Шкала № 2 Видманштеттовая структура (игольчатость феррита) для стали с содержанием углерода до 0,10%. - Отдельное издание.
Шкала № 3 Микроструктуры металла труб из сталей марок 12Х1МФ,
12ХШФ-ПВ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР
1 Микроструктура металла труб из сталей 12Х1МФ, 12Х1МФ-ПВ Сдаточные микроструктуры:
1 балл - микроструктура содержит от 100 до 30% ощущенного бейнига и перлита плюс феррит ;
3 балл - микроструктура содержит от 30 до 20% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;
4-5 балл - микроструктура содержит от 20 до 15% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит.
Браковочные микроструктуры:
6 балл - микроструктура содержит от 15 до 5% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;
7 балл - мифоструктурасодержит от 5 до 0% отпущенного бейнита и перлита плюс феррит;
2 Микроструктуры металла труб из стали 15Х1М1Ф Сдаточные микроструктуры:
1 балл - микроструктура содержит не менее 100% отпущенного бейнита ;
2 балла - микроструктура содержит не менее 80% отпущенного бейнита;
3 балл - микроструктура содержит не менее 60% отпущенного бейнита;
4 балл - микроструктура содержит не менее 40% отпущенного бейнита;
5 балл - микроструктура содержит не менее 20% отпущенного бейнита.
Браковочные микроструктуры:
6 балла - феррито-перлитная микроструктура;
7-9 баллы - микроструктуры перегрева при отпуске свыше Ас и
10 балл - микроструктура содержит 100% отпущенного мартенсита с бейнитом.
3 Микроструктуры металла труб из стал 12Х2МФСР Сдаточные микроструктуры:
1 балл - микроструктура содержит от 100 до 90% отпущенного бейнита плюс феррит ;
2 балл - микроструктура содержит от 90 до 70% отпущенного бейнита плюс феррит;
3 балл - микроструктура содержит от 70 до 50% отпущенного бейнита плюс феррит;
4 балл - микроструктура содержит от 50 до 30% отпущенного бейнита плюс феррит;
5 балл - микроструктура содержит от 30 до 15% отпущенного бейнита плюс феррит.
Браковочные микроструктуры:
6 балл - микроструктура содержит от 15 до 5% отпущенного бейнита плюс феррит;
7 балл - микроструктура содержит от 5 до 0% отпущенного бейнита плюс феррит;
8 балл - микроструктура перегрева при отпуске выше Ас1
Шкала № 1
Полосчатость феррито-перлитной структуры для стали с содержанием углерода до 0,25% х 100
Шкала № 2
Для стали с содержанием углерода до 0,15% х 100
Шкала № 2 (продолжение)
Видманштеттовая структура (игольчатость феррита)
Проблемы и решения структурной неоднородности (полосчатость), ее причины появления
На практике стали в отличие от идеальных - неоднородны и несовершенны как по составу, так и по своему строению: макро-, микро- и тонкой структуре. Величина, характер и степень равномерности распределения этих несовершенств и определяет свойства реальных сплавов, их поведение в процессах обработки, их прочность и работоспособность в конкретных условиях службы деталей. Схематично неоднородность состава и несовершенства строения кристаллов и кристаллитов можно разделить на два вида: биографические и обработки.
Биографические несовершенства, прежде всего, связаны с исходным составом сплава и условиями его кристаллизации. Наиболее ярким примером такого несовершенства в реальных сталях является зональная и особенно дендритная ликвация, под которой понимается химическая неоднородность сплава в пределах одного кристалла (кристаллита). Большинство элементов в стали, включая углерод, ликвируют от оси дендрита к междуосным пространствам. Совместная ликвация элементов-примесей может и усиливать и ослаблять степень дендритной химической неоднородности легированных сталей.
Для потребителя стали важна не столько сама междендритная неоднородность стали, а связанная с ней полосчатость структуры, строчечное расположение отдельных ее составляющих (неметаллических включений, карбидов), анизотропность механических свойств деформированной стали. Степень анизотропности оценивают по величине отношения значения того или иного свойства (ув, ут, д, ш, ан), определенного при испытании образцов, вырезанных в направлении прокатки, к тем же характеристикам, определенным на образцах, вырезанных поперек направления течения металла.
Чем сильнее загрязнена сталь неметаллическими включениями (особенно нитевидной формы), чем больше в ней содержится карбидов, нитридов и других труднорастворимых соединений, тем ниже оказываются механические свойства стали в поперечном направлении.
Несовершенства обработки также могут влиять на развитие полосчатости в стали. Несовершенства обработки могут быть связаны с:
Процессами нагрева - аустенизации, гомогенизации и т.д.;
С условиями охлаждения;
С процессами стабилизации сплава (отпуском, старением, коагуляцией карбидной фазы);
Со специально создаваемой химической или физической неоднородностью
Высокотемпературный нагрев - гомогенизация - в известной мере устраняет химическую неоднородность стали в пределах кристалла. Вместе с тем аустенизация, гомогенизация может приводить и к диаметрально противоположному процессу - к появлению неоднородности состава в микрообъемах при наличии в стали малых количеств поверхностно активных относительно железа (горофильных) элементов. Происходит образование концентрационной неоднородности в объеме зерна. С обогащением его граничных или межблочных зон каким-либо элементом или элементами, характерной особенностью которых является значительная разница в величинах их атомных радиусов, по сравнению с атомным радиусом растворителя (в стали - железа является проявлением внутренней адсорбции сплава. Перераспределение отдельных легирующих элементов (или примесей в объеме зерна при нагреве стимулируется способностью чужеродных атомов понижать избыточную энергию структурных неоднородностей. Особенно заметное влияние на свойства сплава оказывает внутренняя адсорбция тогда, когда в результате уменьшения поверхности грани: (например, при росте зерна аустенита в процессе высокотемпературное нагрева) концентрация горофильного элемента превзойдет (при выдержке или в процессе последующего быстрого охлаждения) предел растворимости. В этом случае становится возможным локальный распад твердое раствора с выделением дисперсных частиц избыточной фазы, хотя усредненный состав сплава еще далек от достижения предела растворимости.: Ванадий и ниобий являются элементами поверхностно активными относительно железа. Концентрационную неоднородность стали в микрообъемах нередко удается наблюдать при металлографическом исследовании с применением обычного или специальные методов травления. Обогащение границ зерен горофильными элементами, снижающими их поверхностную энергию, оказывает, согласно В.И. Архарову, огромное влияние на диффузионную способность стали и на уровень механических и химических свойств сплава в целом.
В процессе горячей обработки давлением слитка его дендритная структура разрушается и дендриты вытягиваются в направлении деформации. Междендритные пространства, содержащие большое количество примесей и неметаллических включений, также деформируются и образуются характерные волокна. Такое строение, называемое полосчатостью, влияет на механические свойства, главным образом на ударную вязкость; она выше в продольном направлении и ниже в поперечном направлении (по отношению к направлению течения металла при прокатке). В меньшей степени подобная полосчатость влияет на пластичность (относительное удлинение и сужение). Прочность и твердость не зависят от полосчатости.
Считалось, что применение контролируемой прокатки приводит к снижению производительности и к развитию текстурованного феррита, что способствует анизотропии свойств проката. Интенсивность такой анизотропии усиливается деформацией в феррито-аустенитной двухфазной области, таким образом, исключение этой операции могло привести к дальнейшему улучшению свойств.
При производстве стали 10Г2ФБ существует проблема получения минимального разброса свойств по длине полосы и нормируемого значения показателя ут/ув0,90. Большая однородность свойств обеспечивается, во-первых, стабильным фазовым составом стали в различных участках полосы и, во-вторых, одинаковой величиной дисперсионного упрочнения. Для получения однородного фазового состава металла температура окончания прокатки (Ткп) должна соответствовать нижней части аустенитной области на всех участках полосы. Перспективной можно считать структуру игольчатого феррита, обусловливающую высокую прочность вследствие увеличения количества дислокаций и формирования субструктуры, доля дисперсионного упрочнения при этом несколько снижена. Такая структура стати формируется при пониженных значениях Тсм, соответствующих бейнитной области ТКД (< 600 °С), когда выделяются мелкодисперсные карбонитриды, а возможности их роста ограниченны. Таким образом, получению равномерного уровня дисперсионного упрочнения по длине полосы способствует применение дифференцированной температуры смотки по длине полосы при обеспечении стабильного фазового состава, особенно в концевых участках полосы.
Наиболее эффективными средствами борьбы с анизотропией механических свойств на металлургическом заводе является совершенствование технологии производства стали и гомогенизация проката, обеспечение равномерного распределения карбонитридной фазы по длине проката для стали 10Г2ФБ.
Основной технологической схемой производства листового проката для электросварных труб большого диаметра является термомеханическая (контролируемая) прокатка непрерывнолитых слябов, во многих случаях с последующим регламентированным ускоренным охлаждением. Формирование структуры металла проходит в несколько стадий, основными из которых являются нагрев под прокатку, предварительная (черновая) стадия прокатки, окончательная (чистовая) стадия прокатки, последеформационное охлаждение. На конечную структуру также оказывают влияние процессы кристаллизации непрерывнолитой заготовки.Проведенные исследования промышленного металла показывают, что формирующаяся структура металла характеризуется различными типами неоднородности, в их числе: разнозернистость; характер взаимного расположения структурных составляющих (полосчатость); неоднородность структуры по сечению проката (поверхностные слои, осевая зона), к неоднородности можно отнести и формирование смеси различных фаз и структурных составляющих (рис. 3.44); кристаллографическая текстура в феррите и др.
К источникам формирования неоднородных структур в прокате можно отнести:
- неоднородность химического состава исходной заготовки (ликвация дендритная, осевая);
- влияние процесса горячей деформации (температурный интервал, неравномерность деформации по сечению проката);
- влияние процесса охлаждения (в первую очередь, ускоренного), обусловливающего неравномерность температуры металла по сечению (особенно с учетом больших толщин проката и повышенной скорости охлаждения), а также и его неравномерность;
- особенности (γ-α)-превращения (неодновременность превращения в участках металла с различным химическим составом, протекание процесса при непрерывном охлаждении).
Основные типы неоднородных структур в трубных сталях можно классифицировать следующим образом:
1) связанные с природой процессов:
- полосчатая структура, включая осевую зону сляба;
- неоднородность по сечению проката (поверхностные слои и сердцевина);
- смесь различных типов структур при непрерывном охлаждении;
2) связанные с неправильно выбранными технологическими параметрами:
- разнозернистость (аустенита, феррита) → локальное изменение типа структуры (бейнит, полосы грубого высокотемпературного феррита);
- локальная неоднородность в объеме проката (в том числе по длине);
3) целенаправленно создаваемые неоднородные структуры:
- феррит + перлит;
- полиэдрический и деформированный феррит (текстуриро-ванный) + перлит;
- деформированный феррит + бейнит;
- другие сочетания.
Самая распространенная структура горячекатаных и нормализованных сталей - ферритно-перлитная смесь, в большинстве случаев характеризуемая неравномерным расположением структурных составляющих - полосчатостью. Механизм формирования полосчатой структуры представляется следующим. В процессе затвердевания ликвирующие элементы (марганец, фосфор) вытесняются из первых сформировавшихся дендритов 5-феррита, что приводит к формированию междендритных зон, обогащенных этими элементами. Впоследствии эти области будут характеризоваться оладьеобразной формой зерен после горячей прокатки и станут основой микрохимической и микроструктурной полосчатости. Аналогичный механизм приводит к осевой химической неоднородности в непрерывнолитом слябе.
Микроструктурная полосчатость, состоящая из чередующихся слоев доэвтектоидного феррита и перлита (или бейнита/мартенсита), есть результат влияния элементов замещения на температуру превращения аустенита.
Так как эта температура понижается при повышении содержания элементов, входящих в твердый раствор, феррит в первую очередь зарождается в обедненных легирующими элементами зонах. Углерод вытесняется из доэвтектоидного феррита, образуя обогащенные углеродом области аустенита, который превращается в перлит или другие составляющие - высокоуглеродистый мартен-сит/бейнит. Зерна доэвтектоидного феррита и островки второй структурной составляющей связаны с обедненными и обогащенными областями соответственно.
Разнозернистость аустенита может формироваться вследствие ряда причин:
- малые деформации за проход и получение более крупного зерна в средней части проката при деформации выше Трекр;
- условия деформации (температура, степень и другие параметры), приводящие к частичной рекристаллизации;
- деформация аустенита ниже Трекр (крупное и разноразмерное исходное зерно аустенита и/или недостаточное суммарное обжатие) - получение аустенитных зерен с различной плотностью несовершенств (полос деформации), являющихся местами зарождения феррита - неравномерное зарождение феррита.
Разнозернистость аустенита может привести к разнозернистости феррита либо формированию грубых областей верхнего бейнита вместо ферритно-перлитной структуры или структуры гранулярного бейнита вследствие повышения устойчивости крупнозернистого аустенита.
Одна из технологических схем производства проката для электросварных труб большого диаметра - прокатка с завершением деформации в (γ+α)-области. При деформации в (γ+α)-области в феррите наблюдаются зерна полигонального типа с низкой плотностью дислокаций, а также деформированные зерна с повышенной плотностью дислокаций, в которых наблюдается формирование субзеренной структуры (полигонизация). Такой металл имеет своеобразный характер разрушения - в изломах ударных образцов наблюдаются «расщепления» - трещины небольшой глубины, расположенные перпендикулярно магистральной трещине и лежащие в плоскости прокатки. При прокатке с завершением в γ-области в феррите формируется многокомпонентная текстура; с понижением температуры окончания прокатки в (γ+α)-области в наибольшей степени усиливается ориентировка {100}, что и является основной причиной возникновения расщеплений, поскольку плоскость типа {100} является плоскостью скола в металлах с ОЦК-решеткой.
При такой технологической схеме прокатки в стали формируется полосчатая ферритно-перлитная структура, при этом наблюдаются ферритные зерна двух видов: деформированные и равноосные с низкой плотностью дислокаций. Сталь после такой обработки характеризуется повышенной прочностью и хладостойкостью, при этом также повышается анизотропия свойств. Металл характеризуется низкой стойкостью к сероводородному растрескиванию.
В современных высокопрочных низколегированных сталях после термомеханической прокатки и последующего охлаждения в различных температурных интервалах обычно формируется смесь разнообразных фаз и структурных составляющих: полигональный феррит, квазиполигональный феррит, бейнитный феррит различных типов, мартенсит или составляющая М/А. Влияние второй фазы (структурной составляющей) на свойства сплава зависит от ее объемной доли, размера частиц, свойств и ряда других факторов. Так, при малой доле более твердой фазы основная деформация (особенно при малых степенях деформации) протекает в мягкой матрице, хотя в некоторой степени процесс происходит и вокруг участков второй фазы. В связи с этим вторая фаза в виде относительно крупных частиц оказывает меньшее влияние на сопротивление малым деформациям.
Для повышения однородности структуры по сечению проката можно использовать воздействие на вид диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (применении оптимальной системы легирования стали): расширение области бейнитного превращения, что приводит к формированию более однородной структуры в широком интервале скоростей охлаждения и повышению равномерности структуры по сечению проката.
При низких температурах конца прокатки по толщине листа наблюдается заметное изменение структуры. Оно носит сложный характер и включает изменение размера зерна, количества структурных составляющих и текстуры. Поэтому некоторые локальные значения свойств, таких как критическое напряжение скола, трудно связать с одним структурным параметром, например размером зерна. Более того, неоднородная структура по толщине листа может приводить к появлению значительных остаточных напряжений, что усложняет поведение металла при последующем деформировании (и эксплуатации).
Неоднородное распределение свойств по толщине проката должно приниматься во внимание при производстве труб. Более высокие остаточные напряжения и более существенное снижение прочностных свойств (по сравнению с листом с однородной структурой) были обнаружены в листе с неоднородной структурой и свойствами. Допустимая неоднородность структуры по сечению проката зависит от исходной структуры аустенита - свойств бейнита; содержания углерода - типа бейнита; требований и назначения проката. В целом степень неоднородности обычно регулируется путем ограничения скорости охлаждения и снижения углеродного эквивалента материала.
Структура по сечению проката может быть неоднородной вследствие пониженной прокаливаемости низколегированных сталей. В работах развивается идея создания «конструктивной анизотропии». В них обоснованы целесообразность формирования в сечении проката градиента структур - от закалочных (у поверхности) до продуктов диффузионного распада аустенита (в средней части сечения проката), а также преимущество комплекса механических свойств проката с такой структурной неоднородностью по сравнению со структурной неоднородностью в горячекатаном состоянии.
При изменении соотношения структурных составляющих изменяются вид диаграммы напряжение-деформация (рис. 3.45), коэффициент деформационного упрочнения, проявление эффекта Баушингера, прочностные свойства, вязкость.
Рассмотрение взаимосвязи неоднородности структуры со свойствами позволяет сделать ряд заключений:
- полосчатость - наиболее распространенная неоднородность структуры с точки зрения свойств приводит к анизотропии, пониженной стойкости к сероводородному растрескиванию;
- осевая ликвационная неоднородность - обусловливает пониженную стойкость к сероводородному растрескиванию, ухудшение свариваемости, снижение свойств в Z-направлении;
- неоднородность структуры по сечению - приводит к остаточным напряжениям;
- при смешанной структуре изменяется тип диаграммы напряжение-деформация, наблюдается отклонение от заданного комплекса свойств;
- разнозернистость - приводит к ухудшению хладостойкости;
- текстура обусловливает особый характер разрушения, повышение хладостойкости, увеличение анизотропии свойств.
Механизмы устранения неоднородности структуры:
- полосчатость структуры - повышение скорости охлаждения снижает полосчатость; при завершении деформации в (γ+α)-области и последующем ускоренном охлаждении происходит замена перлита на бейнит с сохранением полосчатости;
- осевая ликвационная неоднородность уменьшается при снижении содержания углерода, марганца и с помощью технологических приемов (мягкое обжатие и др.);
- неоднородность структуры по сечению (смешанная структура) устраняется путем воздействия на фазовые превращения;
- разнозернистость уменьшается при правильном выборе режима деформации;
- кристаллографическая текстура определяется режимом прокатки.
Какую же структуру трубной стали считать оптимальной? Это зависит от требований, которые очень сложны и часто противоречивы: прочность, вязкость, хладостойкость, свариваемость, трещиностойкость, деформируемость (сейсмические районы, вечная мерзлота), стойкость в среде H2S и других с учетом класса прочности и размерного сортамента.
Приведем примеры, как целенаправленного формирования неоднородных структур, так и попытки повышения однородности структуры.
Формирование и эффект неоднородных структур:
- перлит в ферритной матрице (повышение σв, снижение соотношения σт/σв);
- деформированный и полигонизованный феррит с выраженной кристаллографической текстурой (деформация в (γ+α)-области) - повышение хладостойкости за счет особого характера разрушения с формированием расщеплений в изломе, повышение прочностных свойств; расположение структурных составляющих в виде полос;
- двухфазная ферритно-бейнитная (мартенситная) структура для улучшения деформируемости (снижение σт/σв, повышение деформационного упрочнения, высокое равномерное удлинение);
- феррит деформированный, расположение структурных составляющих в виде полос.
Устранение неоднородности структуры и результат этого:
- снижение осевой сегрегационной неоднородности - улучшение сплошности проката (по результатам УЗ-контроля), свариваемости, стойкости в среде сероводорода, снижение анизотропии свойств;
- устранение полосчатости - стойкость в среде сероводорода, вязкость, трещиностойкость, снижение анизотропии свойств;
- устранение участков М/А - повышение вязкости, трещиностойкости, стойкости в среде сероводорода (рис. 3.46, а);
- устранение грубых участков верхнего бейнита (формирование однородной структуры гранулярного бейнита) - получение высокой прочности и вязкости (см. рис. 3.46, в);
- формирование однородной структуры нижнего бейнита: получение сверхвысокой прочности стали (Х120) и вязкости (см. рис. 3.46, г);
- общее повышение однородности структуры - улучшение трещиностойкости и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением.
25.11.2019
Пиломатериалы – изделия, которые получают из бревен путем их продольного распиливания. Части, которые получены на первом этапе производства, далее при необходимости...
25.11.2019
Каждому современному человеку рано или поздно приходится решать, куда поставить компьютерный стол. Оцениваем свободное место в квартире и вперед – подбирать модель,...
25.11.2019
Вопрос, где в квартире расположить ковры, не менее важен, чем умение правильно выбрать ковер. Как это сделать расскажет данная статья....
25.11.2019
В каждой отрасли, где происходит производство жидкой или вязкой продукции: в фармацевтическом деле, в косметической отрасли, в пищевом и химическом секторах – везде...
Владельцы патента RU 2439169:
Изобретение относится к области металлургии и машиностроения. Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения качественной и количественной оценки степени полосчатости структуры металла листового проката, а также обеспечение изотропности свойств листового проката. Для достижения технического результата способ включает изготовление поперечных ударных образцов с острым V-образным надрезом и образцов, ориентированных вдоль толщины листового проката в Z-направлении, вырезанных таким образом, чтобы надрез находился в средней части листового проката, определение величины ударной вязкости каждого вида образцов при температуре эксплуатации и отношения величин ударной вязкости образцов где - ударная вязкость образцов с V-образным надрезом, вырезанных из средней части по толщине листового проката в поперечном направлении, - ударная вязкость образцов с V-образным надрезом, который проходит по средней части листового проката в Z-направлении. Если соотношение величин ударной вязкости находится в пределах 3-5, то листовой прокат подвергают отпуску, если соотношение величин ударной вязкости выше 5, то листовой прокат подвергают закалке с последующим отпуском. 3 табл., 3 ил.
Изобретение относится к способам контроля и корректировки технологии производства листового проката из конструкционных экономнолегированных феррито-перлитных сталей по полосчатости в результате термомеханической обработки и может быть использовано в металлургической промышленности и в различных отраслях машиностроения.
Известно, что полосчатая структура после термомеханической обработки, обусловленная ориентированным положением полигонального феррита, может приводить к образованию внутренних дефектов в виде расслоений и, соответственно, к анизотропии сопротивления стали хрупкому и вязкому разрушению, характеризуемому снижением «хрупкой» прочности особенно в Z-направлениях (вертикальная ориентация образца по толщине листа). Кроме того, известно, что полосчатость может оказывать отрицательное влияние и на усталостную прочность металла. Скорость роста трещины в Z-направлении при наличии полосчатости материала может быть в 5 раз быть выше, чем в других направлениях .
Известен способ металлографического контроля полосчатой структуры проката по ГОСТ 5640. Согласно этому способу оценка полосчатости производится на микрошлифах, позволяющих осуществлять качественно на основе шестибалльной системы определение полосчатости структуры по толщине листа. Однако данный способ, как и его современный аналог - анализаторно-цифровая металлография (панорамное изображение структуры сколь угодно большой площади с высоким разрешением на базе анализатора изображения Thixomet , ASTM E1268 для количественной микроструктурной металлографии и т.д.), не позволяет количественно и с высокой точностью оценить влияние полосчатой структуры на анизотропию сопротивления деформированию и разрушению в направлении, поперечном прокатке и в Z-направлениях и тем самым проведение корректировки не только свойств металла листа, но и технологии производства проката.
Известен способ контроля качества листового проката с помощью испытаний на ударный изгиб образцов по ГОСТ 9454 (прототип), вырезанных в направлении поперек прокатки, который позволяет выявить поверхности раздела, т.е. участки расслоения, и тем самым оценить полосчатость структуры. Так, например, данные таблицы 1 свидетельствуют, что ударная вязкость образцов различается от 3,79 до 14,3 раз. При этом излом образца, вырезанного в поперечном направлении, с низкой ударной вязкостью, может иметь участки с расслоением из-за полосчатой структуры (рис.1). В случаях, когда надрез не находится в зоне полосчатости, наличие полосчатой структуры не оказывает влияния на энергоемкость работы разрушения металла листового проката, т.к. работа зарождения трещины значительно больше работы ее распространения.
Недостатком способа является большой разброс результатов испытаний и, как следствие, низкая качественная и количественная достоверность обнаружения полосчатых структур, что затрудняет контроль как листового проката, так и технологического цикла производства. Также недостатком ГОСТ 9454 является случайный выбор места отбора образцов и положения надреза в металле.
| Таблица 1 | |||||||
| Механические свойства листового проката | |||||||
| Марка стали, технология производства | Толщина листа, мм | σ 0,2 | σ B | δ 5 | ψ Z | KV -60 , Дж | Примечание |
| МПа | % | ||||||
| 08ГНФБ, | 50 | 410 | 520 | 31 | - | 285;30 | ψ Z - сужение в Z-направлении |
| закалка и отпуск | 420 | 520 | 26 | - | 272,19 | ||
| ≥390 | 510 | ≥20 | ≥35 | ≥50 | |||
| 650 | |||||||
| 09ГНДБ, | 50 | 550 | 650 | 26 | 5; 71 | 186; 175 | |
| ТМО | 540 | 630 | 25 | 43; 69 | 49 | ||
| Требования технической документации | ≥460 | 550 | ≥19 | ≥35 | ≥50 | ||
| 700 |
Техническим результатом изобретения является повышение достоверности определения качественной и количественной оценки степени полосчатости структуры металла листового проката, а также возможность использования изобретения для обеспечения изотропности свойств листового проката.
Для достижения технического результата способ контроля качества листового проката феррито-перлитных сталей включает изготовление ориентированных в поперечном направлении образцов с острым V-образным надрезом, проведение испытаний по определению ударной вязкости и полосчатости структуры проката, при этом дополнительно изготавливают образцы, ориентированные по толщине листового проката в Z-направлении, при этом образцы, ориентированные в поперечном и Z-направлениях, вырезают так, что V-образный надрез находится в средней части листового проката, определяют величину ударной вязкости каждого вида образца при температуре эксплуатации (t э) и отношение величин ударной вязкости образцов:
где - ударная вязкость образцов с острым V-образным надрезом, вырезанных из средней части листового проката в поперечном направлении;
Ударная вязкость образцов с острым V-образным надрезом, вырезанных из средней части листового проката в Z-направлении, причем при соотношении величин ударной вязкости, равном 3-5, листовой прокат подвергают отпуску при 650°, а при соотношении величин ударной вязкости выше 5 листовой прокат подвергают закалке с последующим отпуском при 610°.
Для всесторонней и наиболее полной оценки спротивляемости хрупкому и вязкому разрушению с учетом влияния полосчатости, количественное проявление дефектности которой практически не определимо с помощью результатов испытаний на удар образцов в направлении, поперечному прокатке и методами классической оптической и анализаторно-цифровой металлографии, необходимо изготовить образцы, надрез которых перпендикулярен направлению проката (поперечные образцы, вырезанные из центральной зоны по толщине листа), и образцы в Z-направлениях, надрез которых расположен в средней части по толщине листа и практически параллелен полосчатой структуре. Образцы на ударную вязкость необходимо изготавливать по ГОСТ 9454, тип 11.
Контроль образцов согласно заявленному способу может осуществляться для листового проката толщиной 20 мм и более. Для изготовления образцов в Z-направлениях листов толщиной менее 55 мм допускается изготовление периферийной части образца с помощью сварки трением, ручной дуговой сварки и т.д. в соответствии с ГОСТ 28870, но при этом необходимо исключить влияние сварки на зону надреза в ударном образце.
Отношение величин ударной вязкости образцов, вырезанных в поперечном направлении, к величине ударной вязкости образцов, ориентированных вдоль толщины листового проката в Z-направлении, определяется по соотношению
при этом, если соотношение значений ударной вязкости находится в пределах от 3 до 5, то листовой прокат подвергают отпуску, если соотношение значений ударной вязкости выше 5, то листовой прокат подвергают закалке с последующим высоким отпуском при температуре 610°С. Отпуск позволяет снизить напряжения II рода, повысить пластичность и ударную вязкость стали, при этом величина полосчатости изменяется незначительно.
При проведении закалки и высокого отпуска - полной перекристаллизации структуры удается устранить полосчатую структуру (рис.2, 3), тем самым значительно снизить различие по пластичности и ударной вязкости в поперечном и Z-направлениях.
Пример выполнения способа
Для оценки влияния полосчатой структуры на анизотропию свойств и возможной корректировки этих свойств материала толстолистового проката после термомеханической обработки использован толстый горячекатаный лист из стали марки 08ГНБ после контролируемой прокатки при конечной температуре 750-720°С с последующим охлаждением на воздухе.
Химический состав исследуемой стали представлен в таблице 2.
Оценка полосчатости структуры проводилась по результатам значений ударной вязкости и механических свойств.
Результаты испытаний представлены в таблице 3.
Как видно из полученных результатов (таблица 3), а также из соотношения данных испытаний образцов на ударную вязкость в поперечном и Z-направлениях, можно полагать, что данный способ позволяет качественно и количественно определить степень полосчатости структуры, выявить объективное качество материала, а при необходимости осуществить его корректировку с помощью отпуска, снижающего структурную напряженность или термической обработки (закалка + высокий отпуск), обеспечивающей полную структурную перекристаллизацию (рис.3) с целью уменьшения или устранения полосчатости структуры. Для этого отобранные листы были подвергнуты отпуску при 650°С и термической обработке: закалке от 910°С в воде с отпуском при 610°С и выдержкой 4,5 мин/мм.
Ожидаемый технико-экономический эффект, по сравнению с прототипом, выражается в возможности осуществления контроля и корректировке свойств, а также оптимизации технологий изготовления толстолистового проката, что позволяет повысить надежность и долговечность изделий, в частности трубопроводов и судокорпусных конструкций, включая газо-нефтедобывающую морскую технику арктического исполнения, изготовленных из экономнолегированных низкоуглеродистых феррито-перлитных сталей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марков С.И., Головин С.В., Казанцев А.Г. и др. Комплексная оценка штрипса импортной поставки 2006 г. для труб нефтемагистрали Восточная Сибирь - Тихий океан, XV Международная научно-техническая конференция «Трубы-2007», Челябинск, 2007.
2. Анастасиади Г.П., Сильников М.В. Неоднородность и работоспособность стали. СПб: Полигон, 2002, 623 с.
3. Казаков А.А., Киселев Д.В., Казакова Е.И., Чигинцев Л.С. Разработка методов оценки структурной и химической неоднородности современных трубных сталей. Сб. мат. XX Уральской школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов». Пермь-Екатеринбург, 2010, с.44.
4. Малахов Н.В., Мотовилина Г.Д., Хлусова Е.И., Казаков А.А. Структурная неоднородность и методы ее снижения для повышения качества конструкционных сталей. Вопросы материаловедения, 2009, №3(59), с.52-64.
Способ контроля листового проката феррито-перлитных сталей по степени полосчатости, включающий изготовление ориентированных в поперечном направлении образцов с острым V-образным надрезом, проведение испытаний по определению ударной вязкости и полосчатости структуры проката, отличающийся тем, что дополнительно изготавливают образцы, ориентированные по толщине листового проката в Z-направлении, при этом образцы, ориентированные в поперечном и Z-направлениях, вырезают так, что V-образный надрез находится в средней части листового проката, определяют величину ударной вязкости каждого вида образца при температуре эксплуатации (t э) и отношение величин ударной вязкости образцов:
где
- ударная вязкость образцов с острым V-образным надрезом, вырезанных из средней части листового проката в поперечном направлении,
- ударная вязкость образцов с острым V-образным надрезом, вырезанных из средней части листового проката в Z-направлении, причем при отношении величин ударной вязкости, равном 3-5, листовой прокат подвергают отпуску при 650°С, а при отношении величин ударной вязкости выше 5 листовой прокат подвергают закалке с последующим отпуском при 610°С.
Дефект «полосчатость» является одним из распространенных дефектов анодированных профилей из , например, сплавов 6060 и 6063 по международной и европейской классификации или сплава АД31 по отечественному ГОСТ 4784. По-английски этот дефект называют « streaking ». Обычно он проявляется уже после анодирования, что затрудняет выявление его причины. Сущность этого дефекта в том, что на поверхности профиля визуально видны узкие полосы с различным контрастом блеска или матовости как между ними самими, так и по сравнению с окружающей нормальной анодированной поверхностью. Пример этого дефекта анодирования представлен на рисунке.
Причины дефекта анодирования “полосчатость”
Известны, как минимум, три причины возникновения дефекта «полосчатость»:
- Прессовые сварные швы
Металл из поверхностной зоны слитка
Первая причина – попадание в поверхность профиля металла поверхностной, так называемойсегрегационной зоны исходного слитка, обогащенногоинтерметаллидами и оксидами.
Прессовые сварные швы
Вторая причина – технологические, «прессовые» сварные швы профиля, продольные и поперечные. Поперечные швы возникают при обычной практике прессования заготовок «стык в стык», когда металл двух последовательных заготовок сваривается непосредственно в матрице и в него попадает металл поверхностного слоя из заднего конца предыдущей заготовки. Продольные швы возникают на полых профилях при соединении потоков металла после прохождения смежных портов матрицы. При стыковке двух заготовок материал загрязнения из заднего конца заготовки могут попадать и в продольные швы. Для устранения первых двух причин применяют: 1) более качественные слитки с минимальной толщиной сегрегационной зоны и 2) увеличенную толщину пресс-остатка.
Неправильная конструкция матрицы
Более сложной является третья причина, связанная с недостатками конструкции матрицы. В этом случае полосы возникают из-за сильных различий в пластической деформации или ее скорости в различных зонах сечения профилей со сложным или полым сечением. В результате возникают зоны металла с резко отличающимися характеристиками микроструктуры, такими как размер зерна, ориентация зерен, а также размер и количество выделений вторичных фаз. Кроме того, продольные швы также могут протравливаться неоднородно и быть видны даже и без участия загрязненного металла из поверхностного слоя. Это может быть опять же из-за неадекватной конструкции матрицы по размерам, форме или расположению сварочных камер.
Оптика дефекта анодирования “полосчатость”
Оптическая сущность полосчатостизаключается в том, что разные полосы имеют различную степень блеска или матовости. Блеск и матовость поверхности зависят от ее отражательных свойств, которые, в первую очередь, зависят от микротопографии поверхности. Эта топография определяется различными поверхностными несовершенствами, которые образуются в основном при травлении.
Часто поверхность дефектных полос имеет более грубую струкутуру, чем у нормальной поверхности и поэтому выглядит более матовой, так ее поверхностные несовершенства увеличивают диффузионную часть отраженного света. При оксидный слой образуется на поверхности исходного металла. Оптические свойства поверхности после анодирования в основном зависят от топографии поверхности исходного металла и мало зависит от самой оксидной пленки, потому что она является прозрачной.
Матовое щелочное травление алюминиевых профилей
Цель травления поверхности перед анодированием – получить гомогенную матовую поверхность. Травление меняет микроструктуру и оптические свойства поверхности за счет создания дополнительных поверхностных несовершенств: ямок травления, канавок границ зерен и ступенек травления зерен.
Роль железа в алюминиевом сплаве
Размер и распределение ямок травления зависит в основном от размеров и распределения в поверхностном слое интерметаллидных фаз: первичных частиц Al 3 Fe , α- AlFeSi и β- AlFeSi и вторичной фазы Mg 2 Si . Железосодержащие частицы имеют более высокий электрохимический потенциал, чем окружающий их алюминий, поэтому растворяются не они, а алюминий вокруг них. При достаточно длительном травлении эти частицы полностью выпадают и размер ямок часто больше, чем их исходный размер, иногда до 10 мкм в диаметре. Поэтому содержание железа в сплаве и оказывает значительное влияние на оптический вид поверхности после травления. Напротив, частицы Mg 2 Si действуют как аноды, что приводит к полному их вытравливанию с образованием ямок, повторяющих форму частиц. Поэтому малый размер частиц β- Mg 2 Si и их высокая плотность распределения дают значительный вклад в формирование матовой поверхности, в том, числе в ямках от первичных Fe -частиц. Такая высокая плотность мелких частиц Mg 2 Si достигается эффективной закалкой и искусственным старением профилей.
Роль границ зерен
Другим важным параметром микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются канавки границ зерен . Обычно границы зерен более восприимчивы к щелочному травлению. Однако, оказывается, что внутри на «полосчатой» поверхности канавки границ зерен еле видны, тогда как на нормальной поверхности – границы зерен глубокие и видны очень четко. Эту «смазанность» канавок границ зерен считают одной из причин, почему дефектные полосы выглядят светлее: мелкие канавки уменьшают долю диффузионной части отраженного света.
Ступеньки зерен
Еще одним элементом микроструктуры поверхности, влияющим на ее оптические свойства, являются так называемые ступеньки травления зерен. Дело в том, что при прессовании алюминиевых сплавов образуются некоторые предпочтительные ориентации зерен, то есть определенная текстура зерен. Установлено, что в дефектных полосах большинство зерен ориентировано в направлении прессования, а на нормальной поверхности зерна ориентированы случайным образом. Различие в текстуре дефектных и нормальных участковприводит к различной интенсивности отражения света.
Роль конструкции матрицы
Установлено, что описанные выше особенности поверхностной микроструктуры профилей возникают при прессовании сложных и, вдобавок, полых профилей, когда возникают сложные потоки металла с большими деформациями и скоростями деформаций. Именно это и приводит к возникновению неоднородной поверхностной микроструктуры поверхности профилей, которая является причиной дефекта «полосчатость».
Источник : X. Zhang et al, Aluminum Extrusion Technology Seminar, 2008.