Пукотине при очвршћавању у потпуно аустенитним завареним спојевима од нерђајућег челика: контрола броја ферита

Потпуноаустенитног нерђајућег челиказаварени спојеви пуцају током очвршћавања јер се, без мале количине делта ферита, нечистоће сумпора и фосфора са ниским{0}}отапањем сегрегирају у танке течне филмове дуж граница зрна учвршћивања и распадају под стресом хлађења. Стандардна контрола у индустрији је да се циља број ферита (ФН) од отприлике 3 до 10 користећи ВРЦ-1992 дијаграм – довољно ферита да ухвати те нечистоће, али не толико да деградира отпорност на корозију или промовише ломљиву сигма фазу у употреби.

Аустенитни завари од нерђајућег челика - 304, 316 и њихове многе варијанте - спадају међу најчешће заварене материјале у индустрији и већина њих добро подноси заваривање. Али специфична подскупина апликација, од криогених посуда до потпуно аустенитних класа као што су 310 и 330, уклања саму карактеристику која обично штити ове заварене спојеве од пуцања: делта ферит. Овај чланак објашњава механизам који стоји иза пуцања учвршћивања, зашто је број ферита примарна полуга за његову контролу и шта треба учинити када апликација заиста не може толерисати ферит који би иначе решио проблем.

Зашто аустенитни завари од нерђајућег челика пуцају током очвршћавања?

Пуцање при очвршћавању се дешава када се заостале нечистоће сумпора и фосфора одвоје у танке, ниско топљиве течне филмове дуж граница зрна учвршћивања, а напон хлађења раздире те још-слабе границе пре него што се потпуно очврсну.

Како се метал шава хлади из течног у чврст, он се не очвршћава одједном - зрна се формирају и расту, а заостале нечистоће које се не уклапају у кристалну структуру се гурају испред фронта чврстог материјала који напредује. Сумпор и фосфор су главни кривци: оба се комбинују са елементима матрикса да би се формирала једињења са тачком топљења нижим од околног метала, и оба се лако сегрегирају до последњег-да-учврсти регионе на границама зрна.

Како завар наставља да се хлади и скупља, он ствара затезни напон преко тих граница. Ако је танак течни филм ових нечистоћа са ниским{1}}отопљењем и даље присутан када дође до тог напрезања, граница у суштини нема снагу да му се одупре и цепа се - стварајући пукотину учвршћивања, понекад видљиву на површини, понекад закопану унутар шава.

Шта је феритни број и зашто мала количина ферита спречава пуцање?

Феритни број (ФН) је стандардизовани, магнетно измерени индекс колико је делта ферита присутно у аустенитном металу шава, а тај ферит је важан јер раствара сумпор и фосфор много лакше него аустенит, спречавајући те нечистоће да се концентришу у пукотине-и узрокују течне филмове.

Делта ферит је користан у растварању фосфора и сумпора, нечистоћа са ниским-топљењем које би се иначе издвојиле током очвршћавања и довеле до пуцања током наредних пролаза завара. Ферит има вишу границу растворљивости за ове елементе него аустенит, тако да када се завар очврсне чак и са скромном количином присутног ферита, тај ферит делује као понор - апсорбујући сумпор и фосфор у чврсти раствор уместо да их дозволи да се концентришу у танке течне филмове на границама зрна.

Верује се и да ферит делује као физичко везиво између учвршћујућих аустенитних дендритних колона; са премало присутног ферита, ти паралелни стубови дендрита могу се расцепити дуж своје дужине као пукотина. Пошто се ФН мери стандардизованим магнетним инструментима и извештава на међународно признатој скали, то даје инжењерима заваривања практичан, поновљив број за циљање - уместо да се ослањају на чисто квалитативни осећај 'довољно' ферита.

Који опсег феритних бројева треба да циљају заваривачи?

Индустријска пракса генерално циља на ФН у распону од отприлике 3 до 10 за стандардне аустенитне класе као што су 308, 308Л, 309 и 316 - довољно да се поуздано одупре пуцању при очвршћавању без увођења проблема корозије или кртљења који долазе са вишком ферита.

Овај распон није произвољан: он представља тачку равнотеже између два конкурентна ризика. Испод отприлике 3 ФН, генерално нема довољно ферита који је поуздано присутан, на конзистентном и предвидљивом нивоу у завареном споју, да би се гарантовала отпорност на пуцање - варијације у брзини хлађења, разблажењу или мањим хемијским помацима могу гурнути изоловане делове шава ка нултом фериту чак и када је циљ на папиру изгледао као адекватан.

Изнад отприлике 10 ФН, почињу да се појављују други проблеми, детаљније покривени у наставку. За потпуно аустенитне основне метале са неуобичајено ниским садржајем сумпора и фосфора и одговарајућим металом за пуњење са малим-нечистоћама, заваривање се понекад може успешно обавити изван овог опсега -, али то захтева намерно направљену хемију, а не стандардну праксу.

Како Сцхаеффлер, ДеЛонг и ВРЦ-1992 дијаграми предвиђају садржај ферита?

Ови дијаграми састава приказују еквивалент хрома шава у односу на његов еквивалент никла да би се предвидео и резултујући садржај ферита и начин очвршћавања, при чему се ВРЦ-1992 дијаграм сада сматра најпрецизнијом и широко прихваћеном верзијом.

Сва три дијаграма раде на истом основном принципу: одређени легирајући елементи се понашају као хром у промовисању ферита (сам хром, молибден, ниобијум, силицијум), док се други понашају као никл у промовисању аустенита (никл, угљеник, азот, манган, бакар). Комбиновањем стварног састава метала шава у вредност еквивалента хрома-еквивалената (Црек) и никла- (Ниек) и исцртавања односа, ови дијаграми предвиђају и резултујући садржај делта ферита и - критички - начин у коме се заварује чврсти начин.

ВРЦ-1992 дијаграм је побољшан у односу на своје претходнике додавањем коефицијента за бакар у калкулацији еквивалента никла-, исправљајући тенденцију ранијег ВРЦ-1988 дијаграма да прецењује ФН у металима шава који садрже бакар, а валидација наспрам више од 200 независних метала потврдила је његов супериорни претходни метал Шефлер и ДеЛонг дијаграми.

Зашто је начин очвршћавања важнији од самог садржаја ферита?

Завар који се учвршћује као примарни ферит (ФА режим) је инхерентно далеко отпорнији на пуцање од оног који се учвршћује као примарни аустенит (АФ режим), чак и при сличном коначном садржају ферита - јер редослед у коме се формирају фазе одређује колико ефикасно нечистоће буду увучене у ферит, а не заробљене у последњој течности да би се учврстиле.

Већина шавова од аустенитног нерђајућег челика је дизајнирана да се очврсне у феритном-аустенитном (ФА) режиму: први се формира примарни делта ферит, а затим се аустенит формира кроз трансформацију типа чврстог- или еутектичког-типа. Ова секвенца је оно што омогућава фериту да ефикасно уклања сумпор и фосфор током очвршћавања. Алтернативно, аустенитно-феритно (АФ) или потпуно аустенитно (А) очвршћавање, нуди далеко мању заштиту, јер нечистоће немају доступну феритну фазу у раној фази очвршћавања у коју би се апсорбовале.

Прелаз између ових режима је регулисан односом Црек/Ниек: однос испод отприлике 1,5 тежи ка примарном очвршћавању аустенита, док се односи изнад тог прага померају ка примарном фериту, при чему различите студије постављају прецизну прелазну тачку за уобичајене процесе заваривања у распону од око 1,5 до чак 1,9 до чак 1,9-2 у зависности од специфичне формуле која се користи.

Због тога два завара са сличним коначним измереним ФН могу имати веома различиту стварну-светску отпорност на пуцање - дијаграми предвиђају режим очвршћавања посебно зато што режим, а не само коначна количина ферита, регулише колико добро се нечистоће контролишу током рањивог периода очвршћавања.

Шта се дешава када апликација заиста захтева нулу или скоро{0}}нулу ферита?

Одређене услуге - криогене посуде којима је потребна максимална ниска-жилавост на ниским температурама и потпуно аустенитни разреди као што су 310, 320 и 330 који уопште не могу поуздано да формирају ферит - потпуно уклањају феритну сигурносну маргину, због чега су ови завари препознати као чвршћи процес{6} и захтевају знатно чвршћу контролу{6} 308/316 заваривање.

За криогену-температурну употребу, отпорност на удар на ниској-ниској температури смањује се како се садржај ферита повећава, стварајући директан сукоб: ферит који је отпоран на пуцање такође смањује жилавост која је потребна на ниским температурама, тако да ови завари захтевају блиско избалансиран ФН да би се постигла адекватна отпорност на пуцање уз добру отпорност на пуцање, а не само максималну отпорност на удар, а не максималну отпорност на удар {{2}.

Потпуно аустенитни разреди пунила - 310, 320 и 330 - представљају још тежи случај: њихови састави су инхерентно осетљивији на пукотине-осетљивији од њихових сродника ојачаних феритом-, а све фазе заваривања и провере захтевају већу пажњу као резултат. За ове класе, прихваћена пракса је да се компензује кроз хемију додатног метала и процесну дисциплину, а не кроз садржај ферита: коришћење метала пунила са ниским садржајем сумпора и фосфора и повећаним садржајем мангана, пошто манган помаже у везивању сумпора и смањује његов ефекат крхкости чак и без присутног ферита за обављање истог посла.

Да ли су сумпор и фосфор важни чак и када број ферита изгледа прихватљиво?

Да - постоји директна, документована веза између комбинованог садржаја фосфора-плус-сумпора и осетљивости на пукотине, независно од нивоа ферита, што значи да завар са технички довољним ФН и даље може да пукне ако је садржај нечистоћа довољно висок.

Истраживање које посебно испитује аутогено заваривање нерђајућег челика типа 309 идентификовало је јасну везу између збира садржаја фосфора и сумпора, нивоа ферита у металу шава и резултујуће осетљивости на пукотине. Практична импликација је да су контрола ферита и контрола нечистоћа две одвојене полуге које обе морају да се повуку, а не једна да замењује другу: стриктна ограничења у погледу угљеника, фосфора и сумпора у основном материјалу и потрошном материјалу за заваривање остају неопходна чак и у завареним спојевима са адекватним ФН, а две најчешћа напуклина{{3} у употреби су - 310 управо оне где контрола нечистоћа мора да надокнади маргину ферита која није поуздано доступна.

Да ли превише ферита изазива сопствене проблеме?

Да - изнад отприлике 10 ФН, вишак ферита повећава ризик од формирања крхкости сигма фазе у раду на повишеним-температурама, а у слојевима молибдена- као што је 316, већи садржај ферита може значајно да смањи отпорност на корозију у врућим оксидирајућим срединама.

Ризик од сигма фазе: изнад око 10 ФН, постоји опасност да се ферит - који држи хром у чврстом раствору - трансформише у крту сигма фазу када радна температура падне у опсегу отприлике 1000–1650 степени Ф (540–900 степени), а у неким заварењима са више пролаза сигма заваривања, само заваривање са више пролаза може произвести {{2} високу топлоту} заваре без икаквог посебног излагања-услугама повишене температуре.

Отпорност на корозију у Мо-класама лежајева: у класама лежајева молибдена- као што су 316 и 317, већи садржај ферита може да изазове значајно смањење отпорности на корозију у врућим оксидационим медијима, као што је уреа сервис - специфичан, добро{{5}документован изузетак од општег правила да је сигурнији феррит.

Смањена отпорност на ниске{0}}температуре: као што је већ напоменуто за криогене примене, ударна чврстоћа на ниским температурама опада како се садржај ферита повећава, радећи директно против отпорности на пуцање у том специфичном радном стању.

Због тога је ФН контрола представљена као циљни опсег, а не као стратегија максимизације „више је боље“ - тачан број зависи од специфичног нивоа, радне температуре и окружења корозије, а не једног универзалног плафона или пода.

Које промене у пракси заваривања смањују ризик од пуцања код ниских{0}}феритних класа?

За{0}}осетљиве, ниске- класе ферита, минимизирајте ограничење, одржавајте унос топлоте и међупролазну температуру ниским, фаворизујте спорије хлађење кроз рањиви опсег очвршћавања и намерно избегавајте глатке, добро{2}}испране профиле завара у корист конвекснијих, крунисаних перли.

Смањите механичко ограничење у дизајну споја и причвршћењу, пошто је пуцање у основи изазвано напоном који делује на још-слабу, делимично очврснуту границу.

Одржавајте низак унос топлоте и контролишите међупролазну температуру - смерница за најосетљивије на пукотине-изричито препоручује одржавање међупролазне температуре испод отприлике 210 степени Ф (99 степени ).

Намерно контролишите профил шава: глатке, равне, добро-опране перле лакше пуцају у најосетљивијим слојевима на пукотине-, док су конвекснији, крунисани профили зрна отпорнији на пуцање{2}}, што је контраинтуитивно, али добро{3}}документовано практично упутство.

Контролишите садржај силицијума у ​​металу шава, посебно код заваривања под водом, пошто је високо-метал заваривања силицијума подложнији пуцању-од ​​ниског-метала силицијум шава, и треба узети у обзир накупљање силицијума из флукса за заваривање.

Намерно бирајте хемију додатног метала за потпуно аустенитне степене - са ниским садржајем сумпора и фосфора, са повишеним нивоом мангана - уместо да се ослањате на ферит базног-метала који ове класе не могу поуздано да обезбеде.

Како треба проверити број ферита током и после заваривања?

ФН треба да се верификује помоћу калибрисаног инструмента за мерење магнетног ферита на производним завареним спојевима или репрезентативних тестних купона, унакрсне-проверене у односу на предвиђање дијаграма састава који се користи у фази квалификације поступка заваривања, пошто стварни измерени ФН и дијаграм{1}}предвиђени ФН могу да се разликују са варијаблама разблажења и процеса.

Инструменти за мерење магнетног ферита пружају практичан, не-деструктиван начин да се верификује стварни ФН на завршеним завареним спојевима, а ова измерена вредност је оно што би на крају требало да управља прихватањем -, а не само израчунато предвиђање из дијаграма састава. Такође је вредно напоменути да ФН као што је мерен није увек једнак стварном запреминском проценту присутног ферита: на отприлике 8–10 ФН и ниже, ФН је приближно једнак просечном запреминском проценту делта ферита у завару, али при вишим вредностима ФН, мерење може све више да прецени стварни садржај ферита, што је још један разлог више да се опсег мерења од 3–10 ФН добро поклапа са 3–10 ФН. физички смислен.

Често постављана питања

Који феритни број се генерално препоручује да би се спречило стварање пукотина при очвршћавању?

Отприлике 3 до 10 ФН за стандардне класе аустенита као што су 308, 308Л, 309 и 316, израчунато коришћењем ВРЦ-1992 дијаграма и верификовано на стварном завару помоћу калибрисаног магнетног феритног инструмента.

Зашто је потпуно аустенитне класе као што су 310 и 330 теже заварити без пуцања-?

Њихови састави не формирају поуздано делта ферит који штити већину аустенитних заварених спојева од пуцања, тако да отпорност на пуцање уместо тога мора да потиче од строго контролисане хемије додатног метала - ниског садржаја сумпора и фосфора, повећаног нивоа мангана - и дисциплинованог поступка заваривања уместо садржаја ферита.

Може ли завар да пукне чак и ако је његов феритни број унутар препорученог опсега?

Да, ако је садржај сумпора и фосфора довољно висок. Контрола ферита и контрола нечистоћа су одвојени фактори којима треба управљати; адекватан ФН смањује, али не елиминише ризик од пуцања од прекомерних заосталих нечистоћа.

Да ли је више ферита увек сигурније за аустенитне заваре од нерђајућег челика?

Не. Изнад отприлике 10 ФН, заварени спојеви постају подложнији сигма фази кртости у раду на повишеним-температурама, а у слојевима који садрже молибден-, виши ферит може смањити отпорност на корозију у врућим оксидирајућим срединама, тако да се ФН не управља као максимални циљни опсег,

Који конституцијски дијаграм се сматра најтачнијим за предвиђање феритног броја?

ВРЦ-1992 дијаграм се генерално сматра најтачнијим дијаграмом који је тренутно доступан, валидиран у односу на више од 200 независних метала завара и усвојен као референца у кодовима укључујући АСМЕ кодекс котла.