічного режиму обробки.

Якщо розглянути інший механічний вплив на вуглецеву сталь - точіння при позитивному передньому куті різця в режимі високих швидкостей, то на поверхнях металу виникають залишкові напруги розтягнення. А ось при точно таких же умовах в процесі різання сталі, наприклад, 18ХНМА, з'являється напруга стиснення.

Зняття напруги в металі можна забезпечити, якщо використовувати  максимально гострий різець, оскільки його затуплення сприяє виникненню цього процесу при виготовленні сталевих конструкцій.

Тріщини і зварювання

Тріщини зварних швів - це несуцільність внаслідок місцевого руйнування шва при його охолодженні або ж викликана дією навантажень. Вони в металоконструкціях неприпустимі, оскільки виступають концентраторами шкідливої для конструкції напруги і є осередком руйнування.

Зовні тріщини сталей візуалізуються неозброєним оком або через звичайну збільшувальну лупу, як розриви металу на межі зерен. Як варіант, дефекти можуть визначатися по самим кристалам матеріалу зварного з'єднання.

Виділяються такі види тріщин з'єднань в місцях з'єднання елементів за допомогою зварювання:

• Розгалужені.
• Роздільні.
• Тріщина в кратері.
• Радіальні.
• Поперечні.
• Поздовжні.
• Мікротріщини.

Як запобігти розтріскуванню сталі

Розтріскування металу при затвердінні відразу після закінчення зварювання трапляються. Однак найчастішим видом руйнувань такої специфіки є повільне розтріскування. Тому в наведеній нижче інформації йдеться саме про це явище.

Запобігання швидкому затвердінню околошовної зони

При зварюванні найбільш ефективний метод запобігання уповільненого розтріскування - попереднє прогрівання. Цей вплив на металопрокат забезпечує можливість скорочення швидкості охолодження після закінчення зварювання, що є стримуючим фактором для затвердіння околошовної зони.

Зниження змісту дифузного водню в зварювальному металі

1. Застосування при з'єднанні елементів конструкцій нізководородних електродів в процесі дугового зварювання в середовищі захисного газу.
2. Застосування суцільного дроту при дуговому зварюванні в оточенні захисного газу - це знижує рівень водню в зварному шві.
3. З метою видалення водню показана негайна термообробка з'єднання при температурі 300...350 ℃.

Зведення напруги до мінімуму

Щоб домогтися мінімізації напруги при монтажі конструкцій з металу варто уникати зварювання на ділянках концентрованого напруги. Як варіант, для зменшення концентрації напруги може виконуватися зварювання в  правильній послідовності.

Посилення конструкцій

На завершення хочемо відзначити, що з метою підвищення несучої здатності конструктивних деталей металоконструкцій і їх з'єднань вдаються до таких способів: впровадження додаткових елементів, які працюють в унісон з посилюючими деталями; посилення з'єднань - зварних, клепаних і болтових. Але більш детально про це ми розповімо в наступній статті.

Ми раді, що ви зацікавилися інформацією з нашого блогу. І даємо згоду на використання матеріалів для навчальних цілей або особистого користування. Проте попереджаємо, що копіювання інформації для публічного розповсюдження – це порушення авторського права та інших прав інтелектуальної власності згідно з Бернською конвенцією та Законом України про авторське право №3792-XII.