Читать книгу Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры» - Станислав Львович Горобченко - Страница 6

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ МОДУЛЯ

Обзор решений по выбору литейных сталей для криогенных температур. Основные классы материалов. Их преимущества и недостатки.

Применяемые методы исследований.

Механические и технологические свойства литейных хромомарганцевых сталей.

Комплексное влияние легирующих элементов на механические и литейные свойства хромомарганцевых сталей при криогенных температурах.

Влияние литой структуры на свойства сталей при криогенных температурах. Фрактография разрушения литых сталей.

Оценка совокупного влияния структуры и легирующего комплекса на свойства литых хромомарганцевых сталей.

Модуль 3 является наиболее важным для практики исследования литых сталей на основе хромомарганцевого аустенита, как наиболее перспективной основы для литых сталей криогенного назначения. В модуле мы подробно рассмотрим особенности формирования свойств литых сталей и математические модели изменения свойств в зависимости от изменения характера легирования. Наше исследование мы сопроводим детальным исследованием особенностей литой структуры хромомарганцевых сталей с целью определения всех значимых элементов структуры сталей, способных оказывать серьезное влияние на хрупкость сталей при криогенных температурах.

ПРАКТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ ДЛЯ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Сейчас мы в конспективной форме дадим основные положения работы, доказывающей перспективность хромомарганцевой системы легирования литых сталей для криогенных температур. Так, хромомарганцевая система легирования в литых сталях позволяет:

– обеспечить повышение хладостойкости за счет выбора рациональной системы легирования. В частности, для корпусов криогенной арматуры найдена оптимальная хромомарганцевая система легирования.

– предложить оптимальные решения для литейных хромомарганцевых сталей, сочетающих в себе высокую прочность при комнатной температуре и высокую вязкость при криогенной температурах.

– выявить свойства этих сталей, и найти области составов литого хромомарганцевого аустенита, имеющего повышенный комплекс механических и литейных свойств.

– дать конкретные рекомендации по выбору состава сталей для литой криогенной арматуры и других деталей криогенных систем.

– предложить математические модели и регрессионные зависимости механических свойств в зависимости от химического состава Cr-Mn-Ni-V-N сталей в широком диапазоне температур и концентраций легирующих элементов. Мы представим регрессионные зависимости литейных свойств от химического состава Cr-Mn-Ni-V-N сталей, способные значительно облегчить поиск оптимальных составов при инжиниринге литых сталей.

– показать характер разрушения литейных сталей при криогенных температурах и выявить наиболее важные элементы структуры, ответственные за хрупкое разрушение литых сталей. Так, Вы увидите, что наибольшее влияние на уровень пластических и вязких свойств оказывает ликвация примесей внедрения и серы, характер дендритной структуры и неметаллических включений. Даже при неравномерном распределении хрома и марганца в пределах литого дендритного зерна, обусловленного концентрацией этих элементов и условиями затвердевания, хладостойкость этих сталей увеличивается.

В практике инжиниринга литых сталей это означает, что, используя регрессионные зависимости, Вы сможете осуществлять обоснованный выбор состава сталей, отвечающих заданному комплексу механических и литейных свойств, получать конкретные составы для литых деталей криогенной техники, позволяющих гарантировать их работоспособность при криогенных температурах. При внедрении этих сталей Вам окажет помощь технологическая инструкция на выплавку, заливку форм и термообработку новых марок сталей. Все вместе дает возможность получить экономический эффект от внедрения литейных Cr-Mn сталей вместо деформированных Cr-Ni сталей. По имеющимся расчетам экономический эффект составляет свыше 700 Долл. на тонну литья.

Основные преимущества применения хромомарганцевых сталей для криогенной техники связаны с нахождением оптимальных пределов варьирования основных легирующих элементов. Как выяснилось, только литейные стали на основе хромомарганцевого аустенита способны обеспечить одновременно высокие механические свойства, высокую хладостойкость при 77К и ниже и одновременно высокие литейные свойства. Хромомарганцевые литые стали для повышения свойств целесообразно легировать элементами, повышающими прочность (азот и ванадий) и пластичность (никель).

В результате рассмотрения множества данных о применении литейных сталей были определены пределы варьирования основных легирующих элементов, позволяющих получить высокий комплекс свойств: хрома 8–14 %, марганца 20–28 % для обеспечения аустенитной структуры, никеля 0–6 % для получения высокой низкотемпературной вязкости, ванадия 0–1,5 % для измельчения дендритной структуры, азота 0–0,2 % для повышения прочностных свойств при комнатной температуре.

МЕТОДИКА

Выбор составов при комплексном инжиниринге сталей проводится при помощи метода планирования эксперимента. В приводимом исследовании план эксперимента состоял из 21 состава. Стали выплавлялись в 150 кг открытой индукционной печи с хромомагнезитовым тиглем и заливались в оболочковые формы – кусты образцов для механических испытаний, а также в литейную форму Нехендзи-Купцова.

Испытания сталей проводятся методами статического растяжения и на динамический изгиб. В приведенных материалах по практике исследования сталей их испытывали в нетермообработанном состоянии и после аустенитизации при 1000–1100^оС, выдержки 1 час, охлаждения в воде. Для получения системных результатов, кроме испытаний на статическое растяжение гладких цилиндрических образцов диаметром 6мм и образцов на динамический изгиб размером 10х10х55мм с острым надрезом по Шарпи при температурах 293, 77 и 20К проводятся исследования образцов, вырезанных из литейной пробы после заливки в кокиль, а также после обработки давлением. По результатам заливки определяются литейные свойства.

Анализ структуры проводится металлографическим, магнитным и рентгеноструктурным методом, а состава – микрорентгеноспектральным методом. Характеристики включений определяются металлографическим (по методу П ГОСТ 1778–70) и микрорентгеноспектральным методами.

Распределение легирующих элементов и примесей определяется на растровом электронном микроскопе Р9М-100У. Оценка характера разрушения образцов проводится на растровом электронном микроскопе JSM-U3.

КОМПЛЕКСНОЕ ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЛИТЕЙНЫЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Основное влияние на повышение прочности при всех температурах оказывает азот. При комнатной температуре в сталях с азотом значений временного сопротивления более 300 МПа можно достичь независимо от концентраций хрома и марганца. С понижением температуры влияние азота на прочность увеличивается.

Упрочняющее действие азота уменьшается при легировании никелем. При совместном легировании азотом и ванадием резко снижается низкотемпературное упрочнение. Удаление азота из твердого гамма-раствора за счет образования карбонитридов дает меньший упрочняющий эффект, чем при легировании одним азотом.

Наибольшая прочность и рост низкотемпературного упрочнения в сталях без азота соответствует составам с 8 % хрома и 20 % марганца. Их сильное упрочнение обуславливается деформационным фазовым превращением при низких температурах. В этих составах появляется до 15 % Ɛ-мартенсита в изломе при низкотемпературном нагружении. Минимальное значение предела текучести и низкотемпературного упрочнения соответствует области однофазного аустенита с 8 % хрома и 28 % марганца.

ПЛАСТИЧНОСТЬ И РАБОТА ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ

Практически все хромомарганцевые аустенитные стали имеют относительное удлинение при 77 и 20К выше минимально допустимых значений (больше 15 %). В связи с этим более важно оценивать влияние химического состава на энергоемкость при испытаниях на растяжение, являющуюся одним из критериев работоспособности материала.

Регрессионные зависимости энергоемкости деформации и разрушения при статическом нагружении показывают интересные факты. Изменение энергоемкости имеет пик в области температур 77К. Максимальными значениями работы деформации и разрушения обладают стали с 13 % хрома и 28 % марганца.

Азот снижает значения энергоемкости и ее максимум при температуре 77К не достигается. Хотя никель меняет характер поверхности отклика, но максимальные значения работы деформации и разрушения могут быть достигнуты и в случае безникелевых составов. Ванадий мало влияет на характеристики энергоемкости.

ВЯЗКИЕ СВОЙСТВА

При комнатной температуре легирование ванадием совместно с азотом определяет до 64 % общего изменения ударной вязкости. Самые низкие значения KCV соответствуют областям максимальных значений ванадия и азота. При криогенных температурах главная роль в падении значений KCV принадлежит азоту. Понижение ударной вязкости в интервале температур от 293 до 20К соизмеримо со средними значениями KCV при комнатной температуре. Однако, если азот вводить вместе с ванадием, то ударная вязкость мало изменяется вплоть до криогенных температур. Разница между величинами KCV при 293 и 20К составляет меньше 30 Дж\см².

ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Основным видом термообработки для аустенитных сталей является закалка. Влияние закалки на механические свойства определяется по разнице между величинами свойств в литом нетермообработанном и закаленном состоянии при соответствующих температурах испытания (293, 77 и 20К).