Надежность материалов энерготехнологического назначения при эксплуатации в Северных регионах России
УДК 697.9
Надежность материалов энерготехнологического назначения при эксплуатации в Северных регионах России
Каргинова В.В., д.т.н., проф. Ермаков Б.С.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Одной из наиболее повреждаемых групп оборудования, эксплуатируемого в условиях климатического холода, является вспомогательное энерготехнологическое оборудование, изготавливаемое из углеродистых сталей марок 10 и 20 по ГОСТ 1050-88. Эти стали используются при производстве паро-, газо- и водопроводов технологических линий, бойлеров, ресиверов, корпусов фильтров, сосудов и топливных емкостей. Подобное оборудования не задействовано напрямую в технологической цепочке основного производства, а обслуживает ее потребности (по сжатому воздуху, пару, холодной и горячей воде, топливу и т. п., как, например, межцеховые паропроводы) и обычно монтируется на открытом воздухе, температура которого в северных регионах страны в зимние месяцы может опускаться ниже –60° С.
Ключевые слова: энерготехнологическое назначение, надежность и эксплуатация материалов.
Одной из наиболее повреждаемых групп оборудования, эксплуатируемого в условиях климатического холода, является вспомогательное энерготехнологическое оборудование, изготавливаемое из углеродистых сталей марок 10 и 20 по ГОСТ 1050-88. Эти стали используются при производстве паро-, газо- и водопроводов технологических линий, бойлеров, ресиверов, корпусов фильтров, сосудов и топливных емкостей. Подобное оборудования не задействовано напрямую в технологической цепочке основного производства, а обслуживает ее потребности (по сжатому воздуху, пару, холодной и горячей воде, топливу и т.п., как, например, межцеховые паропроводы) и обычно монтируется на открытом воздухе, температура которого в северных регионах страны в зимние месяцы может опускаться ниже - 60 0С. Это значительно ниже минимально разрешенной температуры применения для данной группы материалов, которая Правилами РТН РФ ограничена уровнем в - 40 0С. Во время холодного пуска, такое оборудование подвергается динамическому нагружению (газо- или гидродинамическим ударам) имея температуру металла равную температуре окружающей среды
Эксплуатационные температуры оборудования достигают 340-370 0С. Таким образом, за температурный режим эксплуатации вспомогательного энергетического оборудования следует принимать диапазон от – 65 0С до + 370 0С. Срок службы оборудования на ряде предприятий нефте- и газодобывающей промышленности, расположенных в северных районах, уже превзошел расчетный ресурс, составляющий, согласно Правилам устройства и безопасной эксплуатации РТН РФ на соответствующие группы оборудования – 100 тыс. ч.
Анализ повреждаемости этого оборудования в северных регионах страны свидетельствует, что надежность его эксплуатации в зимние месяцы в 3 – 6 раз ниже, чем в иные времена года, а повышенный уровень аварийности, в первую очередь, обусловлен возникновением и развитием хрупких трещин в зонах термического влияния монтажных ремонтных сварных соединений.
В табл. 1 приведены данные об ударной вязкости и работе развития трещины металла вырезок из элементов вспомогательного энерготехнологического оборудования, отработавшего расчетный срок службы. В качестве базового свойства, определяющего работоспособность металла оборудования в режиме динамического нагружения при холодном пуске была выбрана ударная вязкость сталей. В работе были использованы образцы для испытаний на сопротивление хрупкому разрушению, которое оценивали по удельной работе развития трещины KCTδ .
Как видно из приведенных в табл.1 данных разрушение металла оборудования связано с потерей запасов пластичности и вязкости, что приводит к развитию зернограничных хрупких трещин. Эти трещины распространяются, в основном, по границам наследственных аустенитных зерен, твердый раствор которых обогащен сегрегациями примесных атомов, в первую очередь сегрегацией наиболее опасной примеси – атомами фосфора. Развитие фосфорных сегрегаций в таком оборудовании связано с особенностями его эксплуатации, а именно наличием кратковременных технологических разогревов до температур свыше 400 0С, проведением ремонтных, в частности, сварочных работ, когда температура металла в зоне термического влияния сварного шва превышает 400-градусный рубеж.
Таблица 1. Механические свойства металла вырезок из оборудования.
Вид оборудо- Марка
вания
стали
Парамеры эксплуата-
ции
Ударная вязкость T KCV, МДж/м2,
окр. при температуре ср., Т, 0С
Ударная вязкость KCV, МДж/м2,
при температуре Т, 0С
Т, 0С τ, т. 0С 20 -40 -60 20 -40 -60 час
Паропровод бурой установки Верхний барабан котла ДКВР-4/13 (буровая установка) Межцеховой паропровод Топливная магистраль
10 20 20 20
245 252 – 58 1,12 0,44 0,14 0,66 0,18 0,06
250 252 – 58 1,14 0,37 0,19 0,53 0,14 0,03
340 145 – 49 1,05 0,33 0,16 0,51 0,12 0,06
± 20 140
262 0,5
– 65 0,75 0,24 0,14 0,37 0,09 0,06
Сосуд давления (паросборник) технологической лини
20
370 130 – 61 0,62 0,14 0,12 0,31 0,08 0,05
Известна однозначная взаимосвязь между интенсивностью развития зернограничных сегрегаций вредных примесей, размером зерен углеродистых сталей, их хладостойкостью, прочностными и вязкими свойствами, условиями зарождения и развития как вязкой, так и хрупкой трещины.
В работе были проанализированы пути повышения эксплуатационной надежности энерготехнологического оборудования эксплуатируемого в условиях Крайнего Севера. Это может быть достигнуто уменьшением размеров зерен сталей путем микролегирования их ванадием и ниобием пределах растворимости этих элементов в твердом растворе, а также заменой традиционной термической обработки – нормализации на термоциклическую обработку. В табл.2. приведены данные о фактических размерах зерен сталей после введения микролегирующих добавок и выполнения режима ТЦО. Результаты исследований свойств сталей приведены в табл. 3 и на рис.1 (см. приложение 1). Как следует из приведенных результатов главенствующим фактором в снижении температуры вязко-хрупкого перехода является размер зерна. Причем роль размера зерен усиливается по мере уменьшения его средних значений в стали.
Так при уменьшении среднего размера зерен с 80 до 40 мкм переходная температура вязко-хрупкого перехода понижается всего на 15-20 градусов, у сталей легированных ванадием и ниобием на 12-16 градусов. При большей степени измельчения – уменьшения размеров зерен от 40 до 6-8 мкм понижение Тхр у углеродистых сталей составило 55-60 градусов, у сталей с ванадием и ниобием – около 90 градусов, понижение тем интенсивнее, чем меньше диаметры зерен у сравниваемых сталей. Влияние микролегирования должно рассматриваться только в контексте их роли в уменьшении размеров действительного зерна углеродистых сталей.
Таблица 2. Влияние режима термической обработки и микролегирования на размер
зерен.
Режим термической
Марка стали, средний диаметр зерна (мкм)
обработки
10* 20* 20Ф
20Б
Состояние поставки
(нормализация с про- 85 – 70
88 – 75 65 – 50**
58 – 50
катного нагрева)
Нормализация 900 0С,
1 час охлаждение на 80 – 60
79 – 55
55 – 40
55 – 35
воздухе
Нормализация 900 0С,
1 час, охлаждение в струе воздуха νв ~ 10
70 – 42
68 – 50
51 – 26
45 – 21
м/с
Термоциклическая об-
работка по режиму
Гомогенизация 1100 °С – 2 ч +
при 34 – 18**
31 – 21
14 – 8
15 – 7
4-кратное ТЦО в меж-
критическом интервале
с охлаждением на воздухе – 1, 3 и 4 циклов и в воде после 2-го цикла1 * средние данные по материалам различных плавок: для стали 20 – 21 плавка,
сталь 20 – 22 плавки, сталь 20Ф – 11 и сталь 20Б -7 плавок; ** Для дополнительного измельчения зерен в стали 10 и 20 до 10-6 мкм последнее
охлаждение при ТЦО – в воду. Для увеличения размеров зерна в сталях 20Ф и 20Б
до 80-85 мкм использовался режим, включающий в себя комбинированное охлаждение – до 400 0С в печи, затем – охлаждение на воздухе.
Следует подчеркнуть, что при одинаковых размерах зерен микролегирование не только не понижает, а даже повышает Тхр. Так при 80 мкм Тхр стали 10 – 274 К, стали 20 – 282 К, 20Ф – 288 и 20Б – 287 К. Такой эффект может быть объяснен увеличением напряжения трения в уравнении Коттрелла-Петча и связан с легированием и, как следствие, увеличением числа дефектов в твердом растворе стали.
Таким образом, положительный эффект микролегирования стали ванадием и ниобием достигается не за счет их положительного влияния на свойства твердого раствора стали, а только за счет дополнительно измельчения размеров зерен, когда после одного и того же режима термической обработки углеродистой стали и стали, легированной этими элементами размеры зерен значительно понижаются (табл. 2).
Таблица 3. Влияние микролегирования и термической обработки на трещиностой-
кость и механические свойства углеродистых сталей.
Режим термической об-
№ работки
Сталь
Механические свойства
σв σ0,2
δ5
K
293К Ic
3)
МПа
МПа· % м1/2
Балл аустенита
Σприм
2)
(ат. %)
1 Нагрев 900 °С, выдержка 2 ч,
20 485 270 19 48 5 20Ф-13) 610 410 28 51 8
24,3 16,0
охлаждение на воздухе 20Ф-2 590 360 33 54 7–8 16,2
20Б 610 375 31 54 7
16,8
20Т 600 370 30 55 7–8 16,6
2 Нагрев 940 °С,
выдержка 2 ч, охлаждение в воде + отпуск
20
473 251 14
60
– 19,4
при 600 °С – 1 ч
3 Гомогенизация при 1100°С – 2 ч + режим 2
20 525 280 23
54
– 17,0
4 Гомогенизация при
20
563 351 24 70 9-10 11,6
1100 °С – 2 ч + 4-
20ФЛ-2 640 460 28 74 12 8,8
кратное ТЦО в межкри- 20БЛ 625 430 29 76 11–12 9,1
тическом интервале с 20ФЛ-1 640 470 26 69 11 9,0
охлаждением на возду- 20ТЛ 655 480 28 74 12 9,1
хе – 1, 3 и 4 циклов и в воде после 2-го цикла1)
1) Режим, принятый на ОАО «Ижорские заводы» 2) Содержание примесных атомов в слое толщиной 10 Å 3) 20ФЛ-1 (0,15 % V), 20ФЛ-2 (0,12 % V). Содержание Nb – 0,06 %; Mo – 0,15 %, Ti
– 0,03 %
Таким образом, на основании приведенных исследований представляется возможным констатировать факт, что ведущую роль в формировании эксплутационных свойств стали будут играть мероприятия направленные на измельчение зерен стали. Снижение размеров зерен повышает температуру вязко-хрупкого перехода, повышает трещиностойкость и предел текучести, а следовательно и выносливость сталей. Микролегирование углеродистых сталей ванадием и ниобием, как фактор дополнительного измельчения зерен, необходимо признать благоприятным повышением работоспособности стали в климатических условиях Сибири и Крайнего Севера.
Взаимосвязь механических свойств сталей, их переходной температуры хрупкости и трещиностойкости с размерами зерен, по нашему мнению, должна быть объяснена с позиции степени загрязненности границ зерен сталей примесными элементами. В табл. 3 приведены данные о степени загрязненности границ примесями, в первую очередь фосфором, в зависимости от размеров зерен. Как следует из данных табл. 3 суммарное содержание примесей в границах зерен (Σприм), приходящееся на единицу площади границ, уменьшается по мере увеличения общей площади границ зерен; эквидистентно с уменьшением Σприм растет величина трещиностойкости, понижается температура вязко-хрупкого перехода, топография поверхностей разрушения образцов сталей смещается в сторону более вязких форм ямочного отрыва.
Основным способом сборки конструкций из углеродистых сталей является сварка. Известно, что наиболее опасными зонами, т.е. зонами максимального охрупчивания у этих материалов, являются те области зоны термического влияния, которые в процессе сварки были нагреты до температур 250-300 0С. Возникающие в таких областях термические напряжения могут привести к деформационному старению и, как следствие, охрупчиванию конструкции, повышению переходной температуры вязко-хрупкого перехода сварного соединения, по сравнению с Тхр основного металла.
Деформационное старение – имитация зоны термических остаточных напряжений была создана путем одноосного статического растяжения образцов сталей нагретых до 250-300 0С. Величина пластической деформации образцов в ходе нагрева составила 10 %. Скорость растяжения образца составила 314 % в час.
Известно, что деформационное старение должно повышать предел текучести стали, смещает вязко-хрупкого перехода в сторону положительных температур. Результаты исследований свойств сталей показаны на рис. 2 , а в табл. 4 и 5 приведены уравнения регрессии зависимости температуры вязко-хрупкого перехода и изменения предела текучести в сталях от размера зерен.
Таблица 4. Взаимосвязь размеров зерен углеродистых сталей с пределом текучести в
условиях деформационного старения.
Марка стали
Уравнение регрессии
Число точек
Стандартное отклонение
10 20 20Ф 20Б
σ0,2 = 364,7 + 16,7 d -1/2 σ0,2 = 392,2 + 15,3 d -1/2 σ0,2 = 384,8 + 22,8 d -1/2 σ0,2 = 381,7 + 20,6 d -1/2
14 12 11 7
14,3 12,6 11,7 14,9
Как следует из результатов опытов по изменению предела текучести в условиях
деформационного старения - в сталях наблюдается прирост величины этой характе-
ристики, по отношению к недеформированному состоянию, причем интенсивность
этого приращения увеличивается по мере уменьшения размеров зерен.
Таблица 5. Взаимосвязь размеров зерен углеродистых сталей с переходной темпера-
турой вязко-хрупкого перехода в условиях деформационного старения.
Марка стали
Уравнение регрессии
Число точек
Стандартное отклонение
10 20 20Ф 20Б
Тхр = 410 – 44,9 ln d -1/2 Тхр = 426 – 48,7 ln d -1/2 Тхр = 451,7 – 74,1 ln d -1/2 Тхр = 460,2 – 79,4 ln d -1/2
14 12 11 7
14,3 12,6 11,7 14,9
Так
для
сталей
10
и
20
величина
∆σ 10 0,2
(при
среднем
размере
зерен
80
мкм)
со-
ставила 230-250 МПа, при d = 10 мкм – 270-290 МПа. Еще более резкие изменения
∆σ0,2
отмечены
для
сталей
легированных
ванадием
и
ниобием:
∆σ 80 0,2
–
240-260
МПа,
∆σ 10 0,2
–
310-320
МПа.
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Приложение 1
а)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм б)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм в)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм г)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм Рис.1 Влияние среднего размера зерен на переходную температуру
вязко-хрупкого перехода
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
а)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм б)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм в)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм г)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм Рис. 2 Влияние размеров зерен на переходную температуру хрупко-вязкого перехода сталей после деформационного старения: а) – сталь 10; б) – сталь 20; в) – сталь 20Ф; г) – сталь 20Б.
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Надежность материалов энерготехнологического назначения при эксплуатации в Северных регионах России
Каргинова В.В., д.т.н., проф. Ермаков Б.С.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Одной из наиболее повреждаемых групп оборудования, эксплуатируемого в условиях климатического холода, является вспомогательное энерготехнологическое оборудование, изготавливаемое из углеродистых сталей марок 10 и 20 по ГОСТ 1050-88. Эти стали используются при производстве паро-, газо- и водопроводов технологических линий, бойлеров, ресиверов, корпусов фильтров, сосудов и топливных емкостей. Подобное оборудования не задействовано напрямую в технологической цепочке основного производства, а обслуживает ее потребности (по сжатому воздуху, пару, холодной и горячей воде, топливу и т. п., как, например, межцеховые паропроводы) и обычно монтируется на открытом воздухе, температура которого в северных регионах страны в зимние месяцы может опускаться ниже –60° С.
Ключевые слова: энерготехнологическое назначение, надежность и эксплуатация материалов.
Одной из наиболее повреждаемых групп оборудования, эксплуатируемого в условиях климатического холода, является вспомогательное энерготехнологическое оборудование, изготавливаемое из углеродистых сталей марок 10 и 20 по ГОСТ 1050-88. Эти стали используются при производстве паро-, газо- и водопроводов технологических линий, бойлеров, ресиверов, корпусов фильтров, сосудов и топливных емкостей. Подобное оборудования не задействовано напрямую в технологической цепочке основного производства, а обслуживает ее потребности (по сжатому воздуху, пару, холодной и горячей воде, топливу и т.п., как, например, межцеховые паропроводы) и обычно монтируется на открытом воздухе, температура которого в северных регионах страны в зимние месяцы может опускаться ниже - 60 0С. Это значительно ниже минимально разрешенной температуры применения для данной группы материалов, которая Правилами РТН РФ ограничена уровнем в - 40 0С. Во время холодного пуска, такое оборудование подвергается динамическому нагружению (газо- или гидродинамическим ударам) имея температуру металла равную температуре окружающей среды
Эксплуатационные температуры оборудования достигают 340-370 0С. Таким образом, за температурный режим эксплуатации вспомогательного энергетического оборудования следует принимать диапазон от – 65 0С до + 370 0С. Срок службы оборудования на ряде предприятий нефте- и газодобывающей промышленности, расположенных в северных районах, уже превзошел расчетный ресурс, составляющий, согласно Правилам устройства и безопасной эксплуатации РТН РФ на соответствующие группы оборудования – 100 тыс. ч.
Анализ повреждаемости этого оборудования в северных регионах страны свидетельствует, что надежность его эксплуатации в зимние месяцы в 3 – 6 раз ниже, чем в иные времена года, а повышенный уровень аварийности, в первую очередь, обусловлен возникновением и развитием хрупких трещин в зонах термического влияния монтажных ремонтных сварных соединений.
В табл. 1 приведены данные об ударной вязкости и работе развития трещины металла вырезок из элементов вспомогательного энерготехнологического оборудования, отработавшего расчетный срок службы. В качестве базового свойства, определяющего работоспособность металла оборудования в режиме динамического нагружения при холодном пуске была выбрана ударная вязкость сталей. В работе были использованы образцы для испытаний на сопротивление хрупкому разрушению, которое оценивали по удельной работе развития трещины KCTδ .
Как видно из приведенных в табл.1 данных разрушение металла оборудования связано с потерей запасов пластичности и вязкости, что приводит к развитию зернограничных хрупких трещин. Эти трещины распространяются, в основном, по границам наследственных аустенитных зерен, твердый раствор которых обогащен сегрегациями примесных атомов, в первую очередь сегрегацией наиболее опасной примеси – атомами фосфора. Развитие фосфорных сегрегаций в таком оборудовании связано с особенностями его эксплуатации, а именно наличием кратковременных технологических разогревов до температур свыше 400 0С, проведением ремонтных, в частности, сварочных работ, когда температура металла в зоне термического влияния сварного шва превышает 400-градусный рубеж.
Таблица 1. Механические свойства металла вырезок из оборудования.
Вид оборудо- Марка
вания
стали
Парамеры эксплуата-
ции
Ударная вязкость T KCV, МДж/м2,
окр. при температуре ср., Т, 0С
Ударная вязкость KCV, МДж/м2,
при температуре Т, 0С
Т, 0С τ, т. 0С 20 -40 -60 20 -40 -60 час
Паропровод бурой установки Верхний барабан котла ДКВР-4/13 (буровая установка) Межцеховой паропровод Топливная магистраль
10 20 20 20
245 252 – 58 1,12 0,44 0,14 0,66 0,18 0,06
250 252 – 58 1,14 0,37 0,19 0,53 0,14 0,03
340 145 – 49 1,05 0,33 0,16 0,51 0,12 0,06
± 20 140
262 0,5
– 65 0,75 0,24 0,14 0,37 0,09 0,06
Сосуд давления (паросборник) технологической лини
20
370 130 – 61 0,62 0,14 0,12 0,31 0,08 0,05
Известна однозначная взаимосвязь между интенсивностью развития зернограничных сегрегаций вредных примесей, размером зерен углеродистых сталей, их хладостойкостью, прочностными и вязкими свойствами, условиями зарождения и развития как вязкой, так и хрупкой трещины.
В работе были проанализированы пути повышения эксплуатационной надежности энерготехнологического оборудования эксплуатируемого в условиях Крайнего Севера. Это может быть достигнуто уменьшением размеров зерен сталей путем микролегирования их ванадием и ниобием пределах растворимости этих элементов в твердом растворе, а также заменой традиционной термической обработки – нормализации на термоциклическую обработку. В табл.2. приведены данные о фактических размерах зерен сталей после введения микролегирующих добавок и выполнения режима ТЦО. Результаты исследований свойств сталей приведены в табл. 3 и на рис.1 (см. приложение 1). Как следует из приведенных результатов главенствующим фактором в снижении температуры вязко-хрупкого перехода является размер зерна. Причем роль размера зерен усиливается по мере уменьшения его средних значений в стали.
Так при уменьшении среднего размера зерен с 80 до 40 мкм переходная температура вязко-хрупкого перехода понижается всего на 15-20 градусов, у сталей легированных ванадием и ниобием на 12-16 градусов. При большей степени измельчения – уменьшения размеров зерен от 40 до 6-8 мкм понижение Тхр у углеродистых сталей составило 55-60 градусов, у сталей с ванадием и ниобием – около 90 градусов, понижение тем интенсивнее, чем меньше диаметры зерен у сравниваемых сталей. Влияние микролегирования должно рассматриваться только в контексте их роли в уменьшении размеров действительного зерна углеродистых сталей.
Таблица 2. Влияние режима термической обработки и микролегирования на размер
зерен.
Режим термической
Марка стали, средний диаметр зерна (мкм)
обработки
10* 20* 20Ф
20Б
Состояние поставки
(нормализация с про- 85 – 70
88 – 75 65 – 50**
58 – 50
катного нагрева)
Нормализация 900 0С,
1 час охлаждение на 80 – 60
79 – 55
55 – 40
55 – 35
воздухе
Нормализация 900 0С,
1 час, охлаждение в струе воздуха νв ~ 10
70 – 42
68 – 50
51 – 26
45 – 21
м/с
Термоциклическая об-
работка по режиму
Гомогенизация 1100 °С – 2 ч +
при 34 – 18**
31 – 21
14 – 8
15 – 7
4-кратное ТЦО в меж-
критическом интервале
с охлаждением на воздухе – 1, 3 и 4 циклов и в воде после 2-го цикла1 * средние данные по материалам различных плавок: для стали 20 – 21 плавка,
сталь 20 – 22 плавки, сталь 20Ф – 11 и сталь 20Б -7 плавок; ** Для дополнительного измельчения зерен в стали 10 и 20 до 10-6 мкм последнее
охлаждение при ТЦО – в воду. Для увеличения размеров зерна в сталях 20Ф и 20Б
до 80-85 мкм использовался режим, включающий в себя комбинированное охлаждение – до 400 0С в печи, затем – охлаждение на воздухе.
Следует подчеркнуть, что при одинаковых размерах зерен микролегирование не только не понижает, а даже повышает Тхр. Так при 80 мкм Тхр стали 10 – 274 К, стали 20 – 282 К, 20Ф – 288 и 20Б – 287 К. Такой эффект может быть объяснен увеличением напряжения трения в уравнении Коттрелла-Петча и связан с легированием и, как следствие, увеличением числа дефектов в твердом растворе стали.
Таким образом, положительный эффект микролегирования стали ванадием и ниобием достигается не за счет их положительного влияния на свойства твердого раствора стали, а только за счет дополнительно измельчения размеров зерен, когда после одного и того же режима термической обработки углеродистой стали и стали, легированной этими элементами размеры зерен значительно понижаются (табл. 2).
Таблица 3. Влияние микролегирования и термической обработки на трещиностой-
кость и механические свойства углеродистых сталей.
Режим термической об-
№ работки
Сталь
Механические свойства
σв σ0,2
δ5
K
293К Ic
3)
МПа
МПа· % м1/2
Балл аустенита
Σприм
2)
(ат. %)
1 Нагрев 900 °С, выдержка 2 ч,
20 485 270 19 48 5 20Ф-13) 610 410 28 51 8
24,3 16,0
охлаждение на воздухе 20Ф-2 590 360 33 54 7–8 16,2
20Б 610 375 31 54 7
16,8
20Т 600 370 30 55 7–8 16,6
2 Нагрев 940 °С,
выдержка 2 ч, охлаждение в воде + отпуск
20
473 251 14
60
– 19,4
при 600 °С – 1 ч
3 Гомогенизация при 1100°С – 2 ч + режим 2
20 525 280 23
54
– 17,0
4 Гомогенизация при
20
563 351 24 70 9-10 11,6
1100 °С – 2 ч + 4-
20ФЛ-2 640 460 28 74 12 8,8
кратное ТЦО в межкри- 20БЛ 625 430 29 76 11–12 9,1
тическом интервале с 20ФЛ-1 640 470 26 69 11 9,0
охлаждением на возду- 20ТЛ 655 480 28 74 12 9,1
хе – 1, 3 и 4 циклов и в воде после 2-го цикла1)
1) Режим, принятый на ОАО «Ижорские заводы» 2) Содержание примесных атомов в слое толщиной 10 Å 3) 20ФЛ-1 (0,15 % V), 20ФЛ-2 (0,12 % V). Содержание Nb – 0,06 %; Mo – 0,15 %, Ti
– 0,03 %
Таким образом, на основании приведенных исследований представляется возможным констатировать факт, что ведущую роль в формировании эксплутационных свойств стали будут играть мероприятия направленные на измельчение зерен стали. Снижение размеров зерен повышает температуру вязко-хрупкого перехода, повышает трещиностойкость и предел текучести, а следовательно и выносливость сталей. Микролегирование углеродистых сталей ванадием и ниобием, как фактор дополнительного измельчения зерен, необходимо признать благоприятным повышением работоспособности стали в климатических условиях Сибири и Крайнего Севера.
Взаимосвязь механических свойств сталей, их переходной температуры хрупкости и трещиностойкости с размерами зерен, по нашему мнению, должна быть объяснена с позиции степени загрязненности границ зерен сталей примесными элементами. В табл. 3 приведены данные о степени загрязненности границ примесями, в первую очередь фосфором, в зависимости от размеров зерен. Как следует из данных табл. 3 суммарное содержание примесей в границах зерен (Σприм), приходящееся на единицу площади границ, уменьшается по мере увеличения общей площади границ зерен; эквидистентно с уменьшением Σприм растет величина трещиностойкости, понижается температура вязко-хрупкого перехода, топография поверхностей разрушения образцов сталей смещается в сторону более вязких форм ямочного отрыва.
Основным способом сборки конструкций из углеродистых сталей является сварка. Известно, что наиболее опасными зонами, т.е. зонами максимального охрупчивания у этих материалов, являются те области зоны термического влияния, которые в процессе сварки были нагреты до температур 250-300 0С. Возникающие в таких областях термические напряжения могут привести к деформационному старению и, как следствие, охрупчиванию конструкции, повышению переходной температуры вязко-хрупкого перехода сварного соединения, по сравнению с Тхр основного металла.
Деформационное старение – имитация зоны термических остаточных напряжений была создана путем одноосного статического растяжения образцов сталей нагретых до 250-300 0С. Величина пластической деформации образцов в ходе нагрева составила 10 %. Скорость растяжения образца составила 314 % в час.
Известно, что деформационное старение должно повышать предел текучести стали, смещает вязко-хрупкого перехода в сторону положительных температур. Результаты исследований свойств сталей показаны на рис. 2 , а в табл. 4 и 5 приведены уравнения регрессии зависимости температуры вязко-хрупкого перехода и изменения предела текучести в сталях от размера зерен.
Таблица 4. Взаимосвязь размеров зерен углеродистых сталей с пределом текучести в
условиях деформационного старения.
Марка стали
Уравнение регрессии
Число точек
Стандартное отклонение
10 20 20Ф 20Б
σ0,2 = 364,7 + 16,7 d -1/2 σ0,2 = 392,2 + 15,3 d -1/2 σ0,2 = 384,8 + 22,8 d -1/2 σ0,2 = 381,7 + 20,6 d -1/2
14 12 11 7
14,3 12,6 11,7 14,9
Как следует из результатов опытов по изменению предела текучести в условиях
деформационного старения - в сталях наблюдается прирост величины этой характе-
ристики, по отношению к недеформированному состоянию, причем интенсивность
этого приращения увеличивается по мере уменьшения размеров зерен.
Таблица 5. Взаимосвязь размеров зерен углеродистых сталей с переходной темпера-
турой вязко-хрупкого перехода в условиях деформационного старения.
Марка стали
Уравнение регрессии
Число точек
Стандартное отклонение
10 20 20Ф 20Б
Тхр = 410 – 44,9 ln d -1/2 Тхр = 426 – 48,7 ln d -1/2 Тхр = 451,7 – 74,1 ln d -1/2 Тхр = 460,2 – 79,4 ln d -1/2
14 12 11 7
14,3 12,6 11,7 14,9
Так
для
сталей
10
и
20
величина
∆σ 10 0,2
(при
среднем
размере
зерен
80
мкм)
со-
ставила 230-250 МПа, при d = 10 мкм – 270-290 МПа. Еще более резкие изменения
∆σ0,2
отмечены
для
сталей
легированных
ванадием
и
ниобием:
∆σ 80 0,2
–
240-260
МПа,
∆σ 10 0,2
–
310-320
МПа.
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Приложение 1
а)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм б)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм в)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм г)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм Рис.1 Влияние среднего размера зерен на переходную температуру
вязко-хрупкого перехода
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К
а)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм б)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм в)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм г)
Средний размер (диаметр) зерен, d, мкм Рис. 2 Влияние размеров зерен на переходную температуру хрупко-вязкого перехода сталей после деформационного старения: а) – сталь 10; б) – сталь 20; в) – сталь 20Ф; г) – сталь 20Б.
Температура вязко-хрупкого пере-
хода, Тхр, К