Сопоставление структуры и вязкости конструкционных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат технических наук Скородумов, Сергей Валериевич

• Скородумов, Сергей Валериевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скородумов, Сергей Валериевич

Введение

1 Аналитический обзор литературы

1.1 Требования, предъявляемые к структуре и свойствам сталей для энергетики

1.2 Механизмы упрочнения высокопрочных трубных сталей со структурами 8 промежуточного превращения

1.3 Особенности технологии выплавки конструкционных сталей повышенной 12 чисготы

1.4 Легирующие элементы в трубной стали, влияние на свойства

1.5 Особенности технологии получения и микроструктур трубных сталей

1.6 Классификация микроструктур конструкционных сталей категории 22 прочности К65 для ТБД

1.7 Фрактографические особенности разрушения конструкционных сталей

1.7.1 Механизмы разрушения конструкционных сталей

1.7.2 Средства и методы наблюдения разрушения

1.7.3 Протяженные разрушения магистральных трубопроводов и полигонные 37 испытания труб

1.8 Макронеоднородность и микронеоднородность конструкционных сталей

1.9 Исследование текстуры и структуры стали методом дифракции обратно 44 рассеянных электронов

1.10 Исследование преимущественной ориентировки кристаллической решетки 47 (текстуры) с помощью рентгеновской дифрактометрии

1.11 Выводы по литературному обзору

1.12 Цель работы

2 Материал и методики исследования

2.1 Материал исследования

2.2 Схемы вырезки образцов из иггрипса для исследований

2.3 Стандартизованные методики подготовки образцов для исследований

2.3.1 Шлифовка и полировка образцов

2.3.2 Травление для выявления элементов микроструктуры

2.3.3 Исследование ликвации серы методом серных отпечатков (по Бауману)

2.3.4 Методика подготовки и травления шлифов для оценки макроструктуры 58 стали

3 Результаты исследований

3.1 Исследование разнородных структур и их вклад в разрушение 60 конструкционных сталей

3.1.1 Ликвация, способы ее выявления в разных типах сталей

3.1.2 Неоднородность пятен на серном отпечатке и методы ее оценки (полиэдры 61 Вороного и кластеры), их информативность

3.1.2.1 Методика построения полиэдров Вороного >

3.1.2.2 Информативность методики полиэдров Вороного

3.1.3 Выделение разнородных структурных составляющих, их классификация и 72 статистика

3.1.3.1 Особенности составляющих микроструктуры исследуемых сталей

3.1.3.2 Структурная полосчатость, методики ее оценки, статистика полос разных 80 структур

3.1.3.3 Измерение микротвердости структурных составляющих трубных сталей с 92 целью их идентификации

3.1.3.4 Изучение текстуры, методика построения текстурных полос

3.1.4 Анализ распределения неметаллических включений, определение их 108 природы микрорентгеноспектральным анализом на примере сталей категории прочности К

3.2 Особенности сериальных испытаний на ударную вязкость 112 3.2.1 Методика и результаты ударных испытаний сталей категории прочности 112 К

3.3 Параметры макрогеометрии, мезогеометриии микрогеометрии поверхности 120 разрушения образцов из конструкционных сталей после испытаний на ударную вязкость и испытаний падающим грузом

3.3.1 Анализ поверхности разрушения ударных образцов, параметры 120 макрогеометрии изломов и их информативность на примере сталей категории прочности К

3.3.2 Исследование природы аномалий поверхности разрушений в сталях 132 категории прочности К

3.3.3 Исследование неоднородности распределения и морфологии различных 146 типов разрушений в изломах с температурой испытания на примере корпусной стали 15Х2НМФА

3.3.4 Изучение мезогеометрии и микрогеометрии поверхности разрушения 149 ударных образцов, параметров групп составляющих изломов (фасеток), неметаллических включений

3.4 Испытания Z-образцов на растяжение с измерением параметров 152 акустической эмиссией, фрактография поверхностей разрушения

3.4.1 Испытание на растяжение Z-образцов с измерением параметров 152 акустической эмиссией

3.4.2 Особенности фрактографии поверхности разрушения после испытания на 161 растяжение Z-образцов

4 Оценка критических параметров разномасштабных структур, определяющих разброс 165 качества однородной металлопродукции

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Сопоставление структуры и вязкости конструкционных сталей»

Строительство и эксплуатация магистральных газонефтепроводов в сложных климатических условиях удаленных районов Крайнего; Севера, в условиях вечной мерзлоты Восточной Сибири с температурой?эксплуатации от минус .60 до плюс;40 °С, в акваториях Балтийского и Черного морей погружением на глубину до 2000 м требует разработки новых конструкционных сталей класса прочности К65 (Х80) и. выше с минимальным пределом текучести 555 МПа и; минимальной) ударной вязкостью основного металла на образцах Шарпи при минус 40 °С не менее 250 Дж/см2 (проект Бованенково - Ухта).

Повышение пропускной способности трубопроводов при сохранении традиционных I диаметров труб требует повышения рабочего давления газа, что обусловливает применение сталей повышенных категорий прочности для труб большого диаметра (ТБД) с меньшей толщиной стенки, обеспечивая снижение металлоемкости конструкций в целом, а также уменьшение трудоемкости строительно-монтажных (особенно сварочных) работ и затраты на транспортировку металла и труб [1]. Однако повышение рабочего давления резко повышает потенциал опасности разрушения ввиду роста запаса энергии сжатого газа, повышения действующих в стенке труб напряжений, естественного снижения ресурса пластичности основного металла труб, усложнения его свариваемости. Разрушение одноииточного газопровода высокого давления приводит к сокращению добычи на сотни миллионов кубометров в сутки и материальным потерями сотни миллионов долларов.

Минимизация рисков возможна на основе применения труб с принципиально новыми I качественными характеристиками, в том числе разработка технологии производства труб из сталей класса прочности.Х100 -Х120, предназначенных для давлений 15 — 18 МПа [2].

Объективный прогноз остаточного ресурса работы ответственных конструкций, к числу которых относятся энергоблоки ВВЭР-1000- разработка технологии продления срока их службы возможны при наличии глубокого понимания физики явлений и процессов, протекающих в материалах корпусов в процессе длительной эксплуатации; а также восстановительных отжигов. Такое понимание достигается на основе использования комплексных методов аттестации свойств материалов. Существующие средства. и; методы оценки степени эволюции структуры при длительных сроках службы оборудования (а также восстановительных отжигов), начиная от наномасштабных уровней и выше, не позволяют в I полной мере воссоздать протекающие процессы трансформации структуры, в частности, приводящие к развитию процессов охрупчивания. Это затрудняет оценку степени деградации структуры, прогноз остаточного ресурса: Отсюда возникают естественные ограничения с продлением сроков эксплуатации сверх установленных нормативов.

Заключение диссертации по теме «Металловедение и термическая обработка металлов», Скородумов, Сергей Валериевич

Выводы

1. Для оценки хладноломкости крупных поковок из сталей типа 15Х2НМФА и трубных сталей типа 06Г2МФБ (класса прочности К65) построены сериальные кривые ударной вязкости. Их обработка с предельным извлечением информации (по алгоритмам максимума правдоподобия) показала, что для- обнаружения статистически значимых различий и прогнозов хладноломкости необходимо расширение температуры сдаточных испытаний до -60.-80 °С, а также «контрольная точка» при -196°С.

2. Систематические измерения изломов ударных образцов трубных сталей (класса прочности К65) в интервале температур испытаний от +20 до - 196° показали информативность параметров их макрогеометрии. В частности, уширение ударного! образца в месте выбега трещины является хорошо воспроизводимой дополнительной оценкой работы разрушения в интервале хладноломкости.

3. Измерения морфологии изломов ударных образцов показали отсутствие прямой связи между долей хрупкой составляющей и уровнем ударной вязкости в интервале хладноломкости. Работа разрушения сталей типа 15Х2НМФА зависит от размещения хрупкой составляющей (рассеянные зернограничные фасетки, их скопления, ликвационные цепочки), а трубных сталей типа 06Г2МФБ - от появления расслоев.

4. Для количественного анализа структур, текстур и неметаллических включений систематически использован метод «сшивки полей» из множества кадров (до 103 снимков). Последовательным переходом от масштаба микроструктур при увеличениях до I хЮОО к макрокартине по всей толщине листа (до 30 мм) прослежены различия в ферритной полосчатости и в сульфидной строчечности при разных технологиях производства трубной стали.

5. Методом обратного рассеяния электронов (ЕВ8В-анализ) построены карты распределения ориентировки решетки в зернах размером 2.5 мкм и выявлены различия в текстурной макрополосчатости трубных сталей от разных производителей.

6. Для трубных сталей сопоставлены макро- и микроструктуры и изломы при растяжении образцов «в третьем направлении» и после сериальных испытаний на ударную вязкость. При чистоте стали, достигнутой у четырех производителей, в изломах нет неметаллических включений и зернограничных фасеток. Оставшийся фактор разрушения (и расслоя) - продольные границы раздела между структурными составляющими' (полоски феррита, «текстурные полосы»).

7. Предложен метод выделения кластеров однородных объектов из разбиений на полиэдры Вороного. Метод использован для оценки кучности ямок вязкого излома и неоднородности в распределениях включений. Анализом серных отпечатков крупных поковок из сталей 38ХНЭМФА и 15Х2НМФА продемонстрированы различия в ликвации серы в исходном слитке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скородумов, Сергей Валериевич, 2011 год

1. Высокопрочные стали для магистральных трубопроводов / В.В. Рыбин, «

2. B.А. Малышевский, Е.И. Хлусова и др. // Вопросы материаловедения.- 2009.- № 3.1. C. 127-137.

3. Перспективы применения высокопрочных труб категории прочности К65 (Х80) для проектов дальнего транспорта газа / В.В. Русакова и др. // Наука и техника в газовой промышленности.- 2009.- № 1.- С. 4-7.

4. Организация комплексных исследований отечественных труб для новых магистральных газопроводов высокого давления / А.Б. Арабей и др. // Наука и техника в газовой промышленности.- 2009.- № 1,- С. 17-21.

5. ГОСТ Р ИСО 3183-1-2007 Трубы стальные для трубопроводов. Технические условия. Часть. 1.

6. Радиационное повреждение стали корпусов водо-водяных реакторов / H.H. Алексеенко, А.Д. Амаев, И.В. Горынин и др. М.: Энергоиздат, 1981.

7. Radiation embrittlement and thermal annealing behavior of Cr-Ni-Mo reactor pressure vessel materials / Yu.A. Nikolaev. A.V. Nikolaeva, A.M. Kryukov e.a. // J. Nucl. Mater.- 1995.-V. 226.- P. 144-155.

8. Крюков A.M., Николаев Ю.А., Николаева A.B. Влияние химического состава на радиационное охрупчивание низколегированных сталей // Атомная энергия.- 1998.- Т. 84.-№ 4.- С. 366-368.

9. Горицкий В.М. Тепловая хрупкость сталей.- М.: Металлургиздат, 2007.

10. Гурович Б.А., Кулешова Е.А. Стали корпусов ядерных реакторов: структура, свойства, радиационное охрупчивание // Материаловедение.- 1999.- № 11,- С. 33-45. 1

11. Сталь на рубеже столетий / Штремель М.А., Кудря A.B. и др.; Под ред. Ю.С. Карабасова; МИСиС. М., 2001.

12. Jones R.B., Buswell J.T. Dimensional stability and mechanical behavior of irradiated metals and alloys // Proc. BNES conf. (Brighton): London.- 1983.- V. 2,- P. 105.

13. Гольдштейн М.И., Грачев C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали.-М.: МИСиС,1999.

14. Настич С.Ю., Корнилов В.Л., Морозов Ю.Д. и др. // Сталь. 2009.- № 5.

15. Ниобийсодержащие низколегированные стали / Ф. Хайстеркамп, К. Хулка, Ю.И. Матросов и др.- М.: СП ННТЕРМЕТ ИНЖИНИРИНГ, 1999.

16. Столяров В. И., Пышминцев И. Ю., Струин И. О. // Сталь.- 2009.- № 10.- С. 66-68. ,

17. Морозов Ю.Д., Науменко A.A. Исследование влияния композиции химического состава на комплекс механических свойств и микроструктуру листового проката класса прочности К65(Х80) // Металлург.- 2009.- №11.- С. 51- 55.

18. Особенности изменения структуры по сечению листового проката из высокопрочных штрипсовых сталей / Ковалев А.И., Вайнштейн Д.Л., Рашковский А.Ю., Хлусова Е.И., Орлов В.В.// Металлург.- 20И.-№ 1.- С. 61-68.

19. Влияние режимов контролируемой прокатки на структуру и свойства микролегированных сталей для труб большого диаметра / Эфрон Л.И., Морозов Ю.Д., Голи-Оглу Е.А. // Металлург.- 2011.- № 1.- С. 69-74.

20. Влияние термо-деформационных режимов прокатки и ускоренного охлаждения на формирование механических свойств листового проката из стали класса прочности Х80 / Морозов Ю.Д., Науменко A.A., Лясоцкий И.В. // Металлург,- 2010.- № 10.- С. 57-62.

21. Структура и свойства штрипса для труб большого диаметра из стали категории прочности Х80-Х100 / Морозов Ю.Д., Корчагин А.М., Орлов В.В., Степанов A.A. Хлусова Е.И., Настич С.Ю. // Металлург.- 2009,- № 3 С. 43-49.

22. Смирнов М.А., Пышминцев И.Ю., Борякова А.Н. К вопросу о классификации микроструктур низкоуглеродистых трубных сталей // Металлург.- 2010.- № 7.- С. 45-51.

23. Большаков В.И., Сухомлин Г.Д., Куксенко В.И. Структура игольчатого феррита. Часть 1. / МиТОМ.- 2009.- № 8.- С. 3-10.

24. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть I. Дефекты решетки,- М.: МИСиС, 1999. '

25. Штремель М.А., Беляков Б.Г., Беломытцев М.Ю. // ДАН СССР.- 1991.- № 1.- С.105.

26. Броек Д. Основы механики разрушения.- М.: Высшая школа, 1980.

27. Кудря A.B., Соколовская Э.А., Арсенкин A.M. // Деформация и разрушение материалов.- 2010.-№ 1.- С.

28. Штремель М.А. // ФММ.- 2005,- Т. 99,- № 4.- С. 16.

29. Thompson A. W., Ashby M.F. // Scripta Met.- 1984.- V. 18,- № 2.- P. 127.

30. Штремель M.A., Кудря A.B., Бочарова М.А. и др. // ФММ.- 2000.- Т.90.- № 5.1. С.102.

31. Физические величины: Справочник. / А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина,

32. A.M. Братковский и др.; Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991.

33. Штремель М.А. // МиТОМ.- 2005,- № 5,- С.

34. Кузько Е.И., Кудря A.B., Стариков С.В. // Заводская лаборатория.- 1992.- Т. 58.-№9,- С. 63.

35. Дефекты стали. Справочник. / Под. ред. С.М. Новокщенова, М.И. Виноград.- М.: Металлургия, 1984.

36. Пышминцев И.Ю. // Труды МНТК «Трубы-2008». Челябинск,- 2008.- С. 19-27.

37. М.А. Штремель Информативность измерений ударной вязкости // Металловедение и термическая обработка металлов. 2008. № 11. С. 37.

38. Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия.- М.: Изд-во Стандартов,1976.

39. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, H.A. Клевцова и др.- М.: МИСиС, 2007.

40. Алексеев И.Г., Кудря A.B., Штремель М.А. // Дефектоскопия.- 1994.- № 12.-С. 29-34.

41. Синергетика и фракталы в материаловедении / B.C. Иванова, A.C. Баланкин, И.Ж. Бунин и др.- М.: Наука, 1994.

42. Георгиев М.Н. Вязкость малоуглеродистых сталей,- М.: Металлургия. 1973.

43. Штремель М.А., Алексеев И.Г., Кудря A.B. и др. // Заводская лаборатория.- 1991.-№ 8.- С. 66-69.

44. Горицкий В.М. Диагностика металлов.- М.: Металлургиздат, 2004.

45. Ханжин В.Г., Штремель М.А. Сб. Трудов Международной научной конференции «Моделирование акустической эмиссии гетерогенных материалов». С-Пб. 26-29 октября 1 2004 года; // С.-Пб.: Изд-во Политехнического университета, 2004.- С. 21-22.

46. Ханжин В.Г., Штремель М.А., Никулин С.А. и др. // Дефектоскопия,- 1990.- № 4,-С. 35-40.

47. Scruby C.B. // J. Phys. Е.: Sei. Instrum.- 1987,- № 20.- P. 946.

48. ГОСТ 9454-78. Металлы. Методы испытания на ударный изгиб.— Переизд. с изм. 1, 2.- М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002.

49. Изломы конструкционных сталей : справ. / Л.П. Герасимова, A.A. Ежов, М.И. Маресев. М. : Металлургия, 1987. - 272 с.

50. Особенности формирования структуры и свойств сталей с гетерогенной бейнитно-мартенситной структурой для газонефтетрубопроводов / С. В. Беликов, К. И. Сергеева, О. Ю., Корниенко, И. Н. Ашихмина, А. И. Степанов // МиТОМ.- 2010.- № 12

51. Структурная неоднородность и методы ее снижения для повышения качества конструкционной стали / Малахов Н. В., Мотовилина Г. Д., Хлусова Е. И., Казаков А. А. // Вопросы материаловедения.- 2009.- № 3.- С. 52-64.

52. Сопротивление сталей класса прочности Х80 распространению вязких трещин в магистральных газопроводах / А.Б. Арабей, И.Ю. Пышминцев и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2009.- №9.- С. 3-8.

53. О структурных причинах шиферности вязких изломов толстолистовой стали / ( А.Б. Арабей, И.Ю. Пышминцев, М.А. Штремель и др. // Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 2009.- №9.- С. 9-15.

54. Испытания трубопровода Бованенково Ухта на остановку лавинного разрушения: вопросы и уроки / О.Т. Саугеруд и др. // Наука и техника в газовой промышленности.- 2009.-№ 1,- С. 35-41.

55. Подход группы EPRG по предотвращению протяженного вязкого разрушения в газопроводных трубах / Г.Кнауф и др. // Наука и техника в газовой промышленности.- 2009.-№ 1.- С. 10-16.

56. Факторы вязкости толстолистовой стали «в третьем направлении» / Штремель М.А. и др. II МИТОМ,- 2005.- № 1.- С. 26-31.

57. Grain and subgrain characterisation by backscatter diffraction / F.J. Humphreys // Journal1 of material science.-2001.- № 36,- P. 3833-3853.

58. Лиопо В.А., Война В.В. Рентгеновская дифрактометрия: Учеб. пособие.- Гродно: ГрГУ, 2003.

59. API 5L. Specification for line pipe/ 44rd ed. 2008.

60. ГОСТ 10243-75. Сталь. Методы испытаний и оценки макроструктуры. — Переизд. с изм. 1.- М.: Изд-во стандартов, 1985. ,

61. Медведев Н.Н. Метод Вороного-Делоне в исследовании структуры некристалических систем. // Новосибирск.: СО РАН НИЦ ОИГГМ, 2000.

62. Штремель М.А. Прочность сплавов. Часть 2: Деформация.- М: МИСИС, 1999.

63. ГОСТ 5639-82 Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна.- Переизд. с изм. 1,- М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.

64. Кудря А.В., Соколовская Э.А. Неоднородность разномасштабных структур и вязкость конструкционных сталей // Известия РАН. Серия «Физическая».- 2004.- Т. 68.-№10.- С.1495-1502.

65. ГОСТ 5640-68. Сталь. Металлографический метод оценки микроструктуры листов и ленты.- Переизд.- М.: Изд-во стандартов, 1988.

66. Структура и свойства низкоуглеродистых трубных сталей, подвергнутых пневматическим испытаниям / И.Ю. Пышминцев, А.Н. Мальцева, А. М. Гервасьев и др. // Сталь.- 2011.- № 2.- С. 75-81.

67. ГОСТ 1778-70. Сталь. Металлографические методы определения неметаллических включений.- М.: Изд-во стандартов, 1971.

68. Прогнозирование склонности Cr-Ni-Mo стали к отпускной хрупкости /

69. А.В. Николаева, Ю.А. Николаев, Д.М. Шур и др. // ФММ,- 1993.- Т.76,- Вып. 5.- С. 163-170.

70. Шабалов И. П., Шафигин Е. К., Одесский П. Д. О некоторых требованиях к современным сталям для магистральных трубопроводов // «Сталь». 2010. - № 12.-С.54.