Жароміцність зварних з’єднань

Жароміцність - це здатність матеріалу чинити опір навантаженню при підвищеній температурі. Із зростанням температури підвищується теплова енергія коливання атомів, зростає інтенсивність дифузійних про­цесів і знижується міцність міжатомних зв'язків, що призводить до змен­шення міцності металів і зростання їх пластичності. На рис. наведені дані про характер впливу підвищення температури на механічні власти­вості деяких металів.

Рис. Вплив підвищення температури на міцність сг_в (суцільна лінія) і

пластичність 8 (пунктирна лінія): 1 - сталь низьковуглецева,

2- легована перлітна сталь, 3 - жароміцна сталь.

В умовах, сприятливих для пластичного деформування, в металах мають місце два процеси - повзучість і релаксація.

Повзучість - здатність металу до безперервного пластичного деформування при постійному навантаженні (рис.).

Рис.

При навантаженні стержня силою Р в ньому виникне загальна дефор­мація

ε = ε_пр + ε_пл. Під час витримки при температурі Т пружна деформа­ція є_пр залишається незмінною, а пластична складова ε_пл буде безпе­рервно зростати, що призведе і до збільшення загальної деформації ε.

Релаксація - це перехід пружної деформації в пластичну в умовах постійної загальної деформації елемента, що навантажується. Розтягне­мо стержень до деформації ε = ε_пр + ε_пл жорстко його закріпимо. При цьому в стержні утворяться напруження, пропорційні пружній деформації σ = ε_пр Е. В умовах постійної загальної деформації є і витримки при температурі Т пружна деформація буде трансформуватися у пластичну (тобто зменшуватися), що призведе до зниження напружень σ.

Основною розрахунковою характеристикою міцності металу зварного з'єднання при високих температурах є межа тривалої міцності σ_тм- нап­руження, які викликають руйнування при заданій температурі за роз­рахунковий термін експлуатації.

При проектуванні зварних з'єднань, працюючих в умовах високих тем­ператур, напружено-деформовний стан металу визначається як і у випад­ку експлуатації при звичайних температурах. Умова міцності має вигляд:

σ ≤ [σ]_тм

де [σ]_тм - граничні напруження; [σ]_тм = σ_тм /К, К - коефіцієнт запасу міцності К = 1,6...2,0.

На рис. представлені залежності номінальних граничних напру­жень від температури для деяких металів: 1 - сталь 10; 2 - сталь СтЗ;

За температурними умовами роботи доцільно виділити дві групи ви­сокотемпературних конструкцій: 1) працюючих при підвищених темпера­турах (до 350-400°С для перлітних і 500°С для аустенітних сталей), коли ефектом повзучості можна зневажити; 2) працюючих при більш високих температурах в умовах повзучості.

Для першої групи зварних вузлів, до яких належать такі відповідальні конструкції, як атомні енергетичні установки, барабани парових котлів і судини нафтохімічних установок, вибір матеріалів підпорядковується за­гальним конструктивно-технологічним вимогам. Сталі, звичайно викорис­товувані для зварних вузлів, що працюють у нормальному діапазоні тем­ператур, можна застосовувати й у даному випадку. Виключення склада­ють сталі, чуттєві до деформаційного старіння в інтервалі температур 200-300°С, а також до 475-градусної крихкості. Наприклад, вироби з кип­лячих низьковуглецевих сталей можна застосовувати лише в умовах до 150-200°С, а феритно-аустенітні сталі у відповідальних зварних вузлах

можна використовувати лише до 300-350°С. Яких-небудь обмежень застосування аустенітних сталей, що зварюються добре, в умовах до 500°С, як, наприклад сталі 12Х18Н10Т, не існує.

При виборі матеріалу й умов виготовлення відповідальних зварних конструкцій з товщиною елементів понад ЗО мм (судини, барабани, ро­тори) для роботи при високих температурах необхідно враховувати не тільки надійну роботу виробу в експлуатаційних умовах, але і відсутність крихких руйнувань під час виготовлення, гідравлічних і інших випробу­вань. Тому матеріал конструкції повинен мати не тільки необхідні влас­тивості при високих температурах, але також і необхідний запас в'язкості при кімнатній і зниженій температурах.

Вибір матеріалів для зварних вузлів другої групи більш складний. Крім загальних вимог щодо здатності до зварювання, ці матеріали повинні забез­печити максимальну однорідність зварного з'єднання і відсутність у ньому розвинутих маломіцних і крихких зон при високих температурах. Виходячи із зазначених вимог, найбільш придатними матеріалами для розглянутих умов роботи є сталі і сплави не здатні до термічного зміцнення. Так, з теплостійких сталей кращими є хромомолібденові сталі: з аустенітних сталей - леговані молібденом і в першу чергу сталі марок Х16Н9М2 і 08Х16Н13М2Б. Зварні з'єднання, виконані з цих сталей, не схильні до падіння міцності і крихких високотемпературних руйнувань в навколошовній зоні. Вони практично мають однакову міцність з основним металом.

Хоча розглянуті вище сталі за умовою експлуатаційної надійності є найпридатнішим матеріалом для зварних вузлів, що працюють в умовах повзучості, по жароміцності вони помітно поступаються сталям і сплавам здатним до термічного зміцнення, і тому застосовуються обмежено. Найбільш розповсюдженими для високотемпературних установок є хромомолібденованадійові сталі, жароміцні високохромісті сталі, леговані ванадієм, ніобієм і вольфрамом; аустенітні сталі і сплави на нікелевій основі з титаном, ніобієм і алюмінієм. У зв'язку з розвинутою неоднорідністю їхніх зварних з'єднань необхідно застосовувати додаткові заходи, що підвищують їхню жароміцність і виключають небезпеку крих­ких руйнувань. Найважливішими з них є:

1. Обмеження міцності основного металу. За цією вимогою межа міц­ності хромомолібденованадійових теплостійких сталей у зварних з'єд­наннях не повинна бути вищою 60-65 кгс/мм², а високохромистих жароміцних сталей перевищувати 80 кгс/мм².

2. Застосування сталей і сплавів на нікелевій основі після електрошла­кового і вакуумно-дугового переплаву.

3. Усунення концентраторів у районі з'єднання і розташування зварних стиків поза зоною дії високих напружень. З цією метою необхідно вводити обов'язкове зачищення чи механічну обробку зовнішньої і внутрішньої поверхонь стиків до плавного сполучення з основним металом. Розташовувати зварні стики поза зонами різкої зміни пере­тину елементів, що з'єднуються.

2. Проведення термічної обробки за режимами, що забезпечують від­сутність утворення крихких зон. Кращими є режими високотемпера­турної термічної обробки - нормалізації з відпуском для зварних з'є­днань теплостійких хромомолібденованадійових сталей і аустенизації з наступною стабілізацією для аустенітних сталей і сплавів на ніке­левій основі.