Загальна характеристика мартенситних сталей (сталей мартенситного класу)
Хромисті мартенситні сталі (табл. 1) мають переважно підвищений вміст вуглецю, деякі з них додатково леговані нікелем, молібденом та іншими елементами. Вуглець і нікель розширюють γ-область і сприяють повному γ→α(м)-перетворенню в процесі охолодження. Феррітоутворюючі елементи (молібден, вольфрам, ванадій, ніобій) вводять для підвищення жароміцності сталей.
Якщо звичайні 11-12%-ные хромисті сталі мають високу міцність до 500 °С, то сталі, додатково леговані карбідоутворюючими елементами, мають високі характеристики міцності до 650 °С, що дозволяє їх використовувати для виготовлення сучасного енергетичного обладнання (табл. 2). Молібден та вольфрам, крім того, усувають розвиток крихкості в процесі тривалої експлуатації хромистих сталей за високих температур.
Підвищена схильність мартенситних сталей до крихкого руйнування у загартованому стані ускладнює технологію їхнього зварювання. Вміст вуглецю в мартенситних сталях, як правило, >0,10 %, тому в різних сполуках можливе утворення холодних тріщин (ХТ) через високу тетрагональність утвореного в процесі охолодження мартенситу. При зниженні вмісту вуглецю в`язкість мартенсита підвищується, проте виникає небезпека утворення структурно-вільного фериту, який, у свою чергу, є причиною високої крихкості, що не усувається до того ж термічною відпусткою. Тому тріщини на зварних з`єднаннях мартенситних сталей можуть спостерігатися в процесі безперервного охолодження і після охолодження до нормальної температури внаслідок уповільненого руйнування.
Для високохромистих сталей температура початку мартенситного перетворення (Тм.п.) ≤360 °С, а закінчення (Тм.з.) 240 °С. Зі збільшенням вмісту вуглецю точки Тм.п. та Тм.з. ще більше знижуються, що призводить до зростання твердості мартенситу та його крихкості. Враховуючи це, а також необхідність забезпечення високої пластичності, ударної в`язкості та стійкості проти крихкого руйнування, вміст вуглецю в хромистих мартенситних сталях обмежують до 0,20%.
Для запобігання утворенню холодних тріщин мартенситні сталі зварюють при температурі повітря ≥0 °С і застосовують попередній і супутній підігрів до 200-450 °С. Температура підігріву призначається залежно від схильності сталі до загартування. І в той же час температура підігріву не повинна бути надто високою, оскільки це може призвести до відпускної крихкості внаслідок зниження швидкості охолодження металу в ЗШЗ в інтервалі температур карбідоутворення.
Зварювання мартенситних сталей
Високий підігрів, як і зварювання з великою погонною енергією, призводить до перегріву навколошовного металу, зростання зерна, сегрегації домішок на межах зерен, що сприяють охрущування зварних з`єднань. Кращі властивості досягаються під час підігріву в інтервалі Тм.п. та Тм.з. з підстуджуванням після зварювання до Тм.з., але ≥100 °C.
До термічної обробки рекомендується не піддавати зварні з`єднання будь-яким навантаженням, кантувати та транспортувати (табл. 3). Зокрема, термообробку зварних стиків труб при спорудженні трубопроводів потрібно виконувати до холодного натягу трубопроводу, тобто, до складання та зварювання замикаючого зварного шва.
Багато з перерахованих вище недоліків у зварюваності мартенситних сталей не властиво маловуглецевим хромистим сталям, додатково легованим нікелем. Мартенсит, що утворюється при загартуванні хромонікелевої сталі 06Х12Н3Д з низьким вмістом вуглецю, відрізняється високими в`язкістю та пластичністю, що не призводить до холодних тріщин на зварних з`єднаннях.
Високі пластичні властивості маловуглецевого мартенситу сприяють отриманню надійних зварних з`єднань, насамперед при зварюванні без підігріву. Але чутливість зварних швів до водневої крихкості робить необхідним зварювання таких сталей із попереднім підігрівом приблизно до 100 °C. Поліпшенню зварюваності таких сталей сприяє залишковий аустеніт. Але для досягнення максимальних значень пластичності, міцності та ударної в`язкості рекомендується охолоджувати зварні сполуки мартенситних хромонікелевих сталей до нормальної температури для повного γ→α-перетворення, а потім піддавати термічній відпустці, щоб зняти залишкову напругу.
Серед методів, які застосовуються для зварювання виробів з мартенситних сталей, найбільш поширене ручне дугове зварювання (РДЗ) покритими електродами, що забезпечують отримання зварних швів, за хімічним складом близьких до основного металу (табл. 4). Знаходять також застосування способи: автоматичне дугове зварювання під флюсом (АДЗ), аргонодуговое зварювання (АрДЗ) та електрошлакове зварювання (ЕШЗ).