УДК 669.017:539 4; 669.017:539 52
ИССЛЕДОВАНИЕ СКЛОННОСТИ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ВЫСОКОПРОЧНЫХ БОЛТОВЫХ СТАЛЕЙ, МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ВАНАДИЕМ И АЗОТОМ
© Крутикова Ирина Александровна, ОАО «Уралмашзавод». Россия, г. Екатеринбург E-mail: I.Krutikova@uralmash.ru
Панфилова Людмила Михайловна, канд. техн. наук; Смирнов Леонид Андреевич, член-корр. РАН, д-р техн. наук ОАО «Уральский институт металлов». Россия, г. Екатеринбург
Статья поступила 21.07.2009 г.
Представлены результаты лабораторных и промышленных исследований влияния микролегирования сталей ванадием и азотом на статическую прочность, сопротивление хрупкому разрушению и замедленному разрушению болтовых соединений. Изучали процессы растворения в аустените и выделения при отпуске карбидных и нитридных фаз, микроструктуру, прокаливаемость болтов, результаты фрактографических исследований изломов. Обсуждаются закономерности влияния различных факторов на повышение прочности, хладостойкости, сопротивления замедленному разрушению болтовых сталей, микролегированных ванадием и азотом.
Ключевые слова: микролегирование стали ванадием и азотом; прочность; хладостойкость; замедленное разрушение.
Болты из высокопрочных сталей находят широкое применение во многих областях промышленности и строительства, поскольку их использование способствует решению одной из важнейших задач — облегчению конструкций, работающих в промышленной среде. Однако с ростом прочности болтовых соединений из обычных закаленных и отпущенных сталей выше 1100 Н/мм2 повышается их чувствительность к замедленному разрушению (ЗР), т.е. к неожиданному растрескиванию.
Улучшение сопротивления ЗР высокопрочных болтов является чрезвычайно актуальной проблемой. Большая часть исследователей [1-6] склоняется к тому, что ЗР связано с проникновением водорода в поры микроструктуры, приводящее со временем к растрескиванию. В связи с этим необходимы специальные меры для связывания водорода, способного к диффузии и вызывающего разрушения.
На основании исследований в лабораторных условиях [7] сталей восьми составов, микролегированных ванадием, ванадием и азотом установлено, что микролегирование болтовых сталей ванадием и азотом — один из путей повышения стойкости этих сталей к ЗР. В связи с тем, что сталь 35ХАФ имеет большее сопротивление ЗР в условиях промышленной среды, для дальнейшего сравнительного исследования были выбраны две стали: серийная сталь 40Х и опытная 35ХАФ.
Выплавка серийной стали 40Х осуществлена на металлургическом заводе в мартеновских печах скрап-рудным процессом, стали 35ХАФ — в дуговой электропечи. Химический состав сталей (%) следующий: 40Х — С 0,39; Si 0,30; Мп 0,62; S 0,027; Р 0,031; Сг 0,97; N 0,005; 35ХАФ — С 0,30; Si 0,28; Мп 0,38; S 0,005; Р 0,008; Сг 1,85; N 0,018; Т 0,01; V 0,12.
Из стали промышленных плавок на монтажной фирме были изготовлены болты М18, М22, М27. Термическая обработка болтов состояла из закалки в масле (для стали 40Х — от 880 °С, для стали 35ХАФ — от
950 °С) с нагревом в камерной электропечи и отпуска при 200-600 °С в лабораторной печи.
Механические испытания болтов проводили на машине ЦДМ-200 т путем статического растяжения до полного разрушения с помощью специальных захватов с заранее навинченными гайками. В процессе испытаний определяли величину разрушающего усилия и характер излома. На основании полученных результатов были построены графические зависимости от температуры отпуска средних значений временного сопротивления разрыву ав болтов из стали 40Х и 35ХАФ.
Изучали также распределение твердости в поперечном сечении болтов после различных вариантов обработки.
Испытания на замедленное разрушение проводили в два этапа. На первом этапе — испытания на коррозионное растрескивание (КР) в условиях слабоагрессивной промышленной атмосферы на болтах М27. Растягивающие напряжения в пределах (0,4-0,9) ав в сочетании со свободным доступом коррозионной среды к рабочей поверхности создавали нагружением образцов в динамометрах кольцевого типа или в разрывной машине Р-5. Процесс коррозионного растрескивания сталей в слабоагрессивной промышленной атмосфере в течение недельного цикла испытаний, а именно на территории сернокислотного цеха химкомбинатов, металлургических заводов был воспроизведен и значительно ускорен в лабораторных условиях при следующем недельном цикле испытаний. В течение первых трех суток — в камере влажности с концентрацией SO2, достигающей максимального значения 0,8 мг/л через 2,5 ч после начала испытаний 5 (температура в камере +40 °С в течение 8 ч и +20 °С в . течение 64 ч); в течение следующих четырех суток — » при периодическом погружении в раствор Н2SO4 кон- • центрацией 0,001 моль/дм3 (н). |
При испытаниях оценивали качественные и коли- 5 чественные характеристики процесса КР: по соотно- е
1800
J 1400 ■ о"
1000 600
сгаль 40Х, М18 сгаль 35ХАФ.М18 сгаль 40Х, М22 сгаль 35ХАФ.М22 сгаль 40Х, М27 сталь 35ХАФ, М27
без т.о.
300 Т, "С
Рис. 1. Зависимость средних значений временного сопротивления разрыву ств от температуры отпуска болтов М18, М22, М27 из сталей 40Х и 35ХАФ
40Х
н 300
200
без т.о.
300 Г, "С
Рис. 2. Твердость НУ после отпуска при разных температурах в поперечном сечении болтов М22 из сталей 40Х и 35ХАФ
шению коррозионном стоикости исследуемых сталей в зависимости от изменения прочности и пластичности образцов, если образцы не разрушались; по доле разрушившихся образцов; по зависимости минимального времени до разрушения от нагрузки.
Поскольку образцы в процессе ускоренных коррозионных испытаний не разрушились, о склонности сталей к КР судили по изменению прочности и пластичности образцов (второй этап).
На втором этапе болты, подвергнутые коррозионному растрескиванию, испытывали на кратковременное разрушение под действием статической нагрузки. В процессе испытаний определяли величину разрушающего усилия, по которому вычисляли временное сопротивление разрыву по площади поперечного сечения цилиндра диаметром, равным внутреннему диаметру резьбы.
Для оценки сопротивления сталей хрупкому разрушению определяли ударную вязкость на стандартных образцах с U-образным надрезом, вырезанных из болтов из сталей 35ХАФ и 40Х, обработанных на приблизительно одинаковую прочность 1300 Н/мм2. Болты из стали 35ХАФ подвергали закалке и отпуску при 600 °C, а болты из стали 40Х — закалке и отпуску при 400 °C. Испытания на ударный изгиб проводили при комнатной температуре, при -40 °C и -60 °C.
Испытания на растяжение готовых болтов М18, М22, М27 из стали 35ХАФ после отпуска при температуре 600 °C проведены в интервале температур от 20 до -60 °C.
С целью исследования возможности исключения специальной закалки болтов, в первую очередь анкерных болтов, в масле проводили механические испы-
тания заготовок болтов непосредственно после ускоренного охлаждения после прокатки и последующего отпуска.
Прокаливаемость новой стали оценивали по методике пробных закалок цилиндрических образцов, применяемой в заводских условиях. По полученным данным строили кривые в координатах «расстояние от центра - твердость». Величину зерна аустенита оценивали методом секущих травленных образцов.
Исследовали закономерности растворения — температурные интервалы растворения карбидной и карбонитридной фаз в аустените, а также состав фаз, морфологию, характер распределения ее в матрице с помощью химического анализа фаз, электро-нографического, рентгеноструктурного и электронно-микроскопического методов.
При сопоставлении результатов испытаний прочности болтов различных сечений из сопоставляемых сталей (рис. 1) установлено следующее.
Болты из новой стали имели более высокую прочность по сравнению с болтами из стали 40Х: для болтов M18 — на 14-16%, для болтов M22 — на 11-23%, для болтов М27 — на 23-27%. Таким образом, с увеличением размера болта прирост прочности болтов из стали 35ХАФ увеличивается.
Визуальная оценка изломов болтов из двух сопоставляемых сталей показала, что при низких температурах отпуска излом болтов из стали 40Х в основном хрупкий, часто встречается отрыв головки, разрыв по не надрезанной части. Для стали 35ХАФ характерен так называемый «сухой» волокнистый излом; полное вязкое разрушение наблюдается в болтах, отпущенных при 600 °С.
Наблюдается увеличение твердости болтов из стали, микролегированной ванадием, на 100-200 HV в зависимости от температуры отпуска и наименьший разброс ее значений (рис. 2).
Механические характеристики заготовок болтов после прокатки и отпуска. Временное сопротивление заготовок болтов из стали 35ХАФ после прокатки и последующего отпуска при различных температурах приведено ниже:
Т °C отп ^ ств, Н/мм:
Без отпуска 1450
200 1400
400 1400
500 1450
550 1350
600 1200
Сравнение результатов испытаний заготовок болтов, подвергнутых закалке в масле, и непосредственно после прокатки (ковки) показывает, что уровень свойств после прокатки несколько ниже, но является достаточным. Это позволит исключить операцию закалки с целью улучшения экологической обстановки, уменьшения трудоемкости производства и пр.
Анализ результатов испытаний на коррозионное растрескивание (табл. 1) показывает, что с увеличе-
500
600
100
200
400
600
<400 2-
100
200
400
500
600
2
Таблица 1. Данные испытаний на коррозионное растрескивание образцов болтов из сталей 35ХАФ и 40Х
Сталь Механические свойства (ств, Н/мм2 / 6, %) при различном отношении стразр*/ств
0 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
35ХАФ 1400/15 1400/15 1400/16 1450/15 1450/15,5 1450/15,5 1450/15,5
40Х 1400/12 1450/12 1500/10 1550/10 1550/8 1600/8 1600/8
* оразр — разрушающее напряжение.
Таблица 2. Ударная вязкость исследованных сталей
Ударная вязкость KCU, Дж/см2,
Сталь при температурах испытания, °С
+20 -40 -60
40Х 59 38 27
35ХАФ 101 85 65
Примечание. Сталь 40Х — после отпуска при 400 °С; сталь 35ХАФ — после отпуска при 600 °С,
Таблица 3. Временное сопротивление болтов из стали 35ХАФ при низких температурах испытаний
Размер болта ств, Н/мм2, при различных температурах испытаний, °C
+20 0 -20 -40 -60
М18 1300 1300 1320 1330 1330
М22 1250 1270 1280 1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.