ВЛИЯНИЕ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК НА МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ ТИПОВ 316L И S700MC, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ СОЗДАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
|
Введение 4
Глава 1 Обзор литературы 6
1.1 Аустенитные коррозионностойкие стали 6
1.1.1 Общие характеристики 6
1.1.2 Деформационно-термическая обработка 8
1.1.3 Динамический возврат и динамическая рекристаллизация 10
1.2 Высокопрочные низкоуглеродистые стали 15
1.2.1 Общие характеристики 15
1.2.2 Деформационно-термическая обработка 25
1.2.3 Ударная вязкость. Основные виды разрушения 27
1.3 Слоистые конструкционные металлические материалы и способы их получения 35
1.4 Постановка задач исследования 40
Глава 2 Материал и методики исследования 41
2.1 Материал исследования 41
2.2 Продольная прокатка аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L 42
2.3 Деформационно-термическая обработка высокопрочной низкоуглеродистой стали
типа S700MC 43
2.3.1 Аусформинг 43
2.3.2 Темпформинг 43
2.4 Электрошлаковая наплавка и прокатка биметаллической заготовки 44
2.5 Методика проведения испытания стали на растяжение для определения
механических свойств при комнатной температуре 47
2.6 Методика проведения испытания стали на ударный изгиб при комнатной и
пониженных температурах 48
2.7 Методика определения микротвердости по Виккерсу 52
2.8 Методика проведения микроструктурных исследований 53
2.9 Методика определения разориентировки границ зерен методом EBSD-анализа 57
2.10 Техника безопасности 58
Глава 3 Результаты исследований и их обсуждение 63
3.1 Металлографические исследования 63
3.1.1 Микроструктура аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L 63
3.1.2 Микроструктура высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC 66
3.2 Механические свойства исследуемых сталей 69
3.2.1 Влияние температуры прокатки на механические свойства коррозионностойкой
аустенитной стали типа 316L 69
3.2.2 Влияние аусформинга и темпформинга на механические свойства
высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC 71
3.2.3 Влияние аусформинга и темпформинга на ударную вязкость высокопрочной
низкоуглеролистой стали типа S700MC 73
3.3 Фрактографические исследования изломов высокопрочной низкоуглеродистой стали
типа S700MC после испытаний на ударную вязкость 77
3.4 Исследования биметаллического материала 83
3.4.1 Структура биметаллического материала 83
3.4.2 Исследование микротвердости биметаллического материала 85
3.4.3 Ударная вязкость биметаллического материала 86
3.5 Анализ экономической целесообразности проведения работ 87
Выводы 93
Список литературы
Глава 1 Обзор литературы 6
1.1 Аустенитные коррозионностойкие стали 6
1.1.1 Общие характеристики 6
1.1.2 Деформационно-термическая обработка 8
1.1.3 Динамический возврат и динамическая рекристаллизация 10
1.2 Высокопрочные низкоуглеродистые стали 15
1.2.1 Общие характеристики 15
1.2.2 Деформационно-термическая обработка 25
1.2.3 Ударная вязкость. Основные виды разрушения 27
1.3 Слоистые конструкционные металлические материалы и способы их получения 35
1.4 Постановка задач исследования 40
Глава 2 Материал и методики исследования 41
2.1 Материал исследования 41
2.2 Продольная прокатка аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L 42
2.3 Деформационно-термическая обработка высокопрочной низкоуглеродистой стали
типа S700MC 43
2.3.1 Аусформинг 43
2.3.2 Темпформинг 43
2.4 Электрошлаковая наплавка и прокатка биметаллической заготовки 44
2.5 Методика проведения испытания стали на растяжение для определения
механических свойств при комнатной температуре 47
2.6 Методика проведения испытания стали на ударный изгиб при комнатной и
пониженных температурах 48
2.7 Методика определения микротвердости по Виккерсу 52
2.8 Методика проведения микроструктурных исследований 53
2.9 Методика определения разориентировки границ зерен методом EBSD-анализа 57
2.10 Техника безопасности 58
Глава 3 Результаты исследований и их обсуждение 63
3.1 Металлографические исследования 63
3.1.1 Микроструктура аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L 63
3.1.2 Микроструктура высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC 66
3.2 Механические свойства исследуемых сталей 69
3.2.1 Влияние температуры прокатки на механические свойства коррозионностойкой
аустенитной стали типа 316L 69
3.2.2 Влияние аусформинга и темпформинга на механические свойства
высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC 71
3.2.3 Влияние аусформинга и темпформинга на ударную вязкость высокопрочной
низкоуглеролистой стали типа S700MC 73
3.3 Фрактографические исследования изломов высокопрочной низкоуглеродистой стали
типа S700MC после испытаний на ударную вязкость 77
3.4 Исследования биметаллического материала 83
3.4.1 Структура биметаллического материала 83
3.4.2 Исследование микротвердости биметаллического материала 85
3.4.3 Ударная вязкость биметаллического материала 86
3.5 Анализ экономической целесообразности проведения работ 87
Выводы 93
Список литературы
К цистернам нового поколения, перевозящим продукты нефтехимии и пищевые продукты, предъявляются требования по уменьшению веса их котлов и высоким значениям коррозионной стойкости. Совершенствование конструкций цистерн идет по пути уменьшения их веса. В настоящее время основной выигрыш в весе цистерн может дать уменьшение веса ее котла за счет снижения толщины стенок, но для этого необходимо повысить прочность сталей, из которых изготавливаются котлы цистерн. Решение данной задачи требует применения свариваемых сталей с пределом прочности близким к 1000 МПа. С другой стороны, к котлам цистерн нового поколения предъявляются требования по коррозионной стойкости, что важно для транспортировки продуктов нефтехимии, а также пищевых продуктов. Для того чтобы обеспечить необходимую коррозионную стойкость конструкции, применяют нержавеющие стали, имеющие низкий предел текучести. Разрешить противоречие между прочностными и коррозионными свойствами сталей позволяет применение биметалла, в котором основной слой должен обладать высокой прочностью, а поверхностный слой будет представлять собой лист из нержавеющей стали. Таким образом, необходима разработка новой технологии изготовления биметаллических листов, обладающих высокими прочностными свойствами.
Существует ряд способов получения слоистых металлических материалов, которые не исключают, а взаимно дополняют друг друга. К таким способам относятся: обработка давлением (прокатка, осадка, прессование, волочение), сварка взрывом, литье, пайка, нанесение порошковых покрытий, наплавка и т.д.[1].
Сравнительный анализ известных способов получения биметаллов показывает, что наилучшее сочетание качества соединения слоев, коррозионной стойкости и других характеристик можно получить при использовании метода широкослойной электрошлаковой наплавки (ЭШН) [2], например, коррозионностойкого слоя на основу из конструкционной стали. Высокую прочность соединения слоев при ЭШН создает соединение в жидком состоянии, когда наплавляемая сталь перемешивается с частично оплавившимся металлом основного слоя. При этом формирующийся наплавленный слой подвергается электрошлаковому переплаву, обеспечивающему высокую чистоту по примесям (сере, кислороду, неметаллическим включениям). Способ ЭШН при соответствующей отработке технологии может обеспечивать оптимальные химический состав, структуру и свойства каждого из слоев и переходной зоны и стать основой производства качественно новых коррозионностойких биметаллов.
Применение слоистых металлических композиций позволяет повысить надежность и долговечность большого класса деталей и оборудования и способствует разработке более совершенных конструктивных решений при создании современного оборудования, машин, приборов, аппаратов для предприятий химической, нефтяной, сельскохозяйственной, транспортной, энергетической и других отраслей машиностроения.
Существует ряд способов получения слоистых металлических материалов, которые не исключают, а взаимно дополняют друг друга. К таким способам относятся: обработка давлением (прокатка, осадка, прессование, волочение), сварка взрывом, литье, пайка, нанесение порошковых покрытий, наплавка и т.д.[1].
Сравнительный анализ известных способов получения биметаллов показывает, что наилучшее сочетание качества соединения слоев, коррозионной стойкости и других характеристик можно получить при использовании метода широкослойной электрошлаковой наплавки (ЭШН) [2], например, коррозионностойкого слоя на основу из конструкционной стали. Высокую прочность соединения слоев при ЭШН создает соединение в жидком состоянии, когда наплавляемая сталь перемешивается с частично оплавившимся металлом основного слоя. При этом формирующийся наплавленный слой подвергается электрошлаковому переплаву, обеспечивающему высокую чистоту по примесям (сере, кислороду, неметаллическим включениям). Способ ЭШН при соответствующей отработке технологии может обеспечивать оптимальные химический состав, структуру и свойства каждого из слоев и переходной зоны и стать основой производства качественно новых коррозионностойких биметаллов.
Применение слоистых металлических композиций позволяет повысить надежность и долговечность большого класса деталей и оборудования и способствует разработке более совершенных конструктивных решений при создании современного оборудования, машин, приборов, аппаратов для предприятий химической, нефтяной, сельскохозяйственной, транспортной, энергетической и других отраслей машиностроения.
В данной работе были изучены деформированные микроструктуры аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L, подвергнутой прокатке при температурах 500, 600, 700 и 900 °С, высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC, подвергнутой аусформингу и темпформингу, а также был исследован биметаллический материал, состоящий из высокопрочной низкоуглеродистой стали типа S700MC в качестве основного слоя и аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L в качестве наплавленного слоя, после электрошлаковой наплавки и темпформинга при 650 °С. Оценено влияние деформационно-термических обработок на структуру и механические свойства исследуемых материалов. Полученные результаты можно кратко сформулировать следующим образом:
1) Деформационно-термическая обработка является эффективным способом измельчения микроструктуры в аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L. Формирующаяся в процессе деформации микроструктура стали типа 316L зависит от температуры прокатки и характеризуется развитием прерывистой и непрерывной динамической рекристаллизации. Прокатка при температуре 600 °С аустенитной стали привела к формированию сильно вытянутых вдоль направления прокатки зерен, средний поперечный размер которых составляет 1,3 мкм, которые чередуются с ультрамелкозернистыми зернами.
2) Исследуемая сталь типа S700MC, подвергнутая аусформингу, характеризуется структурой отпущенного мартенсита, в то время как темпформинг приводит к формированию ультрамелкозернистой структуры со средним поперечным размером зерна 530 нм и формированием волокнистой текстуры (111) II ND и (001) II ND. Разориентировка дислокационных субграниц после темпформинга значительно выше, чем разориентировка реек после аусформинга. Микроструктуры после аусформинга и темпформинга характеризуются образованием гомогенного распределения карбидов Cr23C6, средний размер которых составляет 50 нм, вдоль границ и субграниц, а также карбонитридами M (C, N) со средним размером 10 нм.
3) Применение деформационно-термических обработок для сталей 316L и S700MC приводит к значительному увеличению прочностных характеристик. Предел текучести аустенитной стали типа 316L, подвергнутой прокатке при температуре 600 °С, увеличивается от 230 до 870 МПа по сравнению с исходным состоянием, а предел прочности стали типа S700MC, подвергнутой темпформингу, увеличивается от 795 до 1110 МПа.
4) Исследуемая высокопрочная сталь типа S700MC, подвергнутая темпформингу, обладает исключительно высокой ударной вязкостью выше 450 Дж/см2 при 20 °С и 109 Дж/см2 при температуре жидкого азота при испытаниях на удар в направлении 11 ND. Высокая вязкость разрушения объясняется расслоением, когда разрушение происходит путем расщепления вдоль плоскости прокатки с большим поглощением энергии.
5) Электрошлаковая наплавка привела к качественному соединению слоев. Средняя толщина зоны сплавления в биметаллической заготовке после термомеханической обработки уменьшилась с 60 до 4 мкм. Структуры основного слоя и наплавленного слоя соответствуют структурам, сформировавшимся в сталях S700MC и 316L после деформационно¬термических обработок. Максимальное значение ударной вязкости достигается у образцов с V-образным вырезом в основном слое и превышает 539 Дж/см2. В этом случае биметаллический материал характеризуется расслоением стали S700MC, что предотвращает разрушение наплавленного слоя из аустенитной коррозионностойкой стали.
1) Деформационно-термическая обработка является эффективным способом измельчения микроструктуры в аустенитной коррозионностойкой стали типа 316L. Формирующаяся в процессе деформации микроструктура стали типа 316L зависит от температуры прокатки и характеризуется развитием прерывистой и непрерывной динамической рекристаллизации. Прокатка при температуре 600 °С аустенитной стали привела к формированию сильно вытянутых вдоль направления прокатки зерен, средний поперечный размер которых составляет 1,3 мкм, которые чередуются с ультрамелкозернистыми зернами.
2) Исследуемая сталь типа S700MC, подвергнутая аусформингу, характеризуется структурой отпущенного мартенсита, в то время как темпформинг приводит к формированию ультрамелкозернистой структуры со средним поперечным размером зерна 530 нм и формированием волокнистой текстуры (111) II ND и (001) II ND. Разориентировка дислокационных субграниц после темпформинга значительно выше, чем разориентировка реек после аусформинга. Микроструктуры после аусформинга и темпформинга характеризуются образованием гомогенного распределения карбидов Cr23C6, средний размер которых составляет 50 нм, вдоль границ и субграниц, а также карбонитридами M (C, N) со средним размером 10 нм.
3) Применение деформационно-термических обработок для сталей 316L и S700MC приводит к значительному увеличению прочностных характеристик. Предел текучести аустенитной стали типа 316L, подвергнутой прокатке при температуре 600 °С, увеличивается от 230 до 870 МПа по сравнению с исходным состоянием, а предел прочности стали типа S700MC, подвергнутой темпформингу, увеличивается от 795 до 1110 МПа.
4) Исследуемая высокопрочная сталь типа S700MC, подвергнутая темпформингу, обладает исключительно высокой ударной вязкостью выше 450 Дж/см2 при 20 °С и 109 Дж/см2 при температуре жидкого азота при испытаниях на удар в направлении 11 ND. Высокая вязкость разрушения объясняется расслоением, когда разрушение происходит путем расщепления вдоль плоскости прокатки с большим поглощением энергии.
5) Электрошлаковая наплавка привела к качественному соединению слоев. Средняя толщина зоны сплавления в биметаллической заготовке после термомеханической обработки уменьшилась с 60 до 4 мкм. Структуры основного слоя и наплавленного слоя соответствуют структурам, сформировавшимся в сталях S700MC и 316L после деформационно¬термических обработок. Максимальное значение ударной вязкости достигается у образцов с V-образным вырезом в основном слое и превышает 539 Дж/см2. В этом случае биметаллический материал характеризуется расслоением стали S700MC, что предотвращает разрушение наплавленного слоя из аустенитной коррозионностойкой стали.
Подобные работы
- МИКРОСТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ ТИПОВ 316L И S700MC, ПОДВЕРГНУТЫХ РАЗЛИЧНЫМ ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКИМ ОБРАБОТКАМ, С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
Бакалаврская работа, материаловедение . Язык работы: Русский. Цена: 4340 р. Год сдачи: 2016