Приложение В (справочное). Содержание феррита в металле шва

Приложение В
(справочное)

Содержание феррита в металле шва

В.1 Общие сведения

Настоящее приложение основано на статье [3].

Содержание феррита в металле шва коррозионно-стойкой стали имеет важное значение при производстве и эксплуатации сварной конструкции. Во избежание затруднений определенное содержание феррита часто регламентируют. Традиционно содержание феррита указывалось в процентах, но в настоящее время, согласно ИСО 8249, используется ферритное число (FN).

В.2 Влияние феррита

Наиболее важным и полезным эффектом феррита в сварных швах из номинально аустенитных коррозионно-стойких сталей является хорошо известная зависимость между понижением склонности к горячим трещинам и наличием самого феррита. Помимо других факторов, минимальное содержание феррита, необходимое для обеспечения отсутствия горячих трещин, зависит от химического состава металла шва. Максимальное содержание феррита определяется возможным его влиянием на механические и коррозионные свойства. Требуемое содержание феррита может быть установлено подбором соотношения содержания ферритообразующих элементов (таких как хром) к содержанию аустенитообразующих (таких как никель) в пределах, допускаемых соответствующими техническими требованиями.

В.3 Связь между составом и структурой

Содержание феррита, как будет отмечено ниже, обычно определяется с помощью магнитометрической аппаратуры и выражается ферритным числом. Содержание феррита можно также определить с помощью структурных диаграмм. Как наиболее точную рекомендуется использовать структурную диаграмму Совета по исследованиям в области сварки (WRC) [4]. Химический состав сплава связывается со структурой посредством группировки ферритообразующих элементов в так называемый эквивалент хрома, а аустенитообразующих элементов - в "эквивалент никеля". Диаграмма WRC-1992 позволяет предсказать структуру с точностью до  4 FN при расчетном содержании феррита до 18 FN. Диаграмма может быть использована для значений ферритных чисел до 100 (то есть ее можно использовать для дуплексных сталей).

В.4 Образование феррита

Принято считать, что образование горячих трещин зависит от характера кристаллизации. Конечное содержание феррита и его морфология зависят от реакций в процессе кристаллизации и, в дальнейшем, в твердой фазе. Склонность к горячим трещинам в зависимости от характера кристаллизации снижается в следующем порядке: однофазный аустенитный, первичный аустенитный, смешанный тип и однофазный феррит, первичный феррит. Ферритное число и характер кристаллизации зависят преимущественно от химического состава, но их связь не всегда однозначна. Однако имеется система стандартизации, которая позволяет более практично регламентировать и измерять содержание феррита на ее основе.

В.5 Влияние условий сварки

Содержание феррита в металле шва определяется не только выбором присадочного металла. Кроме влияния доли основного металла, содержание феррита в металле шва может существенно зависеть от режима сварки. Несколько факторов могут изменить химический состав металла шва. Наиболее важным из них является азот, который может попасть в металл шва через сварочную дугу. Высокое напряжение дуги может привести к значительному уменьшению ферритного числа. Другими факторами являются снижение содержания хрома за счет окисляющих веществ в покрытии или увеличение углерода за счет диссоциации СО ₂. Весьма высокое тепловложение может также оказать влияние, особенно на дуплексные стали. Если выявлено существенное отличие содержания феррита в наплавленном металле от значения в сертификате производителя, то вероятно, что причиной такого отличия являются один или несколько из вышеуказанных факторов.

В.6 Влияние термической обработки

Коррозионно-стойкие стали, как основной металл, обычно поставляются после гомогенизации и закалки. Большинство сварных соединений, напротив, вводятся в эксплуатацию в состоянии после сварки. В некоторых случаях может или должна выполняться после сварки термическая обработка. Она может стать причиной некоторого уменьшения магнитометрически определяемого FN и даже его снижения до нуля. Влияние термической обработки на механические и коррозионно-стойкие свойства может быть значительным, но здесь не рассматривается.

В.7 Определение содержания феррита

В.7.1 Содержание феррита должно быть согласовано сторонами, заинтересованными в качестве сварной конструкции из коррозионно-стойкой стали. Этими сторонами могут быть: производитель присадочного материала, изготовитель сварной конструкции, регулирующий орган и страховая компания. Поэтому необходимо, чтобы метод определения содержания феррита был воспроизводимым.

Ранее для определения содержания феррита в металле шва из коррозионно-стойкой стали широко использовалась металлография. В зависимости от реактива для травления воздействовали либо на феррит, либо на аустенит, отличая феррит в аустенитной матрице. Ферритная фаза очень мелкая, неоднородная по форме и неравномерно распределена в матрице. Надежность и воспроизводимость этого метода были низкими. Более того, металлографические исследования требуют разрушения образца, что не всегда выполнимо для контроля качества на производстве.

В.7.2 Феррит, как ферромагнетик, легко отличим от аустенита. Магнитные свойства аустенитного металла шва пропорциональны содержанию в нем феррита. На магнитные свойства также влияет состав феррита (чем больше легирующих примесей в феррите, тем слабее его магнитные свойства по сравнению с ферритом, имеющим меньшее содержание этих примесей). Поэтому такое свойство может быть использовано для определения содержания феррита, если возможно применить аттестованную методику калибровки магнитных средств измерения.

Следует проводить калибровку таким образом, чтобы результаты можно было напрямую преобразовать в "процент феррита". Из-за вышеуказанного влияния состава феррита и, как оказалось, невозможности достичь единогласия по действительному "проценту феррита" была введена произвольная шкала FN. Первоначально FN считалось достоверным показателем "процента феррита" в металле шва типа 19 9 или 308, однако дальнейшие исследования показали, что FN заметно завышает FN в металле шва. С точки зрения практики это не важно. Значительно более важной является возможность различных измерительных служб воспроизвести одни и те же результаты с малым разбросом по содержанию феррита в данном сварном образце, а система измерения FN позволяет это выполнить.

В.7.3 Калибровка конкретного лабораторного оборудования, основанная на системе измерения FN, осуществляется с использованием первичных стандартных образцов, которые представляют собой основу из углеродистой стали с нанесенным немагнитным покрытием стандартной толщины. Такие стандартные образцы доступны для получения из Национального института стандартов и технологий США (NIST). Каждому такому образцу присваивается FN в соответствии с таблицей 1 ИСО 8249:2000 [1]. Кроме того, в системе FN оборудование, калиброванное по первичным стандартным образцам, может быть использовано для присвоения FN образцам наплавленного металла шва, которые, в свою очередь, могут быть использованы как вторичные стандартные образцы для калибровки различных других измерительных устройств, более удобных в производственных или монтажных условиях.

В.7.4 При многократных испытаниях в разных лабораториях с использованием первичной или вторичной калибровки было установлено, что при определении FN на заданных образцах металла шва воспроизводимость составляет не более  1 FN в диапазоне от 0 FN до 28 FN, предусмотренном в ИСО 8249. Это более высокая воспроизводимость, чем получаемая металлографическими методами. Были разработаны принципы для расширения системы диапазонов FN, предназначенных для дуплексных сталей, и эта информация была опубликована в ИСО 8249. Вторичные стандартные образцы теперь также доступны в Национальном институте стандартов и технологий (NIST, Гейтерсберг. Мэриленд, 20899, США). Ранее вторичные стандартные образцы можно было получить в Институте сварки (TWI, Эбингтон-Холл, Эбингтон, Кембридж, СВ1 6AL, Великобритания).

В.8 Реализация измерений ферритного числа

При регламентировании и определении содержания феррита важно оперировать с действительно достижимыми для сварного образца числами. Нереально указывать и пытаться измерять нулевое FN в номинально полностью аустенитном металле шва. Максимальная величина FN, равная 0,5 FN, вполне реальна и достижима.

Не следует регламентировать и пытаться измерять FN в диапазоне, близком к величине воспроизводимости (погрешности) процесса сварки и измерения. Таким образом, регламентация диапазона от 5 до 10 FN или от 40 до 70 FN реальна и достижима. Однако диапазоны от 5 до 6 FN и от 45 до 55 FN нереалистичны. Также не следует регламентировать и ожидать, что измерения ферритных чисел на криволинейных поверхностях, поверхностях вблизи кромок и сильно магнитных материалов или на необработанных поверхностях (содержащих "чешуйки" шва) будут совпадать с измерениями на гладкой обработанной поверхности шва по его центру.