Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»

Основными включениями в хромомарганцевых сталях являются оксиды, карбонитриды, корунды и алюмосиликаты. Практически все они содержат сульфидную фазу. Свыше 90 % частиц содержат основные легирующие элементы и железо, что свидетельствует об определенной когерентности кристаллических решеток основного металла и включений. Преимущественное расположение алюмосиликатов и карбонитридов в межосных участках не приводит к охрупчиванию сталей.

На хрупких изломах количество неметаллических частиц практически равно числу включений на шлифах. Но их роль в развитии хрупкого разрушения, по всей видимости, незначительна. Так, анализ более 200 микрофрактограмм изломов не выявил практически ни одного случая, когда хрупкая трещина распространялась бы от включения, и далее образовывался бы вязкий участок излома. Часто при прохождении трещины около включений образовываются мелкие ямки или пластически продеформировавшиеся участки. Это свидетельствует о том, что в пластичных аустенитных сталях неметаллические включения способны быть релаксаторами напряжений за счет реализации пластической деформации задолго до подхода трещины.

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕР РАЗРУШЕНИЯ

В структуре хромомарганцевых сталей сильно развита дендритная ликвация. Коэффициенты ликвации вычисляются по отношению между концентрациями компонентов в осях дендритов и межосных участках. Для сравнения берутся характеристики ликвации серы в сталях 12Х19Н10ТЛ, которая составляет до 19,9, табл.1.1.

Табл. 1.1. Характеристики ликвации элементов в опытных сталях

В сталях с 8 % хрома обнаруживаются зоны совместной ликвации марганца, никеля и ванадия в межосных участках. С ростом содержания хрома происходит выравнивание концентрации марганца и при 13 % хрома оно становится практически равномерным. Однако при этом сильно проявляется ликвация серы по границам дендритов. При низком содержании хрома выделения серы подавляются за счет повышения содержания раскислителя – марганца в зернограничных участках. Фосфор в хромомарганцевых сталях ликвирует мало.

Вязкие и пластические свойства сильно зависят от степени развития химической неоднородности. Высокая ударная вязкость сталей с низким содержанием хрома объясняется формированием благоприятной гетерогенной структуры, образованной из переплетенных более прочных осей и пластичных межосных участков дендритов. Ликвация ванадия, хотя и приводит к измельчению дендритной структуры, однако, пластичность и вязкость при этом падает из-за хрупкости ликвационных зон. Если в них присутствует никель, то отрицательное воздействие ванадия уменьшается, а значения KCV при 20К поднимаются на 50–60 Дж\см². В сталях с азотом ударная вязкость и пластичность нетермообработанных образцов мала из-за хрупкости областей его сегрегаций.

Рост вязких и пластических характеристик после закалки обусловлен размыванием пиков ликвации азота и его более благоприятным распределением. Совместная ликвация ванадия и азота приводит к образованию карбонитридов, измельчению зерна и уменьшению хрупкости, вносимой азотом. Возрастание значений пластичности и вязкости после закалки в сталях с равномерным распределением легирующих, в частности в сталях с 13 % хрома, происходит за счет растворения части сульфидов марганца и уменьшения сегрегаций по примесям внедрения. Во всех случаях ударная вязкость стали 12Х18Н10ТЛ при криогенных температурах низка, прежде всего, потому, что закалка практически не уменьшает количество и протяженность видимых на шлифе сульфидных плен.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ

Существуют области составов, обладающих высокими показателями механических свойств при криогенных температурах и в литом состоянии. Высокая прочность литых сталей достигается в области составов 8%Cr-20%Mn, высокая низкотемпературная вязкость при легировании 8%Cr-28%Mn, оптимальное сочетание прочностных, пластических, вязких свойств и коррозионной стойкости в сталях состава 13%Cr-28%Mn.

В связи с общей тенденцией вводить азот в хромомарганцевые стали, следует отметить его роль в литых сталях. Введение азота позволяет увеличить предел текучести исследованных литых сталей до 460–520 МПа при комнатной температуре, однако, из-за его резко отрицательного влияния на пластичность, вязкость и энергоемкость деформации и разрушения при криогенных температурах и литейные свойства, легирование им должно быть ограничено.

На формирование свойств заметное влияние оказывает дендритная ликвация. Ее вредное влияние связано с ликвацией примесей внедрения и серы, положительное обусловлено формированием неравномерного распределения легирующих элементов по дендриту. Дендритная структура оказывает отрицательное влияние при неблагоприятном расположении неметаллических включений и сульфидных плен. Уменьшение ликвации вредных примесей и получение неравномерного распределения элементов в структуре обеспечивает ударную вязкость литой стали при 20К до 130 Дж\см².

Представленные положения и результаты исследований позволяют предсказывать составы сталей, которые могут быть использованы в литых деталях криогенной технике и гарантировать надежность и работоспособность сталей при криогенных температурах.

Для практики исследования литых сталей важно пояснить и некоторые особенности методологии исследования литых сталей. Исследования должны быть комплексными, дающими возможность оценить все возможные влияющие факторы. Это означает, что изначально должны выбираться такие методы исследований, которые бы показали полноту и всесторонность исследований и давали бы возможность перекрестной проверки и уточнений. Часто при этом нужно предусматривать, какие исследования должны быть запланированы по результатам основных испытаний механических свойств, или какие методики испытаний или экспериментов должны быть скорректированы по данным анализа литературных данных или данных, полученных от других исследователей.

Получаемые практические данные исследований должны быть хорошо фиксированными. Это особенно выражается в умении вести лабораторные журналы исследований, планировать их, проводить последовательно, когда каждый из этапов дает возможность уточнить особенности проведения следующего этапа.

Начиная с начальных этапов простых испытаний, когда данные просто фиксируются должно развиваться умение их анализировать. В частности, это выражается в том, чтобы уметь находить закономерности в том, что Вы получаете в результате проведенных испытаний. Для уточнения данных испытания должны сопровождаться тестами и экспериментами (отметим, что здесь есть определенное отличие от испытания, выполняемых по стандартным методикам).

Данные должны превращаться в информацию в процессе анализа. Чтобы добиться этого, нужно научиться «свертывать» данные в определенном целевом разрезе. Для этого Вы начинаете проводить сравнительные процедуры между полученными данными, сопоставляя их с теоретическими положениями. Поиск проводится в основном для поиска качественных, количественных закономерностей, используя анализ разницы в свойствах, разностные количественные оценки, включая степенные, например, правильно выбирая шкалы для визуализации найденных закономерностей.

Подробнее эти вопросы мы будем обсуждать в рамках курса.

1.4. Модуль 4. Инжиниринг сталей для литых корпусов криогенной арматуры

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ МОДУЛЯ

Требования к корпусам криогенной арматуры. Расчеты свойств и уточнение требований к сталям.

Литые хромомарганцевые стали и основные области легирующего комплекса для повышения комплекса механических и литейных свойств. Выбор сталей для корпусов криогенной арматуры. Оптимизация сталей.