Введение к работе
Актуальность темы: Для конструкций, эксплуатируемых в окислительных и окислительно-восстановительных средах, эффективно применение взамен аустенитных хромоникелевых сталей типа 18Cr-9Ni двухфазных феррито-аустенитных сталей типа 22Cr-6Ni, которые обладают более высокой прочностью, стойкостью к межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. Применение феррито-аустенитных сталей позволяет сберечь до 40% хромоникелиевых сталей аустенитного класса и до 40-80 кг никеля на каждую тонну использованного металла. Область применения феррито-аустенитных сталей уже, чем хромо-никелиевых сталей аустенитного класса, ввиду их ох-рупчивання при сварке и при температурах эксплуатации. Под воздействием термического цикла сварки в околошовной зоне наблюдается интенсивный рост ферритного зерна, изменяется соотношение фаз, происходит распад нестабильных структур. Все это приводит к резкому снижению стойкости к хрупкому разрушению сварных конструкций.
Несмотря на достаточно большое количество исследовательских работ, посвященных сварке феррито-аустенитных сталей, остаются неисследованными вопросы, охрупчивания металла ОШЗ при высокотемпературной эксплуатации; механизм микроразрушения этих сталей; остается актуальным повышение вязкости сварных соединений. Актуальность темы исследования подтверждается выполнением ее в рамках тематического плана НИР и НИОКР министерства химического и нефтехимического машиностроения (1987-1990гг);а также выполнением хоздоговоров с ОАО «Волгограднефтемаш».
Цель работы: разработка технологического процесса, обеспечивающего повышение вязкости ОШЗ сварных соединений методом термоциклической обработки с исследованием микромеханизма разрушения и учетом влияния тепловложения при сварочных нагревах на охрупчивание феррито-аустенитных сталей с использованием критериев механики разрушения Jic, Kic и дифференцирования составляющих ударной вязкости.
На защиту выносятся:
результаты исследования влияния химического состава и сварочного нагрева на ударную вязкость с использованием методики, основанной на разделении ударной вязкости KCV на работу зарождения KCV, и работу распространения разрушения KCVp, трещиностойкость с использованием критериев механики разрушения J]c, К|С;
результаты фрактографического исследования механизма разрушения феррито-аустенитных сталей и металла ОШЗ их сварных соединений;
результаты влияния термического старения в интервале температур 200-400С на ударную вязкость и трещиностойкость ОШЗ сварных соединений;
результаты электронномикроскопических и фрактографических методов исследования кинетики старения металла ОШЗ стали 08Х18Г8Н2Т;
разработка режима термоциклической обработки сварных соединений феррито-аустенитных сталей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-получены температурные зависимости вязкости разрушения феррито-аустенитных сталей, свидетельствующие о их существенном охрупчивании после сварочного нагрева;
-развиты представления об особенности микромеханизма разрушения феррито-аустенитных сталей. Разрушение металла в состоянии поставки, в основном вязкое, происходит путем возникновения и слияния микропор и образованием вторичных трещин. Установлено, что охрупчивание ОШЗ феррито-аустенитных сталей связано не только с изменением соотношения структурных составляющих 6-феррита и у-фазы, но и с выделением избыточных фаз, в том числе и пленочной морфологии, таких, как карбиды, карбонитриды титана, сульфиды сложного состава и др., выделяющихся по границам зерен;
-показано, что под влиянием термического цикла сварки происходит смена микромеханизма разрушения с вязкого на смешанный как путем слияния микропор, так и транскристаллитным и межзеренным сколом;
-щучены и установлены особенности «старения» металла ОШЗ стали 08Х18Г8Н2Т. С помощью метода математического планирования эксперимента показано, что охрупчивание металла ОШЗ этой стали происходит при более низких температурах и меньших выдержках, чем в основном металле. Методами электронномикроскопического, микрорентгеноспектрального и фрактогра-фического исследований установлено охрупчивание металла ОШЗ в процессе термического «старения», связанное со старением неравновесной а-фазы по механизму дисперсионного упрочнения.. Установлено, что для металла ОШЗ в данном случае характерен механизм межзеренного разрушения, происходящий спонтанно при нестабильном распространении трещины;
-показана возможность использования термоциклической обработки для повышения вязкости сварных соединений феррито-аустенитных сталей в интервале температур 900-700С.
Практическое значение. Определены характеристики вязкости разрушения J|t , К.к . сталей 08Х18Г8Н2Т и 08Х22Н6Т в состоянии поставки и металла ОШЗ, которые могут быть использованы для практических расчетов конструкций химического аппаратостроения. Разработана технология термоцнк-лической обработки сварных соединений феррито-аустенитных сталей. Указанные результаты использованы на ОАО «Волгограднефтемаш» при изготовлении конденсаторов для микробиологической промышленности, ранее изготавливаемых из стали 08Х18Н10Т. что подтверждается актом внедрения. Обший экономический эффект от замены стали 08Х18НІОТ на 08Х18Г8Н2Т составил 1009. 8 тыс.руб. Доля автора 20% (1990 г.).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на: областной научно-технической конференции НТО МАШПРОМа «Повышение долговечности деталей машин прогрессивными методами обработки» (Волгоград, 1987); региональной научно-технической конференции «Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» (Волгоград, 1988); международных научно-технических конференциях «Прогрессивные методы получения конст-
6 рукдионных материалов и покрытий, повышающих долговечность деталей машин» (Волгоград, |989-1990гг^а также на ежегодных научных конференциях Волгоградского государственного технического университета (1987-2000 гг.)
Публикации. Результаты диссертационных исследований опубликованы в 14 печатных работах и авторском свидетельстве на способ термической обработки сварных узлов.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав. общих выводов, списка литературы и приложения. Изложена наЖ^ страницах машинописного текста, 67 рисунках, 33 таблицах, в списке литературы 150 наименований.
