Влияние постсварочной термической обработки на механические свойства и характер разрушения сварных соединений стали Р91

Жаропрочная сталь Р91 с высоким содержанием хрома используется при изготовлении элементов котлов и паропроводов, работающих под давлением пара до 31 МПа и при температурах до 600 °C. Однако повышенная диффузионная ползучесть, обусловливающая образование в зоне термического влияния (ЗТВ) сварного соединения трещин III или IV типов, значительно снижает срок эксплуатации сварных конструкций из данной стали. Цель работы – разработка технологии, включающей до и постсварочную термическую обработку стали, позволяющую обеспечить равенство значений микротвердости сварного шва и ЗТВ при сохранении ее высокой ударной вязкости. В работе исследовано влияние режимов постсварочной термической обработки стали Р91 на механические свойства и характер разрушения при испытании на ударный изгиб ослабленного участка в зоне термического влияния. Получены экспериментальные зависимости усилия разрушения от времени при ударе маятника и прогиба образцов от усилия разрушения, с использованием которых определены: энергия зарождения трещины, полная энергия разрушения, максимальная величина прогиба образца до разрушения, максимальное усилие и усилие разрушения, время до разрушения. Показано, что сочетание пятикратной досварочной термоциклической обработки (ТЦО) в диапазоне температур 700–1050 °С с дальнейшей TIG сваркой с тепловложением не более 4,4 кДж/см в каждый проход и пятикратной постсварочной ТЦО в диапазоне 700–1050 °С с последующей пятикратной ТЦО в диапазоне 300–700 °С позволяет повысить значения ударной вязкости до 96,8 Дж/см2 в ослабленном участке зоны термического влияния, что значительно превышает величину ударной вязкости (29 Дж/см2) в ослабленном участке ЗТВ при стандартной термической обработке. При этом за счет дои постсварочной ТЦО удалось добиться максимальной стабильности значений микротвердости в ЗТВ.

1. Evolution of Minor Phases in a P91 Steel Normalized and Tempered at Different Temperatures / C. Hurtado-Noreña, C. A. Danón, M. I. Luppo, P. Bruzzoni // International Congress of Science and Technology of Metallurgy and Materials, SAM-CONAMET. 2013. P. 143–146. https://doi.org/10.1016/j.mspro.2015.04.172.

2. Пантелеенко, Ф. И. Исследование механизма разрушения стали Р91 на ударный изгиб после предварительной термообработки и сварки / Ф. И. Пантелеенко, В. А. Зеленин, А. Л. Миньков // Литье и металлургия. 2024. № 4. С. 141–150. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2024-4-85-94.

3. Пантелеенко, Ф. И. Влияние режимов предварительной термической обработки на структуру и механические свойства сварных соединений из стали Р91 / Ф. И. Пантелеенко, В. А. Зеленин, А. Л. Миньков // Современные методы и технологии создания и обработки материалов: сб. науч. тр. Минск: Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси, 2024. Кн. 2. С. 48–63.

4. Херцберг, Р. В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов / Р. В. Херцберг. М.: Металлургия, 1989. 576 с.

5. Ефименко, Л. А. Металловедение и термическая обработка сварных соединений / Л. А. Ефименко, А. К. Прыгаев, О. Ю. Елагина. М.: Логос, 2007. 456 с.

6. Хромченко, Ф. А. Ресурс сварных соединений паропроводов / Ф. А. Хромченко. М.: Машиностроение, 2002. 352 с.

7. Пантелеенко, Ф. И. Методология оценки состояния материала ответственных металлоконструкций / Ф. И. Пантелеенко, А. С. Снарский. Минск: БНТУ, 2010. 196 с.

8. Enhanced Creep Lifetime in Р91 Steel Weldments via Stabilizing Tempered Martensite Structure / Z. Gu, M. Zhong, A. Minkov [et al.] // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2024. Vol. 212. Art. 105361. https://doi.org/10.1016/J.IJPVP.2024.105361.

9. Федюкин, В. К. Термоциклическая обработка: технология, структура и свойства металлических материалов / В. К. Федюкин. Л.: ИПМаш АН СССР, 1991. 310 с.

10. Смагоринский, М. Е. Справочник по термомеханической и термоциклической обработке металлов / М. Е. Смагоринский, А. А. Булянда, С. В. Кудряшов. СПб.: Политехника, 1992. 414 с.