ФОРМИРОВАНИЕ МАРТЕНСИТОСОДЕРЖАЩИХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СТРУКТУР В Cr-Mo-V ТРУБНЫХ СТАЛЯХ МЕТОДАМИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
|
Актуальность темы В последнее десятилетие в России выполнена разработка и освоение сталей типа 22ХМФА для труб нефтегазового сортамента взамен
марганцовистых и кремниймарганцовистых. Осуществлен научно-обоснованный выбор режимов их термической обработки в соответствии с основным назначением (хладо - или коррозионностойкое исполнение). На сегодняшний день предложенные стали являются одними из самых высококачественных серийно производимых в России материалов для производства обсадных труб и муфт к ним.
Однако, по нашему мнению, термоулучшение не полностью раскрывает потенциал трубных хромомолибденованадиевых сталей и необходимо продолжить поиск путей повышения комплекса свойств сталей этого класса методами термической обработки. Наиболее перспективным представляется создание гетерогенных мартенситосодержащих структур, обладающих экстремальной хладостойкостью и ударной вязкостью, путем межкритической закалки или прерванной и изотермической закалок.
Другим недостаточно развитым в России направлением совершенствования технологии трубного производства является применение методов компьютерного моделирования процессов структурных и фазовых превращений при температурном воздействии для научно-обоснованного выбора режимов термической обработки. Проведение расчетов позволит дать оценку формирующихся в процессе термической обработки структурных и температурных полей и напряженно-деформированного состояния, и предложить на ее основе перспективные режимы термической обработки.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках: федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62254 (госконтракт №02.740.11.0537), госзадания № 3.1330.2011 по теме «Управление
процессами фазовых и структурных превращений в материалах на основе железа для обеспечения требуемого комплекса свойств».
В работе использованы результаты экспериментов выполненных в лаборатории структурных методов анализа и свойств материалов и наноматериалов ЦКП УрФУ.
Целью работы является научно-обоснованный выбор путей повышения конструктивной прочности высокопрочных хромомолибденованадиевых трубных сталей, предназначенных для обустройства месторождений стран Среднего Востока, с промысловыми средами повышенной коррозионной активности.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Оценить возможность повышения комплекса механических свойств стали 26Х1МФА при применении закалки из межкритического интервала.
2. Изучить взаимосвязь структуры, формирующейся в результате изотермической закалки и закалки после выдержки в интервале повышенной устойчивости переохлажденного аустенита с комплексом свойств стали 20Х1МФА.
3. Осуществить научно-обоснованный выбор режима термообработки высокопрочной муфтовой заготовки с учетом результатов компьютерного моделирования фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния, формирующегося в процессе термической обработки.
Научная новизна
1. Научно-обосновано использование имеющейся в сталях промышленной выплавки ликвации (как следствие металлургической предыстории) для формирования гетерогенных мартенситно-бейнитных структур, обеспечивающих повышение комплекса вязко-пластических свойств.
2. Установлено, что причиной повышения хладостойкости исследованных сталей является наследование исходной морфологии мартенсита ферритом в двухфазной (а+у) области и формирование субмелкокристаллической структуры.
3. Выполнена оценка остаточных напряжений, формирующихся при различных режимах закалки, позволяющая уточнить технологические параметры термической обработки, для обеспечения требуемого комплекса свойств.
Практическая значимость
Осуществлен научно-обоснованный выбор путей повышения конструктивной прочности высокопрочных хромомолибденованадиевых трубных сталей, предназначенных для обустройства месторождений с агрессивными промысловыми средами в странах с субтропическим и тропическим климатом.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты
1. Оценка возможности повышения комплекса механических свойств стали 26Х1МФА при применении закалки из межкритического интервала.
2. Изучение взаимосвязи структуры, формирующейся в результате изотермической и закалки после выдержки в интервале повышенной устойчивости переохлажденного аустенита с комплексом свойств стали 20Х1МФА.
3. Осуществление научно-обоснованного выбора режимов термообработки высокопрочной муфтовой заготовки с учетом результатов компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния, формирующегося в процессе термической обработки.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на XIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов -молодых ученых (Екатеринбург, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Инновационые технологии в машиностроении» (Пермь, 2012 г.).
Публикации
По материалам работы опубликовано 6 печатных работ, из них 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 172 страницах, включает 133 рисунка, 9 таблиц, список литературы содержит 98 наименований.
марганцовистых и кремниймарганцовистых. Осуществлен научно-обоснованный выбор режимов их термической обработки в соответствии с основным назначением (хладо - или коррозионностойкое исполнение). На сегодняшний день предложенные стали являются одними из самых высококачественных серийно производимых в России материалов для производства обсадных труб и муфт к ним.
Однако, по нашему мнению, термоулучшение не полностью раскрывает потенциал трубных хромомолибденованадиевых сталей и необходимо продолжить поиск путей повышения комплекса свойств сталей этого класса методами термической обработки. Наиболее перспективным представляется создание гетерогенных мартенситосодержащих структур, обладающих экстремальной хладостойкостью и ударной вязкостью, путем межкритической закалки или прерванной и изотермической закалок.
Другим недостаточно развитым в России направлением совершенствования технологии трубного производства является применение методов компьютерного моделирования процессов структурных и фазовых превращений при температурном воздействии для научно-обоснованного выбора режимов термической обработки. Проведение расчетов позволит дать оценку формирующихся в процессе термической обработки структурных и температурных полей и напряженно-деформированного состояния, и предложить на ее основе перспективные режимы термической обработки.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями научной деятельности кафедры «Термообработка и физика металлов» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» в рамках: федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» по теме №62254 (госконтракт №02.740.11.0537), госзадания № 3.1330.2011 по теме «Управление
процессами фазовых и структурных превращений в материалах на основе железа для обеспечения требуемого комплекса свойств».
В работе использованы результаты экспериментов выполненных в лаборатории структурных методов анализа и свойств материалов и наноматериалов ЦКП УрФУ.
Целью работы является научно-обоснованный выбор путей повышения конструктивной прочности высокопрочных хромомолибденованадиевых трубных сталей, предназначенных для обустройства месторождений стран Среднего Востока, с промысловыми средами повышенной коррозионной активности.
В работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Оценить возможность повышения комплекса механических свойств стали 26Х1МФА при применении закалки из межкритического интервала.
2. Изучить взаимосвязь структуры, формирующейся в результате изотермической закалки и закалки после выдержки в интервале повышенной устойчивости переохлажденного аустенита с комплексом свойств стали 20Х1МФА.
3. Осуществить научно-обоснованный выбор режима термообработки высокопрочной муфтовой заготовки с учетом результатов компьютерного моделирования фазовых превращений и напряженно-деформированного состояния, формирующегося в процессе термической обработки.
Научная новизна
1. Научно-обосновано использование имеющейся в сталях промышленной выплавки ликвации (как следствие металлургической предыстории) для формирования гетерогенных мартенситно-бейнитных структур, обеспечивающих повышение комплекса вязко-пластических свойств.
2. Установлено, что причиной повышения хладостойкости исследованных сталей является наследование исходной морфологии мартенсита ферритом в двухфазной (а+у) области и формирование субмелкокристаллической структуры.
3. Выполнена оценка остаточных напряжений, формирующихся при различных режимах закалки, позволяющая уточнить технологические параметры термической обработки, для обеспечения требуемого комплекса свойств.
Практическая значимость
Осуществлен научно-обоснованный выбор путей повышения конструктивной прочности высокопрочных хромомолибденованадиевых трубных сталей, предназначенных для обустройства месторождений с агрессивными промысловыми средами в странах с субтропическим и тропическим климатом.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты
1. Оценка возможности повышения комплекса механических свойств стали 26Х1МФА при применении закалки из межкритического интервала.
2. Изучение взаимосвязи структуры, формирующейся в результате изотермической и закалки после выдержки в интервале повышенной устойчивости переохлажденного аустенита с комплексом свойств стали 20Х1МФА.
3. Осуществление научно-обоснованного выбора режимов термообработки высокопрочной муфтовой заготовки с учетом результатов компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния, формирующегося в процессе термической обработки.
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены и обсуждены на XIII Международной научно-технической Уральской школе-семинаре металловедов -молодых ученых (Екатеринбург, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Инновационые технологии в машиностроении» (Пермь, 2012 г.).
Публикации
По материалам работы опубликовано 6 печатных работ, из них 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы; изложена на 172 страницах, включает 133 рисунка, 9 таблиц, список литературы содержит 98 наименований.
1. Установлено, что в изделиях, изготовленных по существующей технологии из низко и среднелегированных хромомолибденованадиевых и хромоникельмолибденованадиевых сталей, наблюдается локальная неоднородность распределения легирующих элементов, приводящая к формированию в результате изотермической закалки с последующим резким охлаждением сложной гетерогенной структуры, состоящей из мартенситных, бейнитных и мартенситно-бейнитных (с разным соотношением) областей.
2. Показано, что повышение вязкости разрушения за счет измельчения мартенситных пакетов при фрагментации исходных аустенитых зерен бейнитными пакетами реализуется в локальных участках, имеющих гетерогенную структуру с благоприятным сочетанием мартенсита и бейнита, причем за счет постепенного захвата бейнитным превращением все более легированных областей такие участки имеются при любой длительности изотермической выдержке и при любой скорости непрерывного охлаждения, формирующей мартенситно-бейнитную структуру.
3. Определено, что сталь 20Х1МФА позволяет получить комплекс свойств, соответствующий группе прочности Р110 в соответствии со стандартом API 5CT/ISO 11960 и М по ГОСТ 632 после изотермической закалки при температуре 400 оС в течение 180...5400 сек (охлаждение после выдержки в воде) или охлаждения в воде после изотермической выдержки при температуре 600 оС в течение 20.5400 сек. В обоих случаях окончательной обработкой являлся низкий отпуск при 150 оС, 1,5ч.
4. Исследованы основные закономерности образования структуры феррита при закалке из межкритического интервала низколегированных сталей. Выделение при нагреве до 780 °С по границам мартенситных реек, образовавшихся в процессе первой закалки из однофазной области, карбидов размером 180-300 нм за счет сдерживания процессов рекристаллизации приводит к формированию на месте пакетов мартенсита пластинчатых кристаллов феррита.
5. Установлено, что при межкритической закалке стали 26Х1МФА измельчение структуры происходит за счет формирования при температурах в верхней части МКИ большого количества дисперсных зерен аустенита и, как следствие, измельчения мартенситных пакетов. В структуре после межкритической закалки присутствует феррит в виде пластин и пакетов, а также пакетный мартенсит с длиной реек 2.4 мкм (примерно в 5 раз меньше, чем после нормальной закалки).
6. Показано, что достигнутое в результате межкритической закалки измельчение структуры наследуется в высокоотпущенном состоянии и приводит к значительному повышению ударной вязкости при отрицательных температурах (KCV-60, МДж/м2 на уровне 1,8...1,9). Причем свойства меняются незначительно в интервале температур нагрева под межкритическую закалку 780...810°С, что позволяет рекомендовать этот режим к промышленному опробованию.
7. Проведено моделирование формирующихся в процессе термической обработки структурных и температурных полей и напряженно-деформированного состояния в муфтовой заготовке размером 276х26,5 мм из стали 20Х1МФА с применением программного комплекса Deform 3D модуля HT. Для повышения адекватности расчетов применена экспериментально построенная изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита стали 20Х1МФА в области бейнитного превращения.
8. Проведение моделирования прерванной закалки показало, что, сократив до 20 секунд время интенсивного охлаждения, можно понизить уровень эффективных закалочных напряжений, относительно ускоренного охлаждения в течение 55 секунд, в 5 раз для внутренней стенки ив 7 раз для наружной. Преимущественной структурной составляющей в этом случае становится нижний бейнит. Расчетные значения твердости HRC 41,5 до 32.
2. Показано, что повышение вязкости разрушения за счет измельчения мартенситных пакетов при фрагментации исходных аустенитых зерен бейнитными пакетами реализуется в локальных участках, имеющих гетерогенную структуру с благоприятным сочетанием мартенсита и бейнита, причем за счет постепенного захвата бейнитным превращением все более легированных областей такие участки имеются при любой длительности изотермической выдержке и при любой скорости непрерывного охлаждения, формирующей мартенситно-бейнитную структуру.
3. Определено, что сталь 20Х1МФА позволяет получить комплекс свойств, соответствующий группе прочности Р110 в соответствии со стандартом API 5CT/ISO 11960 и М по ГОСТ 632 после изотермической закалки при температуре 400 оС в течение 180...5400 сек (охлаждение после выдержки в воде) или охлаждения в воде после изотермической выдержки при температуре 600 оС в течение 20.5400 сек. В обоих случаях окончательной обработкой являлся низкий отпуск при 150 оС, 1,5ч.
4. Исследованы основные закономерности образования структуры феррита при закалке из межкритического интервала низколегированных сталей. Выделение при нагреве до 780 °С по границам мартенситных реек, образовавшихся в процессе первой закалки из однофазной области, карбидов размером 180-300 нм за счет сдерживания процессов рекристаллизации приводит к формированию на месте пакетов мартенсита пластинчатых кристаллов феррита.
5. Установлено, что при межкритической закалке стали 26Х1МФА измельчение структуры происходит за счет формирования при температурах в верхней части МКИ большого количества дисперсных зерен аустенита и, как следствие, измельчения мартенситных пакетов. В структуре после межкритической закалки присутствует феррит в виде пластин и пакетов, а также пакетный мартенсит с длиной реек 2.4 мкм (примерно в 5 раз меньше, чем после нормальной закалки).
6. Показано, что достигнутое в результате межкритической закалки измельчение структуры наследуется в высокоотпущенном состоянии и приводит к значительному повышению ударной вязкости при отрицательных температурах (KCV-60, МДж/м2 на уровне 1,8...1,9). Причем свойства меняются незначительно в интервале температур нагрева под межкритическую закалку 780...810°С, что позволяет рекомендовать этот режим к промышленному опробованию.
7. Проведено моделирование формирующихся в процессе термической обработки структурных и температурных полей и напряженно-деформированного состояния в муфтовой заготовке размером 276х26,5 мм из стали 20Х1МФА с применением программного комплекса Deform 3D модуля HT. Для повышения адекватности расчетов применена экспериментально построенная изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита стали 20Х1МФА в области бейнитного превращения.
8. Проведение моделирования прерванной закалки показало, что, сократив до 20 секунд время интенсивного охлаждения, можно понизить уровень эффективных закалочных напряжений, относительно ускоренного охлаждения в течение 55 секунд, в 5 раз для внутренней стенки ив 7 раз для наружной. Преимущественной структурной составляющей в этом случае становится нижний бейнит. Расчетные значения твердости HRC 41,5 до 32.