Effect of post-weld heat treatment on the mechanical properties of chrome-molybdenum steel welded joints

Abstract

The dissertation analyses the impact of heat treatment parameters on the mechanical properties of chrome-molybdenum (5% Cr–0,5% Mo) steel welded joints. The key objects of research are heat-treated chrome-molybdenum steel welded joints and piping elements operated at high temperature for an extensive period of time, where degradation of mechanical properties has been observed. Detailed analysis of these objects allow selecting the most appropriate heat treatment parameters for the investigated steel welded joints. The main objective of the thesis is to investigate the causes of degradation of alloy steel mechanical properties during operation and fabrication of the equipment, and to develop a methodology for identification of optimum heat treatment parameters for chrome-molybdenum steel welded joints. A few key issues are addressed in the thesis: identification of dependence of chrome-molybdenum (5% Cr–0,5% Mo) steel welded joint mechanical properties on heat treatment parameters, identification of the optimum value of temperature/time parameter, and identification of causes of the investigated steel mechanical property changes and degradation. The first objective was formulated considering the fact that the equipment made of those steels are very expensive and hazardous, whereas welding and heat treatment parameters reducing the service life may be chosen during their fabrication. The performed reference literature analysis revealed that mechanical property changes of these steels, using very intensive local heat treatment of welded joints, which is frequently used while fabricating the equipment, has not been yet investigated. The second objective is related to steel microstructure testing. Upon the performance of this testing it is possible to identify the causes of steel, operated for an extensive period of time, degradation as well as causes of new welded joint mechanical property changes. The dissertation consists of the introduction, three chapters and general conclusion. The introduction analyses the topicality of the issue, formulates the objective and tasks of the thesis, describes the scientific novelty of the thesis, and introduces author’s presentations and publications, and structure of the dissertation. The first chapter covers the literature reference review. The chapter provides the review of works analyzing the peculiarities of industrial appliance of chrome-molybdenum steels, the issues of heat treatment and long-term service of welded joints of those steels. The second chapter, the methodology section, describes the research methodology. The essence of testing methods, their application, testing performance and the methods of result processing are described in this chapter. The third chapter, the experimental section, describes the experiment performance sequence, the results obtained and their review. Arguments for the defended statements are presented. 6 presentations were made at the conferences in Lithuania and other countries and 7 articles published on the topic of the dissertation.

Disertacijoje nagrinėjama terminio apdorojimo parametrų įtaka chromo-molibdeno (5 % Cr–0,5 % Mo) grupės plienų suvirintųjų jungčių mechaninėms savybėms. Pagrindiniai tyrimo objektai yra termiškai apdorotos chromo-molibdeno plieno suvirintosios jungtys ir ilgą laiką aukštoje temperatūroje eksploatuoti vamzdyno elementai, kuriuose pastebėta mechaninių charakteristikų degradacija. Šių objektų detalūs tyrimai bei gautų rezultatų analizė leidžia parinkti tinkamiausius tiriamo plieno suvirintųjų jungčių terminio apdorojimo parametrus. Pagrindinis disertacijos tikslas yra ištirti legiruoto plieno mechaninių savybių degradacijos priežastis eksploatacijos bei įrenginių gamybos metu ir sukurti metodiką, skirtą chromo-molibdeno plienų suvirintųjų jungčių optimaliems terminio apdorojimo parametrams nustatyti. Darbe sprendžiami keli pagrindiniai uždaviniai: chromo-molibdeno 5 % Cr–0,5 % Mo grupės plienų suvirintųjų jungčių mechaninių charakteristikų ir terminio apdorojimo parametrų tarpusavio priklausomybės nustatymas, optimalios temperatūros ir laiko parametro reikšmės nustatymas, taip pat tiriamo plieno mechaninių charakteristikų pokyčių, degradacijos priežasčių nustatymas. Pirmasis uždavinys suformuluotas atsižvelgiant į tai, kad įrenginiai iš šių plienų yra labai brangūs ir pavojingi, o gaminant juos gali būti pasirinkti mažinantys eksploatacijos laiką suvirinimo ir terminio apdorojimo parametrai. Atlikta literatūros analizė parodė, kad iki šiol nebuvo tirti šių plienų grupės mechaninių charakteristikų pokyčiai, naudojant labai intensyvų lokalinį suvirintųjų jungčių terminį apdorojimą, koks dažnai naudojamas gaminant įrenginius. Antrasis uždavinys susijęs su plieno mikrostruktūros tyrimais. Atliekant šiuos tyrimus nustatytos ilgą laiką eksploatuoto plieno degradacijos ir naujų jungčių mechaninių savybių pokyčių priežastys. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai ir rezultatų apibendrinimas. Įvade nagrinėjamas problemos aktualumas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašomas mokslinis darbo naujumas, pristatomi autoriaus pranešimai ir publikacijos, disertacijos struktūra. Pirmasis skyrius skirtas literatūros apžvalgai. Jame apžvelgti darbai, kuriuose nagrinėjami chromo-molibdeno plieno panaudojimo pramonėje ypatumai, šių plienų suvirintųjų jungčių terminio apdorojimo bei ilgalaikės eksploatacijos problemos. Skyriaus pabaigoje formuluojamos išvados ir konkretizuojami disertacijos uždaviniai. Antrajame skyriuje, metodinėje dalyje, pateikta tyrimų metodika. Aprašyta bandymo metodų esmė, taikymas, eksperimentų atlikimas bei rezultatų apdorojimo metodai. Trečiajame skyriuje, eksperimentinėje dalyje, aprašyta eksperimentų atlikimo eiga, gauti rezultatai ir jų analizė. Pateikti ginamųjų teiginių įrodymai. Disertacijos tema perskaityti 6 pranešimai Lietuvos bei kitų šalių konferencijose ir paskelbti 7 straipsniai.