все вопросы Подписка на рубрику Вопрос - Ответ ВестиПБ.ру

вопрос - ответ

Вопрос:
В эксплуатации находится ОПО, в состав которого входит котельная установка с двумя паровыми...

Ответ:
Здравствуйте. Согласно Приказу Ростехнадзора № 168 «Об утверждении требований к ведению...


Федеральные
законы
Правила
безопасности
Руководящие
документы
Документы
Ростехнадзора
18+

Научно-технические статьи

О механизмах деградации свойств низколегированных сталей

Дата публикации: 3.03.2010

Одним из проявлений предельных состояний металлоконструкций, работающих в интервале температур 100 – 300 °С является т.н. деградация механических свойств металла. Обычно это выражается в снижении пластичности, часто фиксируется понижение прочностных характеристик. В работах [1,2] для описания этого явления предложен механизм тепловой хрупкости. Показано, что понижение, например, трещиностойкости в малоуглеродистых и низколегированных сталях может быть связано как с сегрегацией примесей по границам ферритных зерен, так и с образованием карбидных фаз. Очевидно, что подобные явления – суть проявление общего механизма старения. Старение в малоуглеродистых низколегированных сталях предполагает наличие некоторой остаточной пластической деформации. Это условие отражено и в ГОСТ 9454 [3]. Нагрев до температур 200 – 250 °С дополнительно интенсифицирует этот процесс. Однако далеко не во всех конструкциях имеются условия термодеформационной активации старения. Так, например, применение горячекатаных труб или нормализованных обечаек фактически исключает наличие остаточной пластической деформации. В этой связи в настоящей работе сделана попытка рассмотреть возможные механизмы деградации свойств малоуглеродистых низколегированных сталей.

1. Старение. Для исследования влияния старения в условиях кратковременного нагрева (выдержка 1 – 24 часа) были выбраны образцы из стали 09Г2С обычного качества производства ЗАО ВМК «Красный Октябрь». Образцы подвергли предварительной нормализации (960 °С, выдержка 1 час), деформации растяжением на e = 10% с последующим отпуском в интервале 100 – 700 °С в течение 1 – 24 часов. Оценку механических свойств проводили по изменению твердости, дополнительно просматривали структуру в оптическом микроскопе с определением размеров ферритного зерна.

Исходные механические свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Состояние σв, МПа σ0,2 МПа δ, % φ,%
ГОСТ 490 345 21  
Нормализация (Н) 509 374 28 85
Н + деформация 582 561 18 75

После деформации была измерена твердость образцов после различного времени вылеживания (естественного старения). Зависимость показана на рис.1. Как видно из рис.1. в течение суток началось деформационное старение, которое привело к повышению относительной твердости (по отношению к состоянию Н+Д) до уровня 10%. Дальнейшая выдержка (более 4 суток) не привела к существенному изменению прочности. По-видимому, процесс ограничился стадией блокировки имевшихся подвижных дислокаций.

Термическая активация практически не изменила степень упрочнения. Зависимость приведена на рис.2. Как видно из рис.2. упрочнение в 10% зафиксировано и при часовой выдержке и при суточной выдержке в интервале температур 100 – 400 °С. Интенсивность перестаривания выше для случая более продолжительной выдержки. Также сам эффект упрочнения несколько ниже. Незначительность зафиксированного эффекта упрочнения (относительная твердость) может быть связана с малым содержанием углерода и азота в стали.

Микроструктура представлена ферритом и перлитом в соотношении 80/20, балл зерна феррита 9, балл перлита 3 по ГОСТ 8233-56 [4]. Заметные изменения наблюдаются в образцах после 400 °С (рис.3.) Видно, что изменяется морфология перлита.


Рис.1. Упрочнение стали 09Г2С в результате естественного (деформационного) старения.


Рис.2. Термодеформационное упрочнение стали 09Г2С
1 – выдержка 1 час; 2 – выдержка 24 часа.


а)

б)
Рис. 3 Микроструктура стали 09Г2С х1000
а) – 400 °С; б) – 600 °С

Если в области 100-300 °С перлит еще пластинчатый и расположен хаотически в ферритной матрице (рис.3а), то при более высоких температурах (рис.3б) перлит становится зернистым и располагается преимущественно по границам зерен феррита.

Таким образом, термодеформационное старение фиксируется в интервале температур 100 - 400 °С, не вызывает заметных изменений в микроструктуре и может быть обнаружено с помощью измерений твердости. Эти выводы немаловажны для целей диагностики, особенно в тех случаях, когда невозможна вырезка образцов для испытаний, например, ударной вязкости. Применение полевой металлографии для выявления состаренных структур неэффективно.

2. Рекристаллизация. С точки зрения деградации механических свойств разнозернистость феррита явление нежелательное, т.к. приводит к снижению прочности. Разнозернистость может возникнуть в результате длительного нагрева даже при относительно низких температурах. Принято считать, что в феррито – перлитных сталях рекристаллизация начинается при температурах порядка 500 - 600 °С . Рассмотрим некоторые результаты наших исследований.

Для исследований были выбраны образцы сталей производства ЗАО ВМЗ «Красный Октябрь» 09Г2С, 12ГС, Ст3сп4 и12ХМ обычного листового проката толщиной 10 мм. Исследовали влияние температуры в интервале 100 – 600 °С, оценивая изменение твердости и состояние микроструктуры. Дополнительно изучали изменение размеров ферритных зерен методом хорд (секущих).

На рис. 4 приведены зависимости размера ферритного зерна от температуры для исследованных сталей. Как видно из рис. 4 прослеживается тенденция к росту зерна с ростом


Рис.4. Изменение размера ферритного зерна в зависимостиот температуры нагрева
1 – 09Г2С; 2 – Ст3сп4; 3 – 12ГС; 4 – 12ХМ.

температуры термообработки. Более выражен этот процесс для малоуглеродистой стали Ст3сп4, низколегированные стали оказываются менее склонны с росту зерна, что легко объяснимо сдерживающим влиянием легирующих элементов.

Представляет интерес оценить сам характер изменений. Для этого были построены гистограммы распределения зерен феррита, приведенные на рис.5,6 для стали 09Г2С и Ст3. Для кремнемарганцевой стали в исходном состоянии характерны зерна с относительным размером от 7 до 13 единиц (что соответствует фактическому размеру 5,6 - 11,0 мкм). Термическая обработка привела к формированию разнозернистой структуры: увеличилось количество мелких зерен и значительно возросло количество крупных зерен (см. рис.5). Аналогичная тенденция наблюдается для стали Ст3 (см рис.6). Но, как видно из рис.6, смещение вправо, в сторону увеличения размера зерна гистограммы после термообработки более существенно. В структуре практически отсутствуют мелкие зерна, в то время как в исходном состоянии доля мелких зерен – основная.


Рис.5. Гистограмма влияния термообработки на изменение размеров ферритного зерна в стали 09Г2С.


Рис.6. Гистограмма влияния термообработки на изменение размеров ферритного зерна в стали Ст3сп4.


Рис.7. Микроструктура стали 09Г2С после нагрева до 300 °С. х500
1 – новые растущие зерна; 2 – крупное зерно (коалисценция)

Можно утверждать, что даже при невысоких температурах в рассмотренных сталях идут процессы рекристаллизации. Причем в малоуглеродистой стали превалирует процесс роста зерен феррита, в то время как в кремнемарганцевой стали имеется и стадия образования новых зерен. На рис.7 приведена микроструктура стали 09Г2С после термообработки. В поле зрения шлифа имеются участки образования новых зерен (стрелки 1) и выросшее в результате коалисценции крупное зерно (стрелка 2).


Рис.8. Изменение относительной твердости исследованных сталей

в зависимости от температуры термообработки

Твердость сталей уменьшается с повышением температуры термообработки, т.е. с увеличением степени разнозернистости. Снижение тем больше, чем более разнозернистая структура.

Таким образом, исследования показывают, что обычная горячекатаная низколегированная или малоуглеродистая сталь даже при кратковременном нагреве в интервале 100 – 300 °С претерпевает частичное рекристаллизационное превращение. Это превращение сопровождается формированием разнозернистой структуры ферритной матрицы и, соответственно, снижением прочности стали. Эффект более выражен для малоуглеродистой стали.

3. Практический пример. В процессе диагностирования котла с рабочей температурой теплоносителя 200 °С были отбракованы трубы изготовленные из стали, содержащей до 0,17% С, 0,51% Mn и до 0,28% Si, что позволяет идентифицировать марку стали как Ст3сп. Механические свойства в сопоставлении с ГОСТом приведены в таблице

Состояние σв, МПа σ0,2 МПа δ, % φ,%
Труба № 48 378 259 16 48
ГОСТ 412 245 21 -

Как видно из таблицы механические свойства трубы существенно ниже требований нормативной документации. Особенно заметно уменьшение пластических свойств.

Металлографическое исследование микроструктуры образцов проводилось на металлографических микроскопах «МЕТАМ РВ - 22» и «Neophot - 2». Оценка структурных составляющих проводилась по ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры». Микроструктура всех образцов – феррито-перлитная с преобладанием (до 80%) феррита. Перлит зернистый и сорбитообразный в соотношении 50/50, количество подобных участков во всех образцах незначительное. Размер зерна цементита в зернистом перлите не превышает 3 балла. Включений графита на нетравленых образцах не обнаружено. Разнозернистость феррита в образцах составляет 8-34 мкм, что свидетельствует о частичной рекристаллизации. Микротвердость крупных зерен феррита составляет 60÷79 HV (более 20 мкм), мелких зерен феррита - 100÷154 HV, что также подтверждает частично прошедшую рекристаллизацию.


Рис.9 Микроструктура образца трубы из стали Ст3сп
после 10 лет эксплуатации при температуре 250 °С. х500
Разнозернистость феррита от 4 до 50 мкм.

По данным этого примера можно утверждать, что наблюдаемая деградация механических свойств стали Ст3сп за длительный срок эксплуатации при невысокой температуре - есть результат протекания частичной рекристаллизации, приведшей к формированию разнозернистой структуры феррита.

В заключении отметим, что деградация механических свойств рассмотренных сталей не ограничивается изменениями структуры, вызванными процессами термодеформационного старения и рекристаллизации. Следует предполагать и вклад, связанный с изменением в строении перлита, а также соотношения феррит – перлит.

Литература

  1. Горицкий В.М. Диагностика металлов. М.: Металлургиздат, 2004 г., 402 с.
  2. Горицкий В.М. Тепловая хрупкость стали.: Металлургиздат., 2007 г., 384 c.
  3. ГОСТ 9454. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах.
  4. ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры».

Гевлич С.О. к. т.н., ООО «Экспертиза»,
Пегишева С.А. к.т.н. ВолгГТУ, Волгоград

УДК 669.162.214.22

Последние Научно-технические статьи

Быстровозводимые фермовые металлоконструкции. Контроль состояния элементов.

Быстровозводимые металлоконструкции. Расчет.

Оценка состояния элементов строительных лесов.

Цепные грузоподъемные лебедки. Контроль состояния цепи

Техническое диагностирование технологического трубопровода цеха № 1429, рег №  1194 и рег №  2095

другие статьи

Информация о Ростехнадзоре

СМИ о
Ростехнадзоре

Предприятия и надзор

Новости
компаний


© 2006–2018 Вестник Промышленной Безопасности | Реклама на сайте | Связь с нами | Статистика
При полном или частичном использовании материалов Вести ПБ гиперссылка на сайт обязательна.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации ЭЛ №ФС77-36452 от 28.05.2009.