Влияние элементов на свойства стали горячекатаном и нормализованном составах.

Легирующие элементы, изменяя параметры решетки железа, упрочняют феррит (кроме хрома), незначительно влияют на характеристики пластичности (кроме элементов образующих растворы внедрения) и обычно понижают вязкому (за исключением никеля и хрома). Степень влияния отдельных элементов зависит от типа образуемого твердого раствора, различия атомных радиусов железа и растворенного элемента, а также взаимодействия их электронных оболочек. Авторами проведен систематические исследования влияния элементов на свойства низкоуглеродистых низколегированных сталей в различных структурных состояниях. Основная часть плавок отлита фракционно с варьированием содержания основных и дополнительных легирующих элементов.

Основные легирующие элементы (углерод, марганец, кремний) оказывают монотонно упрочняющиее влияние, причем интенсивность влияния углерода выше (0,1 % С повышает σ_в на 40 Н/мм²), чем у марганца и кремния (~20 Н/мм²). При повышенном содержании углерод выделяется в виде карбидной фазы. Углерод оказывает значительно большое влияние на временное сопротивление, чем на предел текучести, поэтому он уменьшает отношение σ_т/σ_в (рис. 3). Упрочнение за счет углерода связано с увеличение количества перлита и явлением постепенного измельчения зерна, что видно из приведенных данных для стали с 0,8 % Mn:

При содержании углерода более 0,25 % наблюдается обратная тенденция и зерно феррита несколько упрочняется. Повышение содержания углерода сопровождается уменьшением значений ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, повышения порога хладноломкости. При содержании углерода более 0,23 % наблюдается существенное повышение порога хладноломкости стали. Такое влияние углерода на ударную вязкость и хладостойкость стали следует объяснить тем, что в определенных условиях превалируют фактор повышения количества перлита, а в других – измельчения зерна. Чаще наблюдается измельчение проявление неблагоприятного влияния повышенного количества перлита. Степень влияния перлита на повышение переходной температуры зависит также от величины зерна стали: с ее уменьшением усиливается степень влияния перлита на переходную температуру. Отсюда следует, что использование сталей с низким содержанием углерода при наличии крупнозернистой структуры в отношении переходной температуры менее эффективно, чем в сталях с мелкозернистой структурой, в которых снижение содержания углерода сопровождается понижением переходной температуры. В сталях с очень низким содержанием углерода критическая температура хрупкости зависит от формы и характера распределения перлитной составляющей. Обычно снижение содержания углерода до низкого уровня (0,05 % и ниже) в марганцовистых горячекатаных сталях сопровождается существенным сдвигом переходной температуры в сторону более низких температур.

С повышением содержания углерода в нормализованной марганцовистой стали уменьшается способность металла сопротивляться развитию трещины, зависящая в основном от величины зерна.

Рис. 3 Влияние углерода на механические свойства горячекатаных низколегированных сталей: сплошная линия – сталь: 1,4 % Mn, 0,3 % Si, 0,04 % V, 0,03 % Nb, 0,03 % S (температура нагрева под прокатку 1200 °С, окончание прокатки 850 °С); пунктирная линия – сталь с 1,35 % Mn, 0,45 % Si, 0,025 % Ti, 0,012 % S (температура нагрева под прокатку 1150 °С, окончание прокатки 760 °С).

Легирование марганцем сопровождается упрочнением и снижением ударной вязкости и хладостойкости, а легирование кремнием – ухудшением последних показателей при содержании его более 0,8 %. Резкое ухудшение пластических характеристик происходит при содержании марганца ~ 2 % и более и связано с образованием при содержании углерода 0,1 % и более чрезмерно большого количества продуктов промежуточного превращения. Характер изменения ударной вязкости, хладостойкости с повышением содержания марганца определяется соотношением структурных составляющих (феррит, перлит и продукты промежуточного превращения) и степенью воздействия этого элемента на величину зерна феррита. В нормализованной стали с 0,2 % С введение марганца сопровождается увеличением доли перлитной составляющей без существенного измельчения структуры, поэтому сталь упрочняется с некоторым ухудшением вязкости и хладостойкости (рис. 4) В стали с меньшим содержанием углерода введение марганца до 1,5 % повышает сопротивление хрупкому разрушению. Это связанно с тем, что указанный элемент уменьшает блокировку дислокаций (снижает содержание азота в атмосферах Коттрелла) и обеспечивает получение продуктов распада аустенита повышенной дисперсности.

Упрочнение феррито–перлитной стали за счет повышения содержания кремния связано с искажением кристаллической решетки.

Кремний не образует в стали каких-либо новых фаз и структурных составляющих, поэтому микроструктуру кремнесодержащих сталей феррито-перлитного класса не отличается от структуры бескремнистых сталей. Образующийся в кремнесодержащей стали цементит не содержит кремний, поскольку его сродство к углероду значительно ниже, чем сродство железа к углероду.

Небольшие количества кремния обнаруживаются а карбидах, которые образовались при изотермическом превращении в перлитной области. Следует считать, что более достоверны данные о незначительной растворимости кремния в цементите.

Межатомные силы связи кремния с железом сильнее, чем соответствующие силы связи кремния с углеродом, поэтому растворяясь в феррите, кремний ослабляет связь атомов железа с углеродом и способствует графитизации. Кремний измельчает блоки и увеличивает искажения. При содержании кремния более 1 % ударная вязкость нормализованного железа при комнатной температуре заметно снижается в силу особенностей межатомных связей твердого раствора железо – кремний. Кремний, кроме того, способствует укрупнению зерна (особенно при содержании более 0,5 %).

Имеются сведения о том, что кремний в количества больших, чем это нужно для раскисления (0,2 – 0,5 %) уменьшает плотность подвижных дислокаций, что приводит к возрастанию сил трения в решетке и повышению сопротивления пластической деформации.

С железом никель образует непрерывный ряд твердых растворов. Температура распада аустенита никельсодержащих сталей ниже, чем у безникелевых сталей, поэтому этот элемент в количестве до 1 % способствует получению дисперсной структуры, а при больших количествах – структуры игольчатого феррита. Никель оказывает слабое влияние на стандартные механические свойства марганецсодержащей низколегированной стали. Образующийся при содержании никеля > 1,3 % продукты превращения повышают температуру перехода в хрупкое состояние, в то время как при меньших количествах данный элемент благоприятно влияет на этот показатель, а также на работу развития трещины. При введении в сталь до 0,9 % Ni – сохраняется феррито-перлитная структура, а при больших концентрациях появляются продукты промежуточного превращения.

В феррито-перлитных сталях хром находится в основном в растворе. Упрочнение от наличия хрома значительно слабее, чем от других легирующих элементов. В марганецсодержащей стали (0,2 % С) хром до 0,7 % слабо влияет на ее стандартные свойства и не изменяет соотношения структурных составляющих. При больших количествах хрома появляются продукты промежуточного превращения, что сопровождается резким повышением прочности и существенным снижением пластичности стали (рис. 4).

Рис. 4 Влияние легирующих элементов на свойства нормализованной низколегированной стали типа 20Г2 (1,5 % Mn).

Этот элемент снимает абсолютные значения ударной вязкости (сильнее при содержании более 0,7 %) и ухудшает хладностойкость. Работа развития трещины также уменьшается при увеличении содержания хрома, причем наиболее резко при количествах более 0,7 %.

В феррито-перлитных низкоуглеродистых сталях (0,09 % С, 0,42 % Mn, 0,25 % Si) молибдена преимущественно находится в твердом растворе и практически не оказывает влияния на их механические свойства в нормализованном состоянии. Только при комплексном легировании молибденом и бором образуется бейнитная структура, существенно повышающая прочность с уменьшением пластичности. При повышенном содержании углерода (0,2 %) и марганца (1,5 %) молибден обеспечивает получение продуктов промежуточного превращения без наличия бора, что сопровождается существенным повышением прочности, снижением ударной вязкости, хладостойкости и работы развития трещины.

Медь обладает крайне ограниченной растворимостью в α – железе и при повышенных количествах (≥ 0,4 %) вызывает дисперсионное твердение. Эффект упрочнения от растворения меди находится практически на уровне, наблюдаемом для никеля.

Характер влияния меди на ударную вязкость и хладостойкость зависит от содержания и распределения меди: при небольших количествах ее влияние подобно никелю, а при больших, вызывающее дисперсионное твердение, этот элемент снижает ударную вязкость и хладостойкость низколегированных сталей.

Сера и фосфор являются постоянными примесями в низколегированных сталях и их присутствие не желательно. Сера практически не влияет на прочность, но уменьшает пластичность и ударную вязкость (особенно в поперечном направлении к оси прокатки), в то время как фосфор существенно упрочняет феррит с соответствующим снижением пластических и вязких свойств. С уменьшением содержания серы значение ударной вязкости повышается, наиболее интенсивно при содержаниях серы менее 0,01 %. В то же время влияние серы на порог хладноломкости (Т₅₀) неоднозначно. Установлен так называемый сульфидный эффект. С повышением содержания серы снижается величина ударной вязкости при вязком разрушении, однако температура, при котором вязкий излом сменяется хрупким, смещается в область более высоких температур. Это смещение свидетельствует о повышении хладостойкости стали с высокой серой.

С повышением содержания фосфора наблюдается непрерывное снижение ударной вязкости при комнатной и минусовых температурах, уменьшение волокнистости в изломе и работы развития трещины.

Считается что хрупкость сталей, содержащих фосфор, развивается в результате сегрегации фосфора по границам зерен. Вредное влияние фосфора ослабляется раскислением металла кремнием. Эффективнее кремния влияет алюминий, который в количестве 0,05 % обеспечивает получение стали с удовлетворительной ударной вязкости при наличии фоссфора до 0,12 %. Вредное влияние фосфора на хладостойкость связанно с огрублением структуры и охрупчиванием границ зерен из-за выделения железа.

Газы – кислород, водород и азот – являются обычными примесями в стали и обладают малой растворимостью в железе. Кислород считается одной из основных примесей, охрупчивающих сталь. С увеличением содержания этой примеси критическая температура хрупкости смещается в сторону высоких температур.

По характеру влияния водорода на ударную вязкость и сопротивление разрушению имеются противоречивые данные, причем в большинстве случаев не отмечается влияние этого элемента на хладноломкость. Из низколегированных сталей водород относительно легко удаляется благодаря повышению диффузии.

Азот отрицательно влияет на ударную вязкость и сопротивление хрупкому разрушению низколегированных сталей при растворении его в твердом растворе или при образовании нитрида железа, вызывающем явление деформационного старения.

1.3.2 Стали с твёрдорастворным упрочнением.

Несмотря на относительную простоту легирования трубных феррито-перлитных сталей, они характеризуются довольно сложными взаимозависимостями различных структурных факторов. К примеру, легирование марганцем оказывает воздействие на содержание феррита и перлита, температуру превращения, размер зерна при нагреве и охлаждении, требуемую скорость охлаждения и, следовательно, на комплекс свойств.

Сталь 19Г была предназначена для изготовления труб методом холодного экспандтрования, а сталь 14 ХГС – для труб, подвергаемых горячей правке.

Количество необходимого алюминия в стали зависит от содержания в ней кислорода и азота.

Опыт изготовления и эксплуатации труб из стали 19Г показал, что эта сталь не отвечает требованием, предъявленным к металлу для газопроводных труб и связи с ее относительно низкой прочностью, чувствительностью к концентраторам напряжений и низким сопротивлением разрушению. В связи с этим были предприняты работы по совершенствованию марочного состава и технологии производства стали для газонефтепроводных труб диаметром 530-1120 мм.

Для горяченаправленных труб была разработана сталь 14ХГС, обеспечивающая в готовых трубах поле горячей правки, которая равноценна нормализации, следующий уровень свойств (средние значения σ_т = 373 H/мм², δ = 534 H/мм², σ₅ = 29,7 %, KCU _{_40} = 59 Дж/см². Испытания показали, что холодное деформирование нормализованной стали 14ХГС (до 5 %) оказывает сравнительно небольшое влияние на ударную вязкость, которая сохранялась на уровне не выше 50 Дж/см².

Таблица 3. Влияние холодного деформирования на свойства стали 19Г.

Значительное повышение свойств низколегированных сталей, особенно пластичности и ударной вязкости, достигаемое за счет нормализации, привело к заметному повышению доли листовой стали, поставляемой в нормализованном состоянии.

Особенно важным фактором, способствующим повышением комплекса свойств трубных сталей 19Г является введение операции нормализации листового проката, благоприятно влияющей на структуру в направлении измельчения зерна и предупреждения образования продуктов.

Для менее ответственных труб диаметром 530 – 820 мм разработана сталь 17ГС с несколько меньшим содержания марганца, используемая в горячекатаном состоянии. Исследования показали, что понижение температуры конца прокатки положительно влияет на ударную вязкость горячекатаных листов из стали 17ГС. Максимальные значения этой характеристики при -40 °С и наибольшее количество волокнистой составляющей в изломе образцов отмечено после прокатки с окончанием деформации при температуре 850 °С. С понижением температуры конца прокатки предел текучести и величина относительного удлинения повышаются.

Практика массового изготовления газопроводных труб из стали 17ГС подтвердило, что эта сталь технологична и относится к классу хорошо свариваемых. Для прогнозирования среднеплавочной величины временного сопротивления (Н/мм²) можно пользоваться следующим уравнением:

σ_в = (6,75 % C + 9,25 % Mn + 4,48 % Si + 30,71) • 9,8

При величине С + 0,25 % Mn ≥ 0,44 % на стали типа 17ГС в нормализованном состоянии обеспечивается временное сопротивление не менее 510 Н/мм² и предел текучести 360 Н/мм². С этой целью наиболее рационально увеличить содержание марганца до 1,15 – 1,55 %. Сталь скорректированного состава получила наименование 14Г1С.

Средневзвешенные значения механических свойств листов из стали 17Г1С находятся на следующем уровне: σ_т = 395 Н/мм², σ_в = 553 Н/мм², δ₅ = 28,8 % и KCU_-40 = 78 Дж/см². Средневзвешенное значение отдельных элементов составляло: 0,17 % С, 1,23 % Mn, 0,48 % Si, 0,025 % S и 0,018 % Р.

Уравнение множественной регрессии, показывающие влияние химического состава на ударную вязкость (Дж/см²) листовой стали 17Г1С имеет следующий вид:

KCU_-40 = (14,37 – 11,21 С – 0,69 Mn – 2,51 Si – 78,52 S – 12,2 Р) •10,

KCU_-60 = ( 10,87 – 9,13 С + 0,65 Mn – 2,82 Si – 59,09 S – 13,08 Р) •10.

Таблица 4 . Среднее значение ударной вязкости стали 17Г1С.

Таблица 5. Содержание неметаллических включений в стали 17Г1С

Как видно из приведенных уравнений, наиболее существенное влияние на ударную вязкость стали 17Г1С оказывает содержание серы.

Фактическая и рассчитанная по уравнению множественной регрессии средняя ударная вязкость листовой стали 17Г1С при температурах -401 и -60 °С в зависимости от содержания элементов находятся в хорошем состоянии (таб. 4).

С увеличением содержания серы в стали 17Г1С количество неметаллических включений увеличивалось, причем при содержании серы ≥ 0,030 % включения располагались скоплениями и строчками (таб. 5)

Исследования показало, что нормализованная сталь 17Г1С хорошо сопротивляется образованию трещин и надрывов при жесткой пластической деформации, обладает низким температурным порогом хладноломкости, а также достаточно однородными механическими свойствами при пластическом растяжении вдоль и поперек оси прокатки листа (таб. 6). В то же время наблюдается значительная анизотропия ударной вязкости на продольных и поперечных образцах (таб. 7).

С увеличением содержания серы резко возрастает количество сульфидных включений, а максимальный размер их практически не изменяется.

Порог хладноломкости Т₅₀ у листовой стали 17Г1С лежит в интервале (-20) ÷(-40) °С, а нижняя граница критического интервала хрупкости – (-80) ÷(-90) °С.

Не смотря на введение технологии прокатки по продольно-поперечной схеме сохраняется значительная анизотропия ударной вязкости. Ударная вязкость на образцах, вырезанных в продольном направлении к оси прокатки, примерно на 30% выше, чем на поперечных образцах.

После холодной деформации и старении ударная вязкость стали 17Г1С снижается, однако она остается все же на достаточно высоком уровне. Потери ударной вязкости в результате деформационного старения 25 – 41 %.

Таблица 6. Механические свойства стали 17Г1С при растяжении.

Таблица 7. Ударная вязкость стали 17Г1С в зависимости от тепературы испытания.

Ограниченная чувствительность стали к деформационному старению имеет большое практическое значение, поскольку в процесс изготовления труб металла подвергается пластической деформации, способность вызвать с течением времени старение. Обычно нормализованная стали 17Г1С характеризуется феррито-перлитной структурой; величина зерна оценивается баллов на 8 - 9.

Сопоставление средних значений механических свойств стали 19Г, 14ХГС и 17ГС в толщинах 8 – 11 мм приведено в таб. 8, из которой видно, что при понижении содержания углерода (сталь 14ХГМ, 17ГС) ударная вязкость заметно выше, чем у стали 19Г.

Результаты широкого промышленного производства стали 17Г1С показали, что изготовление ее не вызывает технологических затруднений, а свойства листовой стали и готовых из этой стали получаются достаточно стабильными. В связи с этим сталь 17Г1С является основной для изготовления труб диаметром 1020 и 1220 мм. Она обладает хорошей технологичностью в трубной переделе в результате которого в листах происходят следующие изменения механических свойств: снижение предела текучести примерно на 20 Н/мм², относительного удлинения на 2 % (абсолютных) и ударной вязкости на образцах 1 типа примерно на 10 – 15 Дж/см².

Учитывая необходимость дальнейшего повышения вязких свойств стали 17Г1С, было введено ограничение содержания в ней серы и фосфора: не более 0,020 % и 0,025 % соответственно. Такое изменение содержания примесей позволило заметно повысить ударную вязкость (стали 17Г1С-У).

Сталь 17Г1С-У в течение длительного времени является основным конструкционным материалом для изготовления труб диаметром 1020 – 1220 мм, Для труб диаметром 530 – 820 мм применяется сталь 17Г1С. Длительное ее применение связанно с тем что при минимальном легировании недефицитными элементами (Mn, Si) относительно не сложной технологии производства эта сталь позволяет получать достаточно высокий комплекс свойств в листах толщиной от 8 до 15 мм, а также в сварных трубах, эксплуатируемых в размерных климатических условиях.

Таблица 8. Среднее значение механических свойств трубных сталей.

Дальнейшее улучшение сопротивления разрушению стали 17Г1С-У можно достичь, применяя прогрессивную технологию внепечной обработки, сопровождаемой существенным снижением содержания серы (до ≤ 0,010 %) модифицированием сульфидных включений добавками кальция или РЗМ.

По данным работы переход на производство газопроводных труб из стали 17ГС и затем 17Г1С-У позволит значительно повысить работоспособность труб, сократить число отказов на газонефтепроводах, связанных с качеством свойствами основного металла.

Разновидностью стали 17ГС является сталь 12Г2С, разработанная для изготовления горяченаправленных газопроводных труб диаметром 530, 720 и 1020 мм (взамен стали 14ХГС, отвечая в основном требованиям заказчика, не всегда обеспечивает стабильность механических и технологических характеристик. Одно из основных свойств – свариваемость стали 14ХГС не отвечает современным требованиям, так как ее углеродный эквивалент достигает 0,54 вместо требуемого ≤ 0,46. В стали 12Г2С повышено содержание марганца и кремния по сравнению со сталью 14ХГС. Прочностные свойства стали 12Г2С зависит от величины углеродного эквивалента, которая должна быть в пределах 0,35 ± 0,43. Величина ферритного зерна стали 12Г2С соответствует баллу 9 – 11.

Нормализованная стали 12Г2С характеризуется повышенным сопротивлением разрушению при оценки по ударной вязкости и волокнистости в изломе. Комплекс вязких свойств при минусовых температурах указывает на принципиальную возможность применения стали 12Г2Сдля труб северного использования. Переходная температура разрушения Т₅₀ у стали 12Г2С лежит при температурах (-30) ÷ (-40) °С, в то время как у стали 14ХГС – при (-10) ÷ (+10) °С. Испытания образцов DWTT при -15 °С, отобранных от труб, показывает, что при -15 °С доля ввязкой составляющей в изломе находится на уровне 80 – 100 %.

Рассмотренные стали с твердорастворимым упрочнением можно отнести к первому поколению отечественных сталей для газонефтепроводных труб большого диаметра. В зарубежный стандартах и соответствует стали Х52 по APJ 5LX, содержащие углерода 0,20 %, марганца до 1,35 % с добавками ванадия (0,04 – 0,08 %) или ниобия (до 0,04%).

Накопленный опыт производства и применения сталей рассмотренного типа для газопроводных труб показал, что дальнейшее повышение их прочности свойств с одновременным улучшением сопротивления разрушению только за счет увеличения содержания углерода и элементов, образующих твердые растворы и замещения, не представляется возможным из-за резкого ухудшения вязкости, хладостойкости и свариваемости. Более высокие значения характеристик прочности и вязкости без снижения свариваемости оказалось возможным получить за сет карбидного или карбинотридного упрочнения вводом микролегирующих добавок ванадия, ниобия азота. В результате этих работ были разработаны низколегированные стали для труб большого диаметра второго поколения с временным сопротивлением, равным 540 – 600 Н/мм².