ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2012, том 113, № 5, с. 507-516
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.1'26'24'786:539.89
МИКРОСТРУКТУРА И СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СВАРИВАЕМОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ
© 2012 г. В. М. Счастливцев*, Т. И. Табатчикова*, И. Л. Яковлева*, С. Ю. Клюева*, А. А. Круглова**, Е. И. Хлусова**, В. В. Орлов**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", Санкт-Петербург Поступила в редакцию 02.06.2011 г.; в окончательном варианте — 24.10.2011 г.
Методами металлографии и просвечивающей электронной микроскопии исследована структура листового проката из трубной стали класса Х90, произведенного по различным технологическим схемам упрочнения — закалки с прокатного нагрева (ЗПН) с последующим высоким отпуском и двухстадийной термомеханической обработки с ускоренным охлаждением до заданной температуры (ТМО). Установлена взаимосвязь между характером структуры и уровнем механических свойств листового проката. Показано, что двухстадийная ТМО имеет существенные преимущества перед закалкой с прокатного нагрева, что связано с формированием при ТМО высокодисперсной структуры бейнита с субзеренным строением.
Ключевые слова: низкоуглеродистая сталь, термомеханическая обработка, закалка с прокатного нагрева, структура, механические свойства.
Дальнейшее развитие трубопроводного транспорта связано с необходимостью строительства сверхдальних газо- и нефтепроводов, которые будут прокладываться и эксплуатироваться в сложных климатических условиях, в северных регионах с температурой до минус 40°С и будут рассчитаны на более высокое давление. Достижение равной надежности материала при сохранении класса прочности требует увеличения толщины стенки трубы, что закономерно вызывает трудности с обеспечением заданного комплекса свойств листового проката. С металлургической точки зрения увеличение толщины стенки трубы (толщины штрипса) приводит к тому, что практически невозможно обеспечить требуемый уровень прочности в сочетании с высокой хладостойко-стью для штрипса толщиной 20—25 мм при использовании традиционных технологий производства. Поэтому перспективным является переход на производство труб из штрипса повышенного класса прочности Х90, а в последствии и Х100, что позволит в меньшей степени увеличивать толщину стенки трубы и обеспечить требуемый уровень свойств.
Основным способом достижения высокого комплекса механических свойств является совершенствование технологии термической и термомеханической обработок. Для большинства конструкционных сталей наиболее распространенной технологической операцией является закалка с отдельного нагрева с последующим высоким от-
пуском (улучшение), которая позволяет получить оптимальное сочетание прочности, пластичности и сопротивляемости хрупким разрушениям [1]. Для штрипсового проката альтернативой улучшению является термомеханическое упрочнение, позволяющее сформировать требуемый комплекс свойств стали, за счет горячей пластической деформации в заданном температурном интервале с последующим ускоренным охлаждением [2, 3].
Одной из разновидностей термомеханического упрочнения является закалка с прокатного нагрева (ЗПН) [4]. Прочностные свойства стали после такой закалки выше, чем после обычной закалки с дополнительного нагрева. Кроме того, сталь, закаленная с прокатного нагрева, более устойчива по отношению к отпуску [5, 6]. Это позволяет при получении требуемой прочности поднять температуру окончательного высокого отпуска, что оказывает положительное влияние на эксплуатационные характеристики стали, в том числе в составе сварных конструкций. Повышение устойчивости по отношению к отпуску имеет также и другое значение, поскольку околошовная зона сварного соединения неизбежно претерпевает нагрев до температур отпуска и связанное с этим нагревом разупрочнение, что крайне нежелательно, так как снижает механические свойства сварного соединения в целом.
Штрипсовый прокат, предназначенный для строительства магистральных трубопроводов, эксплуатирующихся в сложных климатических
Таблица 1. Химический состав стали класса Х90, мас. %
С Si Мп Сг N1 Си А1 Т1 Мо V Р S
0.06 0.25 1.92 0.03 0.40 0.20 0.04 0.015 0.31 0.048 0.005 0.006 0.002
условиях, должен иметь и высокую прочность, и хорошую хладостойкость. Одновременное повышение прочности и хладостойкости низкоуглеродистых низколегированных сталей может быть достигнуто за счет создания высокодисперсной фрагментированной структуры. Хладостойкость стали определяется в основном размером зерен, состоянием границ зерен, выделениями карбидной фазы и другими параметрами, которые зависят от легирования и технологии производства. Известно, что температура перехода сталей в хрупкое состояние существенно понижается при измельчении величины зерна [7], образование субзеренной структуры также вносит определенный вклад в повышение хладостойкости [8, 9]. Закалка с прокатного нагрева с последующим высоким отпуском позволяет провести необходимую фрагментацию структуры за счет полигонизации а-фазы, происходящей при высокотемпературном отпуске. Однако выделение карбидов при отпуске может явиться фактором, повышающим температуру вязко-хрупкого перехода и снижающим сопротивление хрупкому разрушению [7].
Другим способом создания фрагментирован-ной структуры бейнита является двухстадийная термомеханическая обработка, позволяющая получать высокую плотность дефектов кристаллического строения и субзеренное строение бейни-та, которое наследуется им от горячедеформиро-ванного аустенита при у ^ а-превращении [8, 9]. Однако известно, что повышенная плотность дислокаций, свойственная термомеханически упрочненным сталям, может отрицательно повлиять на критическую температуру снижения ударной вязкости [7].
Целью настоящей работы являлось сравнительное исследование структуры и механических свойств низколегированной штрипсовой стали класса Х90, произведенной по двум технологическим схемам упрочнения: закалки с прокатного нагрева (ЗПН) с последующим высоким отпуском и двухстадийной термомеханической обработки с ускоренным охлаждением до заданной температуры (ТМО). Главная задача состояла в определении возможности создания в штрипсо-вом прокате высоко дисперсной структуры, позволяющей обеспечить высокий уровень механических свойств.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследований были выбраны листы стали класса Х90 после двух различных обработок — закалки с прокатного нагрева (с дополнительным отпуском) и двухстадийной термомеханической обработки, толщиной 20 и 16 мм соответственно. При ЗПН горячая деформация производилась в одну стадию, в температурном интервале (1007— 970)°С. По технологии двухстадийной термомеханической обработки первая (черновая) стадия деформации производилась в температурном интервале (1001—929)°С, а вторая (чистовая) стадия — при температурах (750—713)°С. Ускоренное охлаждение проводилось в температурном интервале от 684 до 350°С.
Химический состав стали (содержание аусте-нитообразующих и карбидообразующих элементов) приведен в табл. 1.
Из листового проката вырезались образцы размером 10 х 10 х 55 для испытаний на ударный изгиб, а также образцы размером 120 х 280 х к мм (к — толщина листа) для испытаний падающим грузом (ИПГ), длинная ось образцов располагалась поперек направления прокатки. Направление удара — вдоль направления прокатки. Испытания на ударный изгиб на образцах с К-образ-ным надрезом проводили по ГОСТ 9454 при температуре минус 40°С.
Образцы для исследования микроструктуры были вырезаны из листового проката из приповерхностного слоя и из середины листа по толщине. Металлографические исследования проводились на микроскопе №орИо1-30 после травления шлифов в 3% спиртовом растворе НМ03. Уточнение типа структурных составляющих и анализ их морфологии проводили на просвечивающем микроскопе JEM-200СХ с использованием тем-нопольного и микродифракционного анализа.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 2 приведены механические свойства стали после ТМО, закалки с прокатного нагрева и ЗПН с последующим отпуском при двух температурах 710°С и 750°С в течение 30 мин.
Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что закалка с прокатного нагрева обеспечивает высокий уровень прочностных свойств стали марки Х90, на 60—70 МПа превышающий верхний пре-
Таблица 2. Механические свойства стали Х90, обработанной по различным схемам термомеханического упрочнения
№ Режим ст02, МПа ств, МПа 5, % ^0.2/^в КСУ-40, Дж/см2 ИПГ -20°С, %
Требования >625 695-915 >14 <0.94 >140 >90
1 ЗПН (1) 888 968 13.5 0.92 5; 5
(2) 901 972 11.6 0.93 5; 5
2 ЗПН + отп. 710°, 30 мин (1) 632 828 16.3 0.76 40; 36; 35
(2) 658 818 16.9 0.8
3 ЗПН + отп. 750°, 30 мин (1) 579 807 17.0 0.72 174; 189; 195 100
(2) 613 787 18.0 0.72
4 ТМО (1) 790 840 15.5 0.94 227; 270; 282 100
(2) 790 850 16.0 0.93
Примечание: (1) — голова, (2) — хвост листа.
дел требований. Однако доля вязкой составляющей в изломе после испытаний падающим грузом при температуре —20°С оказывается чрезвычайно низкой и составляет только 5%. Ниже допустимого уровня 18% оказываются также и значения относительного удлинения, которые составляют 11.6—13.5%. Как и следовало ожидать, отпуск при 710°С привел к падению как предела текучести, так и временного сопротивления до требуемого уровня и повышению значений относительного удлинения, но только до уровня 16—17%. При этом значения ударной вязкости при —40°С оказались значительно ниже требуемого уровня — 35-40 Дж/см2.
При увеличении температуры отпуска до 750°С, т.е. уже в двухфазную а + у-область, значения относительного удлинения, ударной вязкости и количества волокнистой составляющей в изломе при испытаниях падающим грузом повышаются до требуемого уровня. Однако при этом значения предела текучести снижаются и оказываются недопустимо низкими.
Сравнивая результаты механических испытаний стали марки Х90 после ЗПН, ЗПН + отпуск и ТМО (табл. 2), можно отметить, что ТМО обеспечивает более высокий уровень прочностных свойств при очень высоких знач
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.