ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ, ВЫДЕЛЕНИЙ ДИСПЕРСНЫХ ФАЗ, МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И КРИТЕРИЕВ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ СТАЛЕЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ К65 (Х80)
|
Актуальность темы. Повышение эксплуатационных характеристик магистральных газопроводов высокого давления достигается в настоящее время за счет использования труб высокого класса прочности К65 (Х80). Применение современных технологий (внепечной обработки стали, контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением и др.) позволило производить листовой прокат и, соответственно, сварные трубы высокочистые по неметаллическим включениям и примесям, со сверхмелкозернистой структурой, дисперсионно упрочненные частицами карбонитридов на основе V, N6, Т1, с агрегатным упрочнением бейнитом/мартенситом при практически полном отсутствии перлита. Это обусловило формирование высокого комплекса свойств: повышенная прочность листа (труб) сочетается с высокой вязкостью.
Использование сварных труб из новых гетерофазных сталей с ультрадисперсной структурой, поставило на одно из первых мест проблему надежности их эксплуатации, в частности, трещиностойкости - способности материала с трещиной деформироваться без разрушения. Наиболее объективная оценка работы трубопроводов дается при проведении полномасштабных пневматических полигонных испытаний. Из-за высокой стоимости и трудоемкости полномасштабные полигонные испытания применяются выборочно для отдельных партий труб, тогда как лабораторные испытания, обладающие большой статистической ценностью, проводятся для каждой трубы и ее различных частей. Это приводит к необходимости использования объективных лабораторных критериев трещиностойкости, отыскания их связи между собой и с результатами полигонных испытаний.
Для современных высоковязких трубных сталей известные лабораторные методы и варианты испытания склонности материалов к хрупкому разрушению оказались недостаточно пригодными и информативными. К тому же структура листа (труб) нового поколения, полученная по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, обусловила особый механизм макровязкого разрушения.
Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленной в работе цели.
В основу диссертации положены собственные экспериментальные и теоретические разработки, а так же экспериментальные данные ОАО «Газпром» и ОАО «РосНИТИ», полученные в рамках научно-технического сотрудничества.
Цель работы: на основе исследований микроструктуры и фазового состава, комплекса механических свойств и фрактографического анализа установить параметры, коррелирующие с трещиностойкостью сталей типа 05Г2МБТ промышленной выплавки, используемых в качестве основного металла сварных прямошовных труб магистральных газопроводов.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Установить особенности микроструктуры и фазового состава гетерофазных сталей класса прочности К65 (Х80), полученных по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.
2. Изучить комплекс механических свойств данных сталей при испытаниях на растяжение и ударный изгиб.
3. Отыскать связь геометрических и фрактографических параметров изломов образцов Шарпи исследованных сталей с уровнем ударной вязкости.
Научная новизна.
1. Установлены особенности микроструктуры и фазового состава основного металла сварных прямошовных труб класса прочности К65 (Х80), ответственные за комплекс их механических свойств.
2. Сформулированы критерии трещиностойкости высоковязких гетерофазных сталей со сверхмелким зерном.
3. Предложена модель образования и роста расщеплений (вторичных трещин), возникающих при разрушении листового проката, изготовленного высокотемпературной деформацией по регламентированным режимам с ускоренным охлаждением. Разработанная модель возникновения и роста расщеплений положена в основу трактовки их влияния на трещиностойкость сталей.
Практическая значимость.
1. Сформулированы критерии трещиностойкости для аттестации вязких свойств сталей (труб) класса прочности К65 (Х80) при приемно-сдаточных испытаниях и после определенных периодов эксплуатации.
2. Предложены рекомендации по корректировке химического состава основного металла сварных труб большого диаметра, режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения листового проката для них.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Особенности микроструктуры и фазового состава сталей (труб) различных производителей, снижающие их вязко-пластические характеристики.
2. Связь геометрических и фрактографических параметров изломов образцов Шарпи, разрушенных при испытаниях на ударный изгиб, с уровнем вязких свойств сталей для труб магистральных газопроводов.
3. Лабораторные критерии трещиностойкоси высоковязких сталей повышенной прочности.
4. Модель образования и роста расщеплений в листовых сталях, полученных по режимам контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, и трактовка их влияния на сопротивление вязкому разрушению.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-техническом семинаре «Бернштейновские чтения» по ТМО металлов (г. Москва, 2011), XIX международной научно-технической конференции «Трубы» (г. Челябинск, 2011). V Всероссийской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011), Х11-Х111 международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2011-2012), VII Всероссийской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2012).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 5 статей в рецензируемых научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 116 наименований. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков и 18 таблиц.
Использование сварных труб из новых гетерофазных сталей с ультрадисперсной структурой, поставило на одно из первых мест проблему надежности их эксплуатации, в частности, трещиностойкости - способности материала с трещиной деформироваться без разрушения. Наиболее объективная оценка работы трубопроводов дается при проведении полномасштабных пневматических полигонных испытаний. Из-за высокой стоимости и трудоемкости полномасштабные полигонные испытания применяются выборочно для отдельных партий труб, тогда как лабораторные испытания, обладающие большой статистической ценностью, проводятся для каждой трубы и ее различных частей. Это приводит к необходимости использования объективных лабораторных критериев трещиностойкости, отыскания их связи между собой и с результатами полигонных испытаний.
Для современных высоковязких трубных сталей известные лабораторные методы и варианты испытания склонности материалов к хрупкому разрушению оказались недостаточно пригодными и информативными. К тому же структура листа (труб) нового поколения, полученная по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, обусловила особый механизм макровязкого разрушения.
Отсюда актуальность темы диссертации и обоснованность поставленной в работе цели.
В основу диссертации положены собственные экспериментальные и теоретические разработки, а так же экспериментальные данные ОАО «Газпром» и ОАО «РосНИТИ», полученные в рамках научно-технического сотрудничества.
Цель работы: на основе исследований микроструктуры и фазового состава, комплекса механических свойств и фрактографического анализа установить параметры, коррелирующие с трещиностойкостью сталей типа 05Г2МБТ промышленной выплавки, используемых в качестве основного металла сварных прямошовных труб магистральных газопроводов.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Установить особенности микроструктуры и фазового состава гетерофазных сталей класса прочности К65 (Х80), полученных по технологии контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением.
2. Изучить комплекс механических свойств данных сталей при испытаниях на растяжение и ударный изгиб.
3. Отыскать связь геометрических и фрактографических параметров изломов образцов Шарпи исследованных сталей с уровнем ударной вязкости.
Научная новизна.
1. Установлены особенности микроструктуры и фазового состава основного металла сварных прямошовных труб класса прочности К65 (Х80), ответственные за комплекс их механических свойств.
2. Сформулированы критерии трещиностойкости высоковязких гетерофазных сталей со сверхмелким зерном.
3. Предложена модель образования и роста расщеплений (вторичных трещин), возникающих при разрушении листового проката, изготовленного высокотемпературной деформацией по регламентированным режимам с ускоренным охлаждением. Разработанная модель возникновения и роста расщеплений положена в основу трактовки их влияния на трещиностойкость сталей.
Практическая значимость.
1. Сформулированы критерии трещиностойкости для аттестации вязких свойств сталей (труб) класса прочности К65 (Х80) при приемно-сдаточных испытаниях и после определенных периодов эксплуатации.
2. Предложены рекомендации по корректировке химического состава основного металла сварных труб большого диаметра, режимов контролируемой прокатки и ускоренного охлаждения листового проката для них.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.
1. Особенности микроструктуры и фазового состава сталей (труб) различных производителей, снижающие их вязко-пластические характеристики.
2. Связь геометрических и фрактографических параметров изломов образцов Шарпи, разрушенных при испытаниях на ударный изгиб, с уровнем вязких свойств сталей для труб магистральных газопроводов.
3. Лабораторные критерии трещиностойкоси высоковязких сталей повышенной прочности.
4. Модель образования и роста расщеплений в листовых сталях, полученных по режимам контролируемой прокатки с ускоренным охлаждением, и трактовка их влияния на сопротивление вязкому разрушению.
Апробация работы:
Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на: научно-техническом семинаре «Бернштейновские чтения» по ТМО металлов (г. Москва, 2011), XIX международной научно-технической конференции «Трубы» (г. Челябинск, 2011). V Всероссийской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций» (г. Екатеринбург, 2011), Х11-Х111 международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых ученых (г. Екатеринбург, 2011-2012), VII Всероссийской научно-технической конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2012).
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, в том числе 5 статей в рецензируемых научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 116 наименований. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 86 рисунков и 18 таблиц.
По результатам исследования основного металла прямошовных сварных труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 27,7 мм класса прочности К65 (Х80) были сделаны следующие выводы.
1. Найдено, что основной металл всех труб имеет ультрамелкое зерно феррита (йф = 3...5 мкм) и бейнита/мартенсита (йБ-М ~ 3 мкм) при их дозированном количестве (11.20%). Основными недостатками структуры листов (труб) являются полосчатость на различных масштабных уровнях и разнозернистость. Для некоторых сталей характерно наличие крупных частиц (до 10 мкм) нитрида титана. Трубы, в структуре которых имеется совокупность этих факторов, обладают пониженной трещиностойкостью (КСУ-40< 250Дж/см2 и ДКСУ = КСУ’40 - КСУ’60>100 Дж/см2) и не прошли полигонные испытания.
2. В различно легированных сталях (трубах) электронно-микроскопически обнаружены выделения дисперсных частиц. Расчет микроэлектонограмм и локальный рентгеноспектральный анализ показал, что сравнительно крупные частицы (50-100 нм), выделившиеся, очевидно, в аустените, являются карбонитридами Т1,ЫЬ(С,Ы) с соотношением N6/11 от 0,5 до 7,6. Мелкие частицы (10-20 нм) в сталях с повышенным содержанием Си являются выделениями 8-фазы (чистой Си), сформировавшимися в феррите и бейните, или выделениями УС, образовавшимися в феррите ванадийсодержащих сталей. Обосновано, что выделения обоих типов, ответственные за дисперсионное упрочнение трубных сталей, несколько снижают их вязкопластические характеристики, что более слабо выражено у частиц 8-фазы (Си), чем у карбонитридных частиц.
3. Предложена модель возникновения расщеплений (вторичных трещин на поверхности разрушения сталей), как результат раскрытия протяженных границ, возникших при безрекристаллизационной горячей деформации (контролируемой прокатке) листа. Исходя из предложенной модели, сформированы рекомендации по увеличению трещиностойкости труб из сталей К65 (Х80), включающие в себя повышение температуры конца прокатки листа, снижение содержания в стали ванадия и увеличение скорости последеформационного охлаждения.
4. Показано, что вокруг расщеплений формируются особые релаксационные области, рельеф которых тождественен рельефу зоны X (боковых откосов образца), являющейся наиболее энергоемкой при распространении магистральной трещины. Это, как и анализ сериальных кривых ударной вязкости, позволило заключить, что расщепления, оказывая эффект подобный свободной поверхности тела, препятствуют образованию хрупкого квадрата, чем способствуют сохранению макровязкого разрушения.
5. Обнаружено, что снижение вязкости изученных сталей сопровождается последовательным, а, зачастую, и одновременным проявлением в изломах образцов Шарпи ряда эффектов:
- уменьшением зоны однородного вязкого разрушения Ьс и, соответственно, увеличением зоны волокнистого вязкого разрушения ЬВ;
- появлением расщеплений и релаксационных областей, ростом их количества при уменьшении размеров;
- формированием хрупких микрообластей между расщеплениями;
- возникновением вырывов;
- образованием хрупкого квадрата.
6. Разработаны критерии трещиностойкости, позволяющие проводить аттестацию листов (труб) из сталей класса прочности К65 (Х80):
- энергетические: истинное сопротивлений разрыву (8к), вязкость растяжения (А) и ДКСУ = КСУ-40 - КСУ-60 при испытаниях на растяжение и ударный изгиб, соответственно;
- фрактографические и геометрические на образцах Шарпи: относительная протяженность зоны однородного вязкого разрушения ЬС/В, ширина зоны боковых откосов X, степень пластической деформации в области утяжки образца ев
1. Найдено, что основной металл всех труб имеет ультрамелкое зерно феррита (йф = 3...5 мкм) и бейнита/мартенсита (йБ-М ~ 3 мкм) при их дозированном количестве (11.20%). Основными недостатками структуры листов (труб) являются полосчатость на различных масштабных уровнях и разнозернистость. Для некоторых сталей характерно наличие крупных частиц (до 10 мкм) нитрида титана. Трубы, в структуре которых имеется совокупность этих факторов, обладают пониженной трещиностойкостью (КСУ-40< 250Дж/см2 и ДКСУ = КСУ’40 - КСУ’60>100 Дж/см2) и не прошли полигонные испытания.
2. В различно легированных сталях (трубах) электронно-микроскопически обнаружены выделения дисперсных частиц. Расчет микроэлектонограмм и локальный рентгеноспектральный анализ показал, что сравнительно крупные частицы (50-100 нм), выделившиеся, очевидно, в аустените, являются карбонитридами Т1,ЫЬ(С,Ы) с соотношением N6/11 от 0,5 до 7,6. Мелкие частицы (10-20 нм) в сталях с повышенным содержанием Си являются выделениями 8-фазы (чистой Си), сформировавшимися в феррите и бейните, или выделениями УС, образовавшимися в феррите ванадийсодержащих сталей. Обосновано, что выделения обоих типов, ответственные за дисперсионное упрочнение трубных сталей, несколько снижают их вязкопластические характеристики, что более слабо выражено у частиц 8-фазы (Си), чем у карбонитридных частиц.
3. Предложена модель возникновения расщеплений (вторичных трещин на поверхности разрушения сталей), как результат раскрытия протяженных границ, возникших при безрекристаллизационной горячей деформации (контролируемой прокатке) листа. Исходя из предложенной модели, сформированы рекомендации по увеличению трещиностойкости труб из сталей К65 (Х80), включающие в себя повышение температуры конца прокатки листа, снижение содержания в стали ванадия и увеличение скорости последеформационного охлаждения.
4. Показано, что вокруг расщеплений формируются особые релаксационные области, рельеф которых тождественен рельефу зоны X (боковых откосов образца), являющейся наиболее энергоемкой при распространении магистральной трещины. Это, как и анализ сериальных кривых ударной вязкости, позволило заключить, что расщепления, оказывая эффект подобный свободной поверхности тела, препятствуют образованию хрупкого квадрата, чем способствуют сохранению макровязкого разрушения.
5. Обнаружено, что снижение вязкости изученных сталей сопровождается последовательным, а, зачастую, и одновременным проявлением в изломах образцов Шарпи ряда эффектов:
- уменьшением зоны однородного вязкого разрушения Ьс и, соответственно, увеличением зоны волокнистого вязкого разрушения ЬВ;
- появлением расщеплений и релаксационных областей, ростом их количества при уменьшении размеров;
- формированием хрупких микрообластей между расщеплениями;
- возникновением вырывов;
- образованием хрупкого квадрата.
6. Разработаны критерии трещиностойкости, позволяющие проводить аттестацию листов (труб) из сталей класса прочности К65 (Х80):
- энергетические: истинное сопротивлений разрыву (8к), вязкость растяжения (А) и ДКСУ = КСУ-40 - КСУ-60 при испытаниях на растяжение и ударный изгиб, соответственно;
- фрактографические и геометрические на образцах Шарпи: относительная протяженность зоны однородного вязкого разрушения ЬС/В, ширина зоны боковых откосов X, степень пластической деформации в области утяжки образца ев
Подобные работы
- ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЯЗКОСТИ СТАЛЕЙ ТИПА 06Г2Б С УЛЬТРАДИСПЕРСНОЙ ФЕРРИТО-БЕЙНИТНО/МАРТЕНСИТНОЙ СТРУКТУРОЙ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4210 р. Год сдачи: 2016