Влияние микролегирования ванадием и ниобием на структуру, свойства и склонность к хрупкому разрушению малоуглеродистых и низколегированных сталей

Важная роль в обеспечении экономики страны топливом отводится интенсивному развитию нефтяной и газовой промышленности, производству установок добычи и транспортировки нефти и газа, повышению их эксплуатационной надежности и работоспособности. Трубопроводы, запорная арматура, перекачивающие устройства, резервуары, сосуды для сжиженных газов и другие узлы установок, работают при низких температурах и высоких давлениях. Аварии, вызванные хрупким разрушением таких конструкций, наносят значительный экономический ущерб и представляют большую опасность для окружающей среды. Поэтому материалы, применяемые для изготовления таких ответственных деталей должны обладать высокой конструктивной прочностью. Для этой цели в основном применяют литые и горячедеформируемые малоуглеродистые стали, которые, для обеспечения высоких эксплуатационных свойств, легируют дорогостоящими и весьма дефицитными элементами, такими как никель, молибден, вольфрам и др. Условия экономического и социального развития страны настоятельно требуют всемерной экономии всех видов ресурсов, в том числе и замены дорогостоящих материалов более дешевыми, способными при этом обеспечить эксплуатационную надежность конструкций.

Наиболее перспективным направлением создания экономнолеги-рованных сталей, повышения их прочности, сопротивления хрупкому разрушению является микролегирование, которое влияет на чистоту стали, перераспределение элементов, а в сочетании с термической обработкой на химическую и структурную однородность, строение приграничных зон зерен, упрочнение их объемов.

В разработку теоретических основ микролегирования и структурных аспектов хрупкого разрушения сталей с микродобавками значительный вклад внесли советские ученые-металловеды (Архаров В.И., Браун М. П., Гольдштейн М. И., Гуляев д.П., Давиден-ков H.H., Завьялов A.C., Лахтин Ю. М., Максимович Г. Г., Пана-сюк В.В., Романив О. Н., Штейнберг М.М.), а также ученые из других стран (Ирвин К.Дж., Каптус И. М., Лоу Дж.Р., Мак Лин Д., Мак Ма-гон Дж., Пиккеринг В.Б.). Установлено, что малые добавки высокоактивных по отношению к железу и примесям стали оказывают комплексное воздействие на структуру и свойства стали за счет сочетания рафинирующего, модифицирующего и микролегирующего эффекта. В зависимости от характера и степени микролегирования изменяется склонность к хрупкому разрушению, строение изломов микролегированных сталей. Значительную роль в хрупком разрушении улучшаемых сталей, в частности при развитии отпускной хрупкости, играет состояние границ зерен. Ослабление прочности межзеренной связи приводит к резкому снижению трещиностойкости сталей. Поэтому устранение зернограничного разрушения, характеризующегося самой низкой энергоемкостью, является одной из главных задач повышения работоспособности сталей.

Хотя в разработке теоретических основ микролегирования достигнут определенный прогресс, однако такие вопросы, как совместное влияние легирующих элементов и микродобавок на хладо-стойкость и отпускную хрупкость, влияние микродобавок на распределение элементов, процессы карбидообразования при отпуске и строение изломов конструкционных сталей в литературе освещены недостаточно, по ряду вопросов часто приводятся противоречивые мнения.

Целью данной работы является разработка оптимального микролегирования ванадием и ниобием малоуглеродистой стали для повышения ее конструктивной прочности, выявления природы влияния микродобавок элементов на сопротивление стали хрупкому разрушению и склонность к обратимой отпускной хрупкости.

В результате проведенных исследований установлены закономерности изменения механических свойств, склонности к хрупкому разрушению при введении в сталь малых добавок ванадия и ниобия, определена роль легирования хромом в формировании свойств исследуемых малоуглеродистых сталей.

Установлена взаимосвязь между строением изломов и сопротивлением разрушению микролегированных сталей. С помощью количественной электронной фрактографии проведена оценка вклада различных микромеханизмов в процесс разрушения, выявлено влияние химического состава и режима термообработки на долю межзеренного излома сталей. Впервые показано, что микродобавки ванадия увеличивают долю межзеренного разрушения в хромистой стали за счет влияния на процессы карбидообразования и перераспределения элементов в пределах зерна при отпуске стали. Микролегирование ниобием уменьшает долю межзеренного разрушения и способствует уменьшению размеров участков транскристаллитного скола.

Предложен механизм, объясняющий повышение прочности и сопротивления хрупкому разрушению при комплексном микролегировании ванадием и ниобием улучшенной хромистой стали.

Анализ полученных результатов позволил установить ряд закономерностей, которые защищаются в данной работе:

I. Особенности изменения структуры, свойств и характера разрушения малоуглеродистой стали в различных структурных состояниях при микролегировании ее ниобием и ванадием, а также легировании хромом: а) повышение конструктивной прочности литых сталей за счет устранения их химической и структурной микронеоднородностиб) зависимость тонкого строения изломов от химического состава и структуры микролегированных сталейв) влияние микродобавок ванадия и ниобия на перераспределение элементов в приграничных зонах бывших аустенитных зерен и межзеренное разрушение стали <!0Х.

2. Новые аспекты механизма влияния микродобавок ванадия и ниобия на склонность к хрупкому разрушению улучшенных сталей.

3. Рекомендации по комплексному микролегированию ванадием и ниобием для повышения конструктивной прочности литых и горяче-деформированных малоуглеродистых сталей.

Основные результаты работы опубликованы [107,108] и докладывались на Республиканском научно-техническом семинаре «Легирование и свойства конструкционных сталей» (февраль 1984 г., г. Киев), на ХХХ1Х-ХП конференциях Львовского политехнического института.

ВЫВОДЫ.

1. Установлено влияние микродобавок ванадия и ниобия, а также легирования хромом на структуру, свойства и характер разрушения малоуглеродистых сталей в литом и горячедеформированном состоянии. Показано, что характер их влияния зависит от количества вводимого элемента, проводимой термической обработки и структурного состояния сталей.

2. Микролегирование ниобием в количестве 0,02−0,04% повышает предел текучести (на 15−25%), предел прочности (на 8−15%), ударную вязкость (на 12−25%) и хладностойкость (порог.

50 хладноломкости Т^ смещается в сторону низких температур на 15−30°С) стали 20 в исследованных структурных состояниях. Влияние ниобия на свойства стали 20Х проявляется в меньшей степени, чем на свойства стали 20. Это связано с влиянием хрома, который значительно повышает прочностные характеристики, ударную вязкость и хладностойкость стали 20. Максимальное повышение прочностных характеристик и ударной вязкости в стали 20Х достигается после ковки и улучшения при содержании 0,02% ниобия.

3. Микролегирование ванадием в количестве 0,05−0,10% не оказывает существенного влияния на механические свойства стали 20 после нормализации, в то же время после закалки и высокого отпуска предел прочности повышается на 5−8%, предел текучести — на 12−15%. При содержании ванадия 0,05% ударная вязкость повышается на 30−40% и порог хладноломкости Т^ смещается в сторону низких температур на 25−45°С, а при 0,10% ванадия — на 20−30% и на 20−30°С соответственно. Увеличение количества ванадия до 0,16% повышает предел прочности на 18−22%, предел текучести на 40−50%, а пластичность и ударная вязкость при этом падает, хладостойкость уменьшается. Получение высокой пластичности, ударной вязкости и хладостойкости, без изменения прочностных свойств, в стали 20 достигается при содержании 0,05% ванадия во всех структурных состояниях.

4. Выявлено, что при микролегировании ванадием в пределах 0,04−0,11% стали 20Х в литом и деформированном состоянии после нормализации происходит повышение прочностных свойств на 5−8 $, но пластичность при этом понижается на 10−12/?, а ударная вязкость практически не изменяется. После закалки и высокого отпуска прочностные характеристики значительно повышаются (на 20−30%), но ударная вязкость понижается и порог хладноломкости смещается в сторону высоких температур.

5. Установлено, что при введении. 0,05% ниобия в сталь 20Х, содержащую и 0,1% ванадия, прочностные характеристики не изменяются, но порог хладноломкости смещается на 15−20°С в сторону низких температур и повышается ударная вязкость по сравнению со сталью без ниобия. Таким образом в улучшенной стали 20Х оптимальный комплекс механических свойств достигается при совместном микролегировании ванадием и ниобием.

6. Вводимые добавки неоднозначно влияют на склонность стали 20Х к отпускной хрупкости. При наличии ванадия в стали увеличивается степень охрупчивания, порог хладноломкости после охрупчивающего отпуска смещается в сторону высоких температур.

Введение

ниобия в ванадийсодержащую сталь уменьшает ее склонность к охрупчиванию. Повышение температуры закалки до Ю00°С значительно уменьшает чувствительность стали 20Х к отпускной хрупкости.

7. Установлено, что микродобавки ванадия и ниобия способствуют уменьшению величины зерна, устранению химической и структурной неоднородности, разнозернистости, увеличению дисперсности перлитной смеси, изменению тонкой структуры сталей, причем влияние ниобия цроявляется в большей степени.

8. Показано влияние микродобавок, химического состава, режима термической обработки на строение излома и механизм разрушения сталей. Впервые установлено, что ванадий способствует увеличению доли межзеренного разрушения в исследуемых сталях (особенно в стали 20Х). Это обусловлено развитием при отпуске химической и структурной неоднородности в пределах зерна, связанной с цроисходящими процессами карбидообразо-вания и перераспределением элементов.

Введение

ниобия в сталь, содержащую 0,1% ванадия, уменьшает долю межзеренного разрушения.

9. Микролегирование ванадием оказывает существенное влияние на цроцессы карбидообразования (состав, количество, морфологию и распределение карбидов) цри отпуске: увеличивает количество карбидов, способствует их неравномерному распределению и повышению плотности на границах зерен (особенно при охрупчивающей обработке). Ниобий оказывает меньшее влияние на процессы карбидообразования. Карбидная фаза, состоящая в основном из карбидов цементитного типа, содержит также специальные карбиды VC и ЫЬС .

10. Исследованиями установлено, что микродобавки оказывают влияние на перераспределение элементов в сталях. Ванадий способствует повышению содержания хрома вблизи границ зерен стали 20Х как в вязком, так и охрупченном состоянии, увеличению количества зернограничных карбидов, в результате чего происходит обеднение твердого раствора приграничных зон углеродом и карбидообразующими элементами, что создает условия для миграции примесных элементов к границам зерен и субзерен. Такое структурное состояние приводит к ослаблению прочности межзеренной связи. Микролегирование ниобием ванадийсодержащей стали способствует более равномерному распределению карбидообразующих элементов в пределах зерна и уменьшению количества примесей на межзеренных и межфазных границах, а следовательно снижению охрупчивания сталей при отпуске.

11. Установлен механизм влияния микродобавок ванадия и ниобия на структуру и механизм разрушения исследуемых сталей после закалки и высокого отпуска.

12. На основании установленных при исследовании закономерностей влияния микродобавок на свойства, структуру и механизм разрушения даны практические рекомендации по повышению конструктивной прочности литых и деформированных малоуглеродистых сталей. Предложена экономнолегированная сталь с повышенными свойствами.