Влияние элементов на свойства стали в горячекатаном и нормализованном состояниях

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 упрочняющее влияние, причем интенсивность влияния углерода выше (0,1% С повышает σ_в на 40 Н/мм²), чем у марганца и кремния (~20 Н/мм²) [ 5 ]. 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:

Содержание С, %.................................................0,01 0,05 0,10 0,16 0,20

σ_т, Н/мм²................................................................220 222 248 259 303

Количество перлита, %............................................0 3,3 4,6 13,1 16,1

Диаметр зерна, мм^-1/2……………………………5,6 5,3 6,5 8,8 9,9

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.

Рис. 2 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).

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.

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% Введение марганца сопровождается увеличением доли перлитной составляющей без существенного измельчения структуры, поэтому сталь упрочняется с некоторым ухудшением вязкости и хладостойкости (рис. 2) 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.

Рис. 3 Влияние легирующих элементов на свойства нормализованной низколегированной стали типа 20Г2 (1,5 % Mn).

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. 3).

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 горячеправленых труб была разработана сталь 14ХГС, обеспечивающая в готовых трубах поле горячей правки, которая равноценна нормализации, следующий уровень свойств (средние значения σ_т= 373H/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 6 - Влияние холодного деформирования на свойства стали 19Г

Степень деформации, %	σв	σт	σ5	KCU -40
	+5	+18	-14	-28
	+7,5	+45	-32	-35
	+15	+64	-55	-42
Примечание. Знак «+» - увеличение, знак «-» - снижение характеристики

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 7 - Среднее значение ударной вязкости стали 17Г1С.

Элемент	Пределы содержания элементов, %	Фактическое значение KCU-40/ KCU-60, Дж/см^2	Рассчитанное значение по уровню множественной регрессии KCU-40/ KCU-60, Дж/см^2
С	< 0,15	82,6/80,8	83,1/72,5
	0,16 – 0,18	82,0/69,6	81,2/70,0
	0,19 –0,21	77,2/68,0	76,4/67,5
Mn	< 1,25	81,8/69,4	80,6/69,0
	1,26 – 1,39	78,9/69,1	79,1/70,7
	≥ 1,40	78,4/67,9	77,9/72,0
Si	< 0,45	82,0/71,0	81,8/71,0
	≥ 0,45	80,3/68,4	78,0/67,2
S	0,015 – 0,019	90,0/73,9	86,8/75,3
	0,020 – 0,024	84,1/72,2	82,9/72,4
	0,025 – 0,029	73,7/67,9	78,9/69,4
	0,030 – 0,034	76,2/66,1	75,0/66,4
	0,035 – 0,040	71,2/65,9	71,1/63,5
Р	< 0,017	84,1/71,1	82,0/71,3
	0,018 – 0,027	80,4/69,1	79,3/69,7
	0,028 – 0,040	77,3/67,9	76,8/67,9

Таблица 8 - Содержание неметаллических включений в стали 17Г1С

S, %(по массе)	Площадь, занятая неметаллическими включениями, %	S, % (по массе)	Площадь, занятая неметаллическими включениями, %
сульфиды	оксиды	сульфиды	оксиды
0,002	0,0073	0,036	0,015	0,0790	0,038
0,007	0,0351	0,034	0,030	0,1579	0,041

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. 8)

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. 7). В то же время наблюдается значительная анизотропия ударной вязкости на продольных и поперечных образцах.

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.

Несмотря 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 9 - Механические свойства стали 17Г1С при растяжении

Плавка	Направление вырезки образцов	σт, Н/мм^2	σв, Н/мм^2	δ5, %	Ψ, %
	Поперек			27,5	48,1
Вдоль			27,8	58,1
	Поперек			25,0	48,1
Вдоль			24,7	53,9

Таблица 10 - Ударная вязкость стали 17Г1С в зависимости от температуры испытания

Плавка	KCU (Дж/см^2) и В (%) в изломе при температуре испытания, °С	KCU после механического старения при +20 °С, Дж/см^2
[phone]
KCU В	KCU В	KCU В	KCU В
Примечание. В числителе – для поперечных образцов, в знаменателе – для продольных

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 [ 2 ].

Таблица 11 - Среднее значение механических свойств трубных сталей

Сталь	Толщина	Состояние поставки	σт, Н/мм^2	σв, Н/мм^2	δ5, %	KCU-40, Дж/см^2
19Г	8 - 9	Горячекатаная		515,5	26,4	51,5
14ХГС	11,2	Нормализованная		529,5	29,5	63,0
17Г1С	8 – 9	Горячекатаная			29,0	64,0^*1
17Г1С		Нормализованная	392,5		30,7	55,2^*2
^*1 Образец 5 • 10
^*2 Образец 10 • 10

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 [6] 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) °Ñ. 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 зарубежных 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.

Дата добавления: 2015-07-08