автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Комплексная оптимизация химического состава и технологии производства хладостойких конструкционных материалов ответственного назначения

Актуальность работы. Технический прогресс машиностроения, топливно-энергетического комплекса, строительной индустрии требует постоянного повышения уровня служебных свойств используемых материалов с целью увеличения допустимых нагрузок, снижения металлоёмкости и обеспечения надежности конструкций во веб более усложняющихся условиях эксплуатации, в том числе при низких климатических температурах. В связи с этим проблема разработки и производства материалов для изготовления хладостойких изделий ответственного назначения является одной из центральных и наиболее актуальных в современном материаловедении. Вместе с тем, она тесно связана с проблемой эффективности производства, т.е. уменьшения затрат при изготовлении материалов и конструкций с требуемым комплексом служебных характеристик.

Особенностями современного рынка металлопродукции ответственного назначения являются

- потребност ь в материалах с широким диапазоном свойств;

- усложнение комплекса требований к материалам в соответствии с конкретными условиями эксплуатации,

- использование представительных методов испытаний для достоверного определения служебных свойств и работоспособности материала;

- требование хорошей свариваемости или иных гарантий сохранения высоких эксплуатационных характеристик материала в сварной конструкции;

- требование конкурентоспособности материалов и изделий, т.е. сочетание их работоспособности и стоимости.

Решение этих задач весьма актуально и способствует успешному конкурированию с ведущими иностранными металлопроизводящими и машиностроительными фирмами. Оно требует комплексного подхода, сочетающего в себе как традиционные способы совершенствования химического состава материалов, так и оптимизацию параметров всех технологических процессов изготовления изделий, а также использование возможностей современных методов испытаний и исследований материалов.

Постановка задачи и цель ра,бох,ы. ОАО «Ижорские заводы» (.«ИЗ») является одним из ведущих предприятий "России, изготавливающим широкий спектр металлопродукции и изделий ответственного назначения для горнодобывающей техники, строительных конструкций, атомной энергетики, нефтехимии и т. д. Значительная часть их эксплуатируется в весьма сложных условиях, вклю-«гоПшх высокие уровни нагружения, низкие климатические температуры, знакопеременные и ударные нагрузки и т.д. Номенклатура изделий постоянно увеличивается с одновременным повышением уровня требований заказчика, а . усиливающаяся конкуренция и выход на мировой рынок требуют гарантий на-ьдёщ{ости и снижения себестоимости единицы продукции.

Кроме того, в последнее время во всем мире усиливается тенденция к производству уже известных материалов с более высоким, чем оговорено стандар-уровнем служебных свойств. Это также связано с задачей снижения за-разработка и внедрение новых материалов является длительным и дорогостоящим процессом, особенно для ответственных конструкций.

В связи с этим насущной потребностью производства и основной задачей практического материаловедения стала необходимость использования всех возможностей повышения качества и служебных свойств материалов и конструкций без увеличения их стоимости.

На основании изложенного целью настоящей работы явилось обобщение и реализация результатов обширных научно-исследовательских работ по комплексной оптимизации химического состава и технологии производства для обеспечения повышенного уровня служебных свойств хладостойких конструкционных материалов ответственного назначения. При этом одновременно ставится задача снижения затрат на производство единицы продукции. Научная новизна:

• установлены закономерности влияния химического состава и технологии изготовления на свойства хладостойких сталей различного уровня прочности исследована кинегика распада переохлажденного аустенита в хладостойких сталях различного химического состава, в т.ч. микролегированных бором

• изучены состав и морфология избыточных фаз и их влияние на служебные свойства различных хладостойких материалов

• установлены требования к структуре хладостойких сталей в соответствии с заданным уровнем свойств

• разработаны технологические параметры производства хладостойких материалов, повышающие комплекс их служебных свойств без увеличения затрат

• разработаны принципы эффективного микролегирования бором и технологии термической и термомеханической обработки борсодержащих сталей для повышения прочности вместе с обеспечением пластичности и вязкости

• разработаны новые экономнолегированные хладостойкие высокопрочные свариваемые стали, а также сталь для транспортных контейнеров с повышенным сопротивлением хрупкому разрушению до минус 60°С.

Достоверность положений, результатов и выводов определены:

• использованием при разработке новых хладостойких сталей

• использованием при освоении производства борсодержащих сталей

• использованием при разработке технологий термической и термомеханической обработки метачлопроката различных категорий прочности

• использованием при оптимизации технологии изготовления корпусных изделий ответственного назначения

• испытаниями материалов применительно к условиям эксплуатации. Практическая ценность и реализация результатов работы. Комплексный подход к решению поставленных задач успешно реализован в целом ряде работ, выполненных в ОАО "ИЗ":

- оптимизирована технология изготовления металлопроката различных марок стали, в т.ч. для морских буровых платформ;

- разработаны принципиальные технологические схемы, позволяющие управлять процессами структурообразования и обеспечивать высокий комплекс свойств борсодержащих сталей при их экономном легировании;

- определены дополнительные требования к химическому составу и технологии производства, обеспечивающие повышенное сопротивление хрупким разрушениям материалов транспортных контейнеров и сосудов давления;

- обеспечен высокий уровень служебных свойств реакторов нового поколения для глубокой переработки нефти в ОАО «Лукойл-Пермьнефтеоргсинтез»;

- в настоящее время комплексный подход к обеспечению работоспособности материалов и конструкций успешно применяется при участии автора в производстве гомогенного и плакированного листа для месторождения «Прираз-ломная», деталей экскаваторов экспортного исполнения, сосудов давления.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на НТС ОАО "Ижорские заводы" в 1990-1999 г.г., представлялись на Ленинградской межотраслевой конференции в 1990 г., национальном конгрессе в Болгарии в 1991 г. международной конференции "Высокие технологии в современном металловедении" в С-Петербурге в 1997 г., научном семинаре "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" в С-Петербурге в 1999 г. Публикации. Основные материалы диссертации представлены в 16 печатных работах и в 12 научно-технических отчетах. Автор имеет 1 авторское свидетельство и 2 патента на изобретения по классу «Конструкционная сталь».

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Современное состояние вопроса

1.1. Анализ требований, предъявляемых к хладостойким конструкционным материалам ответственного назначении

Материалы, предназначенные для работы при низких климатических температурах и длительных статических и динамических нагрузках в слабо агрессивных средах, должны обладать следующим комплексом свойств:

- сочетание высокой прочности и пластичности;

- высокие характеристики ударной вязкости;

- низкая температура вязко-хрупкого перехода;

- высокий уровень грещиностойкости;

- сопротивление усталостному разрушению;

- хорошая свариваемость; сопротивление общей коррозии.

Анализ данных по разрушению и отказам сварных строительных конструкций и горнодобывающей техники северного исполнения позволяет сформули-: овать конкретные требования к указанным характеристикам:

- ударная вязкость на образцах с острым надрезом не ниже 40 (иногда 30) Дж/см2 при минимальной температуре эксплуатации; температура вязко-хрупкого перехода не выше возможной минимальной температуры эксплуатации (обычно минус 4С-70°С); критический коэффициент интенсивности напряжений не менее 100 МПаМм при температурах эксплуатации; для металла зоны термического влияния сварных соединений твердость не более 350НУ, ударная вязкость не хуже, чем в основном металле. Предел текучести стали может изменяться в широком диапазоне в зависимости от уровня рабочих напряжений в конкретном узле. Следует отметить, что значительное повышение прочности стали требует, как правило увеличения степени ее легирования с соответствующим увеличением углеродного эквивалента Сэкв. Большинство низкоуглеродистых низколегированных сталей с категорией прочности выше КП50 (С<и> 490 МПа) имеют величину углеродного эквивалента больше пограничного значения Сэкв=0,45, что может ухудшить их свариваемость и требует специальных технологических мероприятий для сохранения свойств материала под воздействием термического цикла сварки.

Усложнение условий эксплуатации или повышение степени ответственности изделия может потребовать более высокого уровня служебных свойств. Изготавливаемые в ОАО «ИЗ» хладостойкие корпусные конструкции включают как транспортные контейнеры для перевозки отработанного ядерного топлива (ОЯТ) с весьма высокими требованиями по сопротивлению хрупкому разрушению, так и сосуды нефтехимических реакторов, эксплуатируемых в условиях Севера, что определяет сложный комплекс требований, сочетающий взаимопротиворечивые характеристики для обеспечения надежности изделия:

- заданный уровень прочности при нормальной и повышенной температурах эксплуатации наряду с хорошей пластичностью:

- высокие значения работы удара при низких климатических температурах;

- сопротивление тепловому охрупчиваншо;

- длительная прочность в соответствии с заданным сроком службы

Задача усложняется тем, что указанный комплекс свойств необходимо обеспечить в толстостенной крупногабаритной конструкции с большим количеством сварных швов, поэтому ее решение является сложной магериаловедче-ской и технологической проблемой, требующей комплексного решения. 1.2. Основные принципы комплексной оптимизации технологии изготовления хладостойких материалов

Повышение работоспособности материалов и конструкций связано с выбо-ром(разработкой), изготовлением, исследованием и эксплуатацией конструкционных материалов для конкретных изделий. Во главу угла должен быть поставлен заданный уровень служебных свойств изделия, определяемый условиями эксплуатации и, соответственно, требуемая оптимальная структура материала, которые, в свою очередь, влияют на выбор химического состава материала и разработку технологии изготовления изделия. Каждая составляющая этой совокупности должна быть технически и экономически целесообразной и обеспечиваться при минимальных затратах. Все чаще к этому добавляется требование экологической безопасности при изготовлении и эксплуатации изделий.

В последнее время как у нас в стране, так и за рубежом при создании новых сталей с повышенным уровнем свойств руководствуются концепцией экономного легирования. Одновременно усиливается тенденция к совершенствованию уже известных материалов за счет оптимизации технологии их изготовления. Кроме того, продиктованная современным рынком потребность в уменьшении затрат на производство продукции без снижения ее качества заставляет осваивать новые технологии, включая микролегирование и термомеханические обработки. Исходя из изложенного, наиболее рациональным представляется комплексный подход к повышению уровня служебных свойств, который заключается в оптимизации не только химического состава, но и всех параметров технологии изготовления материала или конструкции, включая выплавку, пластическую деформацию, термообработку, сварку. При этом должны быть установлены четкие взаимосвязи «химический состав+технология *-* структура *-» свойства» и определяющие факторы, гараптирущие получение стабильного и воспроизводимого уровня служебных свойств и работоспособность изделия. 1.3. Выбор объектов для исследования

В качестве объектов исследования были выбраны три группы низкоуглеродистых низколегированных сталей с различным сочетанием прочности и вязкости, используемых для изготовления хладостойких изделий.

Первая включает листовой прокат сталей, предназначенных для сварных конструкций северного исполнения - от давно известной и широко применяемой стали 09Г2С до вновь разработанных или осваиваемых в производстве в качестве основных материалов для горнодобывающей техники, морских буровых платформ и т.д. Это стали 14Н2МФДА, 12ХП2МДА, 18ХН(2)МФДА и 12ХН4МДБА. Они различаются составом, величиной Сэкв. (от 0,40 до 0,73), толщиной листа (от 10 до 100 мм), категорией прочности (от КП35 до КП90) и минимальной температурой эксплуатации (минус 40-70°С).

Вторая группа представлена прокатом высокопрочной стали толщиной от 20 до 160 мм, изготавливаемой по стандарту ASTM А514 и используемой для строительных конструкций с температурой эксплуатации до минус 40°С. Ее особенностью является градация марок стали (Grade В, Н, F, Е, Q) с изменением степени легирования элементами Mn, Cr, Ni, Mo в зависимости от толщины листа и микролегирование бором с целью экономии этих элементов . Ближайшие российские аналоги этих сталей - 20ХГР, 20ХГНР, 20ХГНТР.

Третья группа включает материалы для крупногабаритных корпусных конструкций ответственного назначения, работающих при низких климатических температурах. Эта группа охватывает поковки, прокат и сварные соединения в толщинах до 200-400 мм с основной системой легирования Mn-Si, Ni-(Mn)-Mo (транспортные контейнеры) и Cr-Mo, Cr-Mo-V (нефтехимические сосуды).

2. Оптимизация химического состава и технологии изготовления хладостойкой свариваемой листовой стали .1. Влияние химического состава на структурные превращения хладостойких сталей

При исследовании кинетики распада переохлажденного аустенита уста-овлено, что получение бейнитной структуры, необходимой для достижения ысокого комплекса свойств хладостойких материалов, возможно для стали 9Г2С лишь при скоростях охлаждения не менее 20°С/с, при этом в ней при ре-ышх скоростях охлаждения всегда присутствуют структурно свободный еррит и перлит в значительных количествах. Увеличение содержания углеро-а и степени легирования, как известно, повышает устойчивость переохлаж-енного аустенита и способствует у-»сх превращению по бейнитному или мар-енситному механизму в диапазоне реальных скоростей охлаждения при закалке в воде. При этом, если в стали 14Н2МФДА диффузионное превращение еще наблюдается при Уохл.<10°С/с, то в стали 18ХНМФДА оно полностью отсутствует во всем исследованном диапазоне \'охл., что позволяет ожидать получения высокодисперсной бейнитной структуры даже при небольших скоростях охлаждения листа, т.е. при его нормализации.

Система лег ирования №-Мо-У-Си или Сг-М1-Мо-У-Си не только обеспечивает твердорастворное упрочнение ферритной матрицы, но и способствует измельчению зерна, увеличению прокаливаемоСти и дисперсионному упрочнению за счег выделения избыточных фаз. Так, в стали ! 4Н2МФДА после термоулучшения обособляются карбиды типа цементита Ме«С. В сталях 18ХНМФДА и 18ХН2МФДА в процессе высокого отпуска до 630°С выделяется два типа карбидов - Ме?С и МетС; (при увеличении продолжительности отпуска). При повышении температуры отпуска до 640-660"С к ним добавляется высокодисперсный карбид УС. Обособление карбидов способствует одновременному повышению прочности и хладостойкости стали за счет дисперсионного упрочнения и измельчения зерна. Таким образом, для содержащих Сг, N1, Мо, V и Си сталей могут быть эффективно использованы все механизмы упрочнения, тогда как для менее легированных сталей, таких как 09Г2С, повышение уровня прочности и вязкости может осуществляться кроме твердорастворного, только за счет зернограничного или субструктурного механизма. 2.2. Разработка хладостойкой стали повышенной прочности

Используя анализ повреждаемости хладостойких конструкций, а также результаты исследования лабораторных плавок с вариацией химического состава, были разработаны новые хладостойкие стали - 14Н2МФДА. 1ХХНМФДА и 18ХН2МФДА, в которых дополнительное легирование медью способствует наряду с твердорастворным упрочнением снижению критической температуры хрупкости и повышению стойкости против атмосферной коррозии. Варьирование параметров термообработки этих сталей позволяет получать различные категории прочности от КП40 до КП90 (табл. I).

При разработке технологии изготовления новых сталей кроме всех механизмов упрочнения использованы дополнительные факторы структурообразо-ванияг - оптимизирована технология выплавки, включая раскисление и рафинирование для уменьшения содержания примесей и модифицирование Са или РЗМ для регулирования распределения и формы неметаллических включе-ний(Н.В.), понижена температура конца ковки (900-1000°С) и прокатки (800-900°С) для ограничения размера первичного зерна. В результате получена оптимальная мелкозернистая структура металла с высоким комплексом свойств в широком диапазоне возможных требований по прочности вместе с хорошей хладостойкостью во всем интервале низких климатических температур (рис. 1).

За счет применения рациональной системы легирования новых сталей с заменой значительной доли дорогостоящих элементов Сг, N1, Мо на добавки Си.У, А1, Са и РЗМ, оптимизации технологических параметров изготовления и режимов термообработки проката при сумме легирующих элементов 3-5% и углеродном эквиваленте от 0,33 до 0,68 получен такой же и даже более высокий

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕН! комплекс механических свойств, какой имеют улучшаемые стали с содержанием легирующих эдеме!поп 5-7% и углеродным эквивалентом от 0,64 до 0,73.

Таблица 1. Минимальный уровень механических свойств новых марок хладостойких сталей.

Категория прочности Марка (Толщина Термообработк Структура, размер зерна по Г ОСТ 563*5 С5» 5 КСУ. Дж/см

ММ МПа % ~20°С ЛО'С

КГМО 14Н2МФДА 50 нормализация отпуск Ф + П №7-9 400 540 1 | 31 |

КН50 гакалка -отпуск С 540 : 1 650 ! 25 1 ~>г ¡84 Ё

К1140 18ХНМФДА нормализдмия -* отпуск Я» 8-9 420 610 25 ! Ы | 5 76 !>

КП70 • закалка отпуск С №9

КИ55 18ХН2МФДА 3$ нормализация -» отпуск С 36 7

КТШ( закалка * отпуск ст

КП90 закалка ^ откуси ¡45 '0 890 970 18 | 62 | 104 1 1 ■

Примечание >) Температура нагрева при нормализации и закалке - Я90-92О°С -температура отпуска - 610-6504^ 2) Ф - ферретг. П - перлит, С - сорбит

А - 14Н2МФДА (КП50), 18ХНМФДЛ (КП70), о. 18ХН2МФДА (КТ190) Рис. 1. Зависимость ударной вязкости (а) и вязкой составляющей в изломе (б) от температуры испытания новых хладостойких сталей повышенной прочности после термоулучшения

2.3. Улучшение структуры и свойств листовой стали за счет оптимизации технологии изготовления

Структура и комплекс свойств сталей рассматриваемого состава могут быть улучшены не только за счет рационального легирования, модифицирования и повышения чистоты стали, но и за счет дополнительного измельчения структуры и образования субструктуры при использовании термомеханической обработки. Так, даже малолегированная и не содержащая элементов-дисперсоидов сталь 09Г2С, широко эксплуатируемая в термоулучшенном состоянии с категорией прочности К1Т35 до температуры минус 40°С (размер зерна №6-8), может обеспечить более высокие категории прочности - до КП40 после контролируемой прокатки (КП) и до КП45 после применения циклической фазовой у<-»а перекристаллизации при горячей прокатке (ЦФП). Установлено, что увеличение предела текучести ферритно-перлитной стали может составлять до 14% после КП и до 22% после ЦФП. При этом улучшаются и характеристики вязкости, причем настолько, что сталь 09Г2С может быть переведена в категорию более прочных и более хладостойких материалов с обеспечением надежной эксплуатации до температуры минус 50-60°С, особенно в состоянии после ЦФП (рис.2). Это обеспечивается управлением процессами струкгурообразования при прокатке и формированием не только дисперсной структуры тонкопластинчатого перлита, но и измельчением феррита, который выделяется в виде равноосных фрагментированных зерен размером №8 -10.

• 1 - термоулучшение, ® 2 - КП, о 3 - ЦФП Рис. 2. Зависимость ударной вязкости (а) и вязкой составляющей в изломе (б) от температуры испытания ст. 09Г2С различных вариантов обработки

Улучшение структуры и свойств более легированных сталей с повышенной прокаливаемостью было достигнуто за счет применения режимов ВТМО, которые предусматривают закалку с прокатного нагрева в потоке стана. Оптимизация структуры стали при ВТМО обеспечивалась за счет регламентированного охлаждения сразу после окончания деформации на стадии динамической полигонизации (с подавлением процессов рекрисгализации) и фиксирования созданного при горячей деформации структурного и субструктурного состояния с высокой плотностью дислокаций. Это не только предотвращает рост первичного зерна и выделение доэвтектоидного феррита, но и обеспечивает повышение прокаливаемости стали, уменьшение пакетов бейнитных кристаллов и развитие субграниц.

Эффект ВТМО был установлен для всех исследованых сталей. На рис. 3 и 4 приведен уровень характеристик прочности и ударной вязкости соответственно в зависимости от схемы термообработки новых сталей 14Н2МФДА и 18ХНМФДА и более легированных сталей 12ХН2МДА и 12ХН4МДБА. Показано, что после разработанного режима ВТМО (температура конца прокатки от 860 до 920°) и последующего высокого отпуска (температура отпуска от 600 до 650°С) уровень предела текучести исследуемых сталей может быть повышен на 15-25% по сравнению с термоулучшением. Также повышаются характеристики вязкости в диапазоне низких климатических температур. Критическая температура вязко-хрупкого перехода, определяемая по критерию КСУ>40 Дж/см2 и ВИ>50%, составляет (°С):

Марка сталр

09Г2С

12ХН2МДА

14Н2МФДА

18ХНМФДА Г

18ХН2МФДА

Традиционная технология минус 40 минус минус 60 минус

Оптимизированная технология минус 60 минус минус не применялась

1000-,

О - СТО,

ВТМО+выс. отп. /

Зак.+выс. отл.

1-12ХН2МДА, 2-14Н2МФДА, 3-12ХН4МДБА, 4-18ХНМФДА

Рис. 3. Минимальные значения характеристик прочности различных марок стали в зависимости от схемы термоулучшения л 12ХН2М '-ДЛ (ВТМОотп.) а 12ХН2М.-ДА (закютп.) О - 18ХНМФДА (ВТМО^отп.) • - 18ХНМФДА (.зак -^отп.) Рис. 4. Зависимость ударной вязкости (а) и вязкой составляющей в изломе (б) от температуры испытания стали повышенной прочности после различных схем термоулучшения

Фракгография поверхности разрушения при температурах эксплуатации исследуемых сталей, изготовленных по оптимизированной технологии, подтвердила, что 01Ш сохраняют преимущественно вязкий характер разрушения вплоть до температуры минус 60-70°С. Основным типом неметаллических включений в исследуемых сталях - при реализованных технологических схемах - являются мелкие глобулярные оксиды размером не более 10-1 5 мкм. что также внссло свой вклад в повышение сопротивления хрупким разрушениям.

Важным критерием работоспособности таких материалов является трещи-ностойкость при наличии концентраторов напряжений, которые всегда могут присутствовать в реальной сварной конструкции. Установлен достаточный запас трещиностойкости при испытании на трехточечный изгиб балочных образцов натурного сечения с наведенной трещиной - значения Кх ггри 20°С составляют от 100 до 147 МПа^м в зависимости от марки стали. Наиболее высокий уровень трещиностойкости имеет новая сталь 18ХН2МФДА, для которой величина Кс превышает 140 МПал/м во всем диапазоне низких климатических температур. Это гарантирует надежность материала при его использовании для высоконагруженных металлоконструкций северного исполнения.

Для обеспечения надежности и работоспособности конструкционных материалов особый интерес представляет зона термического влияния (ЗТВ) их сварных соединений. В табл.2 представлены значения твердости и ударной вязкости металла ЗТВ сварных соединений исследуемого металлопроката различной толщины с применением ручной дуговой (РДС) и автоматической дуговой сварки под флюсом (АСФ) без подогрева. Показано, что как при увеличении степени легирования стали, категории прочности и величины Сэкв , так и при уменьшении погонной энергии сварки qfV наблюдается общая тенденция увеличения твердости и снижения ударной вязкости металла ЗТВ. Это объясняется повышением вероятности образования твердых продуктов распада переохлажденного аустенита под влиянием термического цикла сварки. Тем не менее ЗТВ исследуемых сталей при сварке без подогрева в толщинах до 50 мм в основном характеризуется удовлетворительным уровнем твердости и низкотемпературной ударной вязкости при условии оптимальной величины я/У, что свидетельствует о хорошей свариваемости стали повышенной прочности и возможности ее надежной эксплуатации в сварных конструкциях северного исполнения.

Таблица 2 . Свойства металла ЗТВ сварных соединений хладостойких сталей

Марка сгали (прочность) Толщина проката, мм Способ обработки проката Способ сварки, т/о сварного соединения ч/у, МДж/м НУэтв (тах) -40°С -60°С -70Т

КС\\ Дж/см2 (шт)

09Г2С (КП40) 30 Коитролир прокатка АСФбезт/о 2,5-3,

09Г2С (КП45) 30 ЦФП АСФ, отп-580°С, 4 ч. 2,5-3.0 187 103 —

14ЮМФДА, 50 закалка АСФ без т/о 240 80 —

КП50) отпуск АСФ ото 610-С, 5 ч 3,0 230 98 —

РДС без т/о 260 50 —

РДС отп 581«:, 5 ч. 2,

12ХН2МДА 40 закалка АСФ без т/о 2,3-3,0 343 —

КП50) + РДС без т/о 1,5-1,9 401 —

70 отпуск АСФ без т/о 2,3-3,

РДС без т/о 1.5-1,

18ХНМФДА закалка АСФбезт/о 322 74 —

КП70) 50 отпуск АСФ отпуск 58СРС, 5 ч. 3.0 320 68 —

РДС без т/о 348 57 —

РДС отп 580°С, 5 ч. 2,0 329 52 — ЗБ

Таким образом, управление процессами структурообразования за счет оптимизации технологии на всех этапах производства металлопроката позволяет существенно повысить комплекс служебных свойств и работоспособность хладостойких свариваемых сталей без увеличения их стоимости.

3. Разработка принципиальной технологии изготовления борсодержашей стали повышенной прочности

Большие возможности экономии таких дефицитных и дорогостоящих элементов как Сг, N1, Мо предоставляет и микролегирование бором, который наиболее эффективно влияет на прокаливаемость стали. Однако в России это мало используется, что связано с противоречивостью мнений об оптимальном содержании бора, с его неоднозначным влиянием на вязкость стали и повышенной химической активностью (для эффективного использования бора необходимо его присутствие только в твердом растворе).

Очевидно, что для экономнолегированных Мп-Сг-Мо и Мп-Сг-ЫьМо сталей с суммой легирующих элементов от 2 до 3,5% основной проблемой является обеспечение заданного спецификацией ASTM А514 высокого уровня прочности Ooj>690 МПа вместе с достаточной пластичностью и хладостойкостью. Для решения этой проблемы был выполнен комплекс работ по разработке оптимальных параметров технологии изготовления борсодержащих сталей. 3.1. Влияние бора на структурные превращения и прокаливаемость стали

Для количественной оценки эффективности влияния бора и других легирующих элементов на увеличение стойкости переохлажденного аустенита против распада по диффузионному механизму и повышение прокаливаемости стали типа А514 использовался металл с вариацией содержания бора, углерода, молибдена и титана. Выполнялись дилатометрические исследования и определение прокаливаемости методом торцевой закалки по расстоянию от торца до зоны с твердостью 40HRC (L<w).

Установлено, что добавка бора в количестве 0,0025-0,0077% полностью подавляет диффузионное превращение аустенита и способствует бейнитному превращению при скорости охлаждения от 0,5 до 10°С/с - в отличие от стали аналогичного состава, но без бора. Область выделения структурно свободного" феррита резко сдвигается вправо тем дальше, чем больше содержание бора. При содержании бора не менее 0,0033% возникает область мартенситного превращения, и чем больше бора, тем меньше критическая скорость охлаждения. Повышение температуры аустенизации и скорости охлаждения в присутствии бора подавляет распад аустенита в верхнем интервале субкритических температур и увеличивает склонность к промежуточному превращению.

Все это способствует увеличению прокаливаемости стали. Однако было установлено, что несмотря на общую тенденцию повышения прокаливаемости при увеличении содержания бора, его влияние неоднозначно. Например, самую высокую прокаливаемость имеет металл с содержанием бора на уровне всего ~0,0025%, но в присутствии достаточного количества Мо и Ti (закаливаемость -50HRC, L4O-60 мм). В то же время повышение содержания бора до 0,0067% в отсутствие Ti не увеличивает прокаливаемость (закаливаемость-471ЮС, Ьш~30 мм). Это зависит от соотношения растворенного эффективного бора и связанного бора, что было подтверждено анализом избыточной фазы. В этих сталях она представлена в основном карбидом цеменгитного типа МезС и карбонитри-дами Me(C,N) и содержит до 17% бора в металле с повышенной прокаливае-мостью и до 40% - с пониженной, что связано с количеством вводимого бора, условиями раскисления и защитой бора за счет добавок химически более активных элементов, таких как А1 и Ti.

В результате проведенных исследований было установлено, что оптимальное содержание бора в сталях рассматриваемого типа находится в пределах 0,0020-0,0035%. Такой уровень микролегирования бором, особенно в присутствии -0,5% молибдена, способствует повышению прокаливаемости стали и обеспечивает преимущественно бейнитное превращение в диапазоне реальных скоростей охлаждения при закалке в воде. Более высокое содержание бора может привести к образованию мартенситной составляющей в структуре и к обособлению избыточных борсодержащих фаз, что неблагоприятно с точки зрения технологичности материала и обеспечения высокого комплекса его свойств.

3.2. Улучшение структуры и свойств борсодержащей стали за счет оптимизация технологии изготовления

В результате установленных взаимосвязей «химический состав-» структура-свойства» и анализа условий выплавки, горячей деформации и термообработки были разработаны определяющие параметры технологии изготовления борсодержащей стали типа А514. Оптимальная последовательность раскисления стали с использованием алюминия и ферротитана (с остаточным содержанием 0,020-0,035% Al и 0,01-0,03%Т0/мшфолегирование ванадием до 0,08% и удаление газов до уровня не более 0,011% азота и 0,004% кислорода обеспечивают необходимое для повышения прокаливаемое™ количество растворенного бора, повышение прочности и измельчение зерна.

Для подавления распада аустенита в верхнем интервале субкритичсских температур и для повышения вероятности его превращения по бейнитному механизму необходимо увеличивать температуру нагрева для закалки тем больше, чем меньше степень легирования стали и чем меньше толщина проката Исходя из этого, была разработана технология термоулучшения металлопроката с целью получения оптимальной мелкодисперсной структуры отпущенного бейнита с величиной зерна не крупнее №6 и содержанием структурно свободного феррита не более 5%. Для более легированного проката А514—F,E,Q толщиной свыше 60 мм это закалка в воде после нагрева в стационарных печах до температуры 920-960°С (в зависимости от марки стали). Менее легированная сталь А514-Н,В толщиной до 60 мм должна проходить ВТМО с использованием тепла прокатного нагрева при Ткп=960-1000°С. При исследовании отпуско-устойчивости закаленной стали было установлено, что интенсивность процессов разупрочнения при отпуске увеличивается в ряду Q, Е, F, Н, В, и диапазон оптимальных значений параметра отпуска, рассчитанный по формуле Pl-m= Т(20 + lgx)xl0^, изменяется от Pl-m=1 9,0-19,6 (A514Q) до Pl-m=1 8,0-18,4 (А514В). Эффективность разработанной технологии подтверждена достижением высокой прочности, пластичности и вязкости при промышленном изготовлении металлопроката (табл.3).

Установлено, что применение ВТМО увеличивает уровень прочности от 15 до 25% по сравнению с обычной схемой закалки, при этом повышаются и характеристики хладосгойкости (рис.5). Показано, что за исключением стали А514Е все борсодержащие стали A514F,H,B, а также сталь A514Q без бора, но с наибольшим суммарным легированием надежно обеспечивают требуемый для строительных сталей уровень ударной вязкости не менее 30 Дж/см2 до минус 40-50°С. Пониженную хладостойкость стали А514Е (KCV>30 Дж/см2 при температурах не ниже-20°С) можно объяснить более высоким содержанием бора до 0,005% и титана (0,03 - 0,05% по сравнению с 0,01 - 0,02% в других марках стали), что, как известно, повышает склонность высокоотпущенной стали к хрупкому разрушению. Следует подчеркнуть, что за счет увеличения прокаливаемое™ и оптимизации структуры борсодержащая безникелевая сталь А514В имеет примерно тот же уровень хладосгойкости, что и более легированная содержащая Ni сталь 10ХСНД, но при гораздо более высоком уровне прочности.

Таблица 3. Свойства стали ASTM А514 (требуемые/фактические)

Толщина, мм ств, МПа

0о,2, МПа

KCV», Дж/см

KCV, Дж/см

760-895 760 690 690 !6 18

45 50

690 - 895 690 620 640 14 18

45 50

KCV Дж/см

А' / / / / * г ' Г / / ' / ^ о

1 ✓ / 1 / / ^Л г'"' ст Ж" J 1 г - -н

• * I ■ ■ ]

Рис.5. Зависимость ударной вязкости от температуры испытания различных марок стали ASTM А514 после ВТМО + отпуска (сплошная линия) и после закалки + отпуска (пунктир). Для примера приведена сталь 10ХСНД (сто.2>390 МПа)

• - Gr.B. c-Gr.H, д-Gr.F. A-Gr.Q, ■ - Or Е, a - ЮХСНД

VMcn. °C

Предел выносливости, как один из критериев работоспособности, составляет для исследуемых сталей ст '=450-475 МПа, а отношение СТ-1/ао=0,50-0,55, тогда как в сталях аналогичного класса без бора оно не превышает 0,40-0,45.

Полученные результаты не только опровергают мнение ряда авторов о резко отрицательном влиянии бора на вязкость стали, но также подтверждают, что комплексная оптимизированная технология позволяет лучше использовать преимущества борсодержашей стали типа А514 и при экономном легировании такими элементами как Сг,№, Мо получить высокий уровень прочности и пластичности, а также ударной вязкости при низких климатических температурах.

4. Оптимизация химического состава и технологии изготовления конструкционных корпусных материалов 4.1. Оптимизация технологии и обеспечение служебных свойств материалов транспортных контейнеров

В современных условиях весьма актуальной является защита окружающей среды от попадания вредных активных веществ при перевозке ОЯТ, в связи с чем требования к материалам транспортных контейнеров (ТК) в части сопротивления хрупким разрушениям весьма высоки и колеблются от KCV>30 Дж/см2 для российских модификаций до KCV>125 Дж/см2 для модификаций фирмы "Transnucieaire", Франция при минус 40-50°С. Для гарантии работоспособности температура вязко-хрупкого перехода, определенная по различным методикам (Tso, Тко. Tndt), должна быть не выше минус 50°С, Анализ собственного и зарубежного опыта показывает, что эти требования могут быть стабильно обеспечены низкоуглеродистыми низколегированными сталями повышенной чистоты с уровнем прочности не выше KÏT40, которые прокаливаются в больших сечениях с получением мелкозернистой смеси феррита и бейнита. Наиболее целесообразно легирование никелем или никелем и марганцем, с дополнительным введением молибдена для уменьшения склонности к отпускной хрупкости и повышения устойчивости против разупрочнения при многократных нослесварочных отпусках крупногабаритной конструкции. Этим принципам легирования полностью отвечают стали ASTM SA350 LF3 и LF5 класс 2, их российские аналоги J0FH2A-A. ШГНЗА-А и разработанная в "ИТ новая сталь S0H3MA-A, а также выбранные сварочные материалы Н)НМА и 1 ОГ'НМА Однако существуют варианты изготовления таких конструкций и из более дешевой ферритно-перлнтной стали без никеля, такой как 09Г2С.

На рис.6 приведены сериальные кривые в диапазоне температур эксш(уата-ции для различных материалов TTC. Показано, что легирование основных и сварочных материалов никелем существенно увеличивает ударную вязкость, особенно при температурах ниже минус 30°С, и при содержании [№|=2,5-3,0% уровень FCCV>30 Дж/см2 надежно обеспечивается до температуры минус 60°С

Дж/см2]

5 00 г

ЦО.нгг. 09Г2СА - А, KI140. шипа ';60 мм, термоулучшение - поелтева-рочный отпуск 6504" 2С> ст. 10ГОМА - А, КП40. плита 180 мм, термоулучшение -*- послесва-рочный отпуск 600°С 3(А>-электроды ЦЛ - 21 ( 10ГНМА послесварочный отпуск 650°С 4( АНлектроды ЦП - 63 (ЮНЗА), послесварочный отпуск 600°С

Рис. 6. Зависимость минимальных значений ударной вязкости от температуры испытания основного металла и металла сварного шва ТК

Снижение содержания вредных примесей S и Р предоставляет дополнительный резерв в улучшении вязких свойств основного и особенно наплавленного металла сварных соединений, который практически невозможно подвергнуть термоулучшению для измельчения зерна. При исследовании металла сварных швов состава I0HMA и ЮГНМА установлено, что при минус 50°С уровень KCV>30 Дж/см2 уверенно обеспечивается при содержании S и Р не более 0,010-0,012% каждого при сумме S+P < 0,020% (рис.7). Повышение содержания в металле шва марганца требует более низкого содержания примесей, что может быть связано с увеличением в его присутствии степени сегрегации вредных примесей по механизму совместного выделения на границах зерен.

1-10НМА

2- 10ГНМА

0,008 0,010 0,012 0,014 вес,®/. [Р], [Б] Рис. 7. Зависимость ударной вязкости при -50°С от содержания фосфора (светлые точки) и серы (темные точки) в металле шва, подвергнутом отпуску при 650°С. В скобках - уровень содержания другой примеси

В табл.4 приведены характеристики сопротивления хрупким разрушениям материалов ТК - КСУ, Ар, Т5ои Тко в сопоставлении с содержанием примесей и структурой металла Наиболее высокие из указанных характеристик имеет новая сталь 10НЗМА—А повышенной чистоты с размером зерна №10 и с фер-ритно-бейнитной структурой. Увеличение содержания примесей до 8+Р= 0,024%, укрупнение зерна до №7 и появление перлита в структуре стали близкого состава 10НЗМА значительно снижает характеристики хладостойкости. Это связано с возрастанием отрицательной роли границ зерен при уменьшении их суммарной протяженности и увеличении степени приграничной сегрегации вредных примесей, а также со снижением хрупкой прочности материала при появлении перлита в его структуре. Аналогичные закономерности установлены для металла сварных швов, причем повышение хладостойкости обеспечивается также за счет дополнительной перекристаллизации при переходе на меньший диаметр сварочной проволоки. В то же время показано, что оптимизация технологии изготовления стали 09Г2С с низким содержанием Б и Р и измельчением структуры позволяет обеспечить сопротивление хрупким разрушениям лишь до температуры минус 30-40°С. Это связано, очевидно, с пониженной прокаливаемостью стали 09Г2С в больших сечениях и с отсутствием №, оказывающего наиболее благотворное влияние на хладостойкость ферритно-перлитных сталей, особенно при температуре эксплуатации ниже минус 30°С. 4.2. Оптимизация технологии и обеспечение служебных свойств материалов нефтехимических реакторов

Высокий уровень требований, предъявляемых к материалам нефтехимических реакторов нового поколения, приведен в табл.5 ня примере крупногабаритного сосуда давления для "Пермь-Лукойянефтеоргсинтез". Для стали 2,25Сг-1Мо марок 8А336 и 8АЗ87 Р22 кл2. и ее сварных соединений того же состава толщиной -200 мм большую трудность представляет обеспечение хладостойкости в исходном состоянии при минус 35°С и минимального охрупчи-вания при эксплуатации (температура до 460°С, срок службы не менее 20 лет). а лица

11 мальные значения механических свойств материалов ТК

Исследуемый металл, толщина Т Режим т/о2 Структура3 Размер зерна примеси Р | в 20 ОБ 20 От 20 5 20 ¥ -401 -50 КСУ 1КСУ -50 Ар Т50 Тко вес, % МПа % Дж/см2 Дж °С

Осн. металл ст. 09Г2СА-А Т=160 мм Закалка + отпуск + послесвар ОТПУСК 60%Ф+ 20% Б+ 20%П №7-8 0,009 0,005 550 390 30 73 80 10 4 -10

Осн. металл ст. 10НЗМА-А Т=200 мм Закалка + отпуск 1" послесвар. отпуск 40%Ф+ 60%Б №10 0,008 0,005 510 390 32 71 186 134 65 -50

Осн. металл ст. 10НЗМА Т=60 мм Нормализа-ция+отпуск +послесвар отпуск 50%Ф+ 40%Б+ 10%П №7 0,010 0,014 460 295 31 70 90 40 20 -40 •

Металл шва1 Св-1ОГНМА05 Т--200 мм Сварка + послесвар. отпуск 10-40%Ф-( 60-90%Б №7-10 0,006 0,010 570 455 23 61 84 60 - -40

Металл шва1 Св-ЮНМА 05 Т=200 мм Сварка + послесвар. отпуск 10-40%Ф» 60-90%Б №7-10 0,011 0,012 510 375 26 72 81 52 - -40

Металл шва1 Св-ЮНМА 03 Т==60 мм Сварка + послесвар. ОТПУСК 10%Ф+ 90%Б №9-10 0,010 0,010 500 360 25 73 60 83 ■ -50

Требования российскрй НТД не(х 0.010 лее 0.010 неме 430 245 яее 19 42 30 30 не I ыше

Требования «ТгапэпиЫешге» (Франция) 0.010 0,007 420 1 250 20 30 175 125 -

1)сварка под флюсом ФЦ-16А; 2) послесварочный отпуск в диапазоне 600-650°С; 3) Ф феррит; П - перлит; Б - бейнит.

Таблица 5. Требования к основному металлу и сварным соединениям стали типа 2.25Сг-1Мо (аналог 10Х2М1А-А)

Статическое растяжение Твердосп Ултрньж изгиб (Шарпи)! Длительная прочность

20°С 460°С Переходная темпс-j 460°С i СТв | (50.2 5 J Ц> СТв |СТ<>.2 i HVio 1ÍV ратура на конец ; CTioeooo срока жеплуагацин!

МГТа % MI la Дж °С j МЛа

515690 > 310 18 > 40 > 448 > 229 j 248 [ 55 \ < i > 0 |

Для имитации теплового охрупчивания принята обработка методом ступенчатого замедленного охлаждения от температуры 593°С ("step cooling"). Оценка степени охрупчивания производится но формуле Брауна, которая с учетом условий эксплуатации выражается следующим образом:

Тг55исх,+ЗДТг55= Тг55финал.<0°С, где ATrss= Тг55исх - T'rsssc Trssucx., Trs5sc. Тг55финал. -- температура вязко-хрупкого перехода, определяемая по работе удара не менее 55 Дж соответственно в исходном сост оянии, после "step cooling" и прогнозируемая на конец срока эксплуатации.

Для ограничения охрупчивающих явлений и обеспечения заданного к химическому составу материалов предъявлены дополнительные требования: Mn+Si<l,2%; фактор J<120; коэффициент Брускато Х<15. Значения J и X определяются по содержанию вредшлх охрупчивающих элементов но формулам: J=(Mn+Si)x(P+Sn)x 10*; Х=( 10P+5Sb+4Sn+As)x 102 Достижение заданного комплекса служебных свойств стало возможным при условии получения оптимальной мелкозернистой структуры, состоящей преимущественно из отпущенного нижнего бейнита без выделений структурно свободного феррита. И если для основного металла эта задача была решена общепринятыми методами повышения прокаливаемое™ при увеличении степени легирования в пределах марочного состава, оптимизации схем горячего деформирования, повышении температуры нагрева под закалку до 950°С с последующей интенсификацией охлаждения, то получение оптимальной структуры и свойств сварных соединений стало серьезной материаловедческой проблемой. Она была решена за счет единого комплекса технологических мероприятий:

- микролегирование сварочных материалов ванадием до 0,01-0,03% и бором до 0,002% (для повышения прокаливаемое™, измельчения зерна и подавления предвыделений феррита);

- перекристаллизация металла шва за счет сварки в узкую разделку электродом диаметром пе более 4 мм (для увеличения дисперсности структуры);

- регламентирование теплового процесса с установлением температуры металла при сварке 200±20°С и ограничением тепловложений (для обеспечения превращения по бейнитному механизму и ограничения роста зерна);

- разработка технологии местной термообработки монтажных швов реактора.

Были установлены и другие факторы оптимизации химического состава и технологии изготовления реактора для уменьшения охрупчивающих явлений

Это снижение содержания примесей до уровня .К] 00, Х<11 и дополнительно для металла шва ограничение содержания кислорода не более 0,03-0,04%. При выполнении многократных послесварочных отпусков следует не только обеспечивать скорость охлаждения не менее 30°С7ч, но и ограничивать продолжительность самого отпуска до значения параметра Ларсона-Миллера Рг-м-20,!

Результаты проведенных исследований были положены в основу разработки принципиальной технологии изготовления пермских нефтехимических реакторов и позволили обеспечить весь требуемый комплекс свойств, включая длительную прочность при 460°С, 100000 часов (рис.8). Она составляет 206-235 МПа для основного металла и -207 МПа для металла сварных соединений, прошедших послесварочный отпуск максимальной продолжительности (630°С,18ч+690°С,16ч), что соответствует заданному среднему значению 223 МПа с учетом допустимой 20%-ной полосы разброса. На рис.9 показан также высокий уровень длительной пластичности, что весьма благоприятно с точки зрения надежности и живучести всей конструкции.

Достипгутые результаты объясняются формированием достаточно стабильной и устойчивой структуры материала, содержащей после термоулучшения и послесварочных отпусков карбиды ("Ре, СфО-нРе. Сг, Мо)7Сз+МогС. После испытаний на длительную прочность карбидная фаза исследуемого металла состояла из соединений (Ре, Сг, Мо)?Сз+Мо2С+следы РезС. Следует подчеркнуть, что удовлетворительная жаропрочность получена на металле с мелкозернистой (зерно № 6-8) структурой отпущенного преимущественно нижнего бей-нита. Это меняет сложившееся представление о возможности достижения жаропрочности в основном при более равновесной структуре и еше раз доказывает, что комплексный подход позволяет успешно решать самые сложные задачи материаловедения, максимально используя все ресурсы самого материала и технологии изготовления изделия. х лГ4®" —-«—. т %0°С. 100 ООО ч :

16 17 18 Рьм

Р1.-м=Т(20+^т)х НГ:' □ - осн. металл, Х-шов РДС, * - св. соед. РДС, ■А. . шов АД С,® - св. соед. АД С Рис.8. Зависимость длительной прочности металла сварных соединений стали 8А3361;22 кл.2 (ЮХ2МФА-А) от параметра Ларсона-Миллера

У/ Т/РТТ/тт^ ^¿ш щМ шт.;

А '^¿¿Щ 460 С, 100000 ч - наплавленный металл: X - шов РДС О -шовДДС - сварные соединения: * - св. соед. РДС ЕО - св. соед. АДС

Рис. 9. Зависимость длительной пластичности металла сварных соединений стали БАЗЗб Р22 кл.2 от параметра Ларсона- Миллера

5. Практическая эффективность работы

Комплексный подход, охватывающий все этапы производства материалов и конструкций, наиболее эффективен. Это определяется в первую очередь большими возможностями управления структурой и свойствами и получением гарантированного и воспроизводимого комплекса служебных характеристик на больших партиях металлопродукции за счет установления контролируемых параметров обязательного исполнения на всех стадиях производства. Практическая эффективность также обусловлена возможностью совершенствования технологии и оптимизации химического состава с четко выраженным стремлением к экономии дефицитных и дорогостоящих легирующих элементов.

Большой вклад в это вносит применение современных технологий. Так, микролегирование стали бором в количестве 0,0020-0,0035% повышает уровень предела текучести по сравнению с базовым составом на 25-50% (100-250 МПа) и по уровню его,2 равносильно легированию никелем в количестве -1,5%. Применение термомеханической обработки способно повысить хладостойкость и увеличить уровень прочности низкоуглеродистых низколегированных сталей на 15-25% даже по сравнению с операцией термоулучшения при том, что ТМО одновременно является непрерывной, энерго-и металлосберегающей технологией. Создание новых материалов с одновременным использованием принципов экономного легирования и разработкой оптимальных технологических параметров на вссх этапах производства экономически наиболее целесообразно, т.к. позволяет обеспечить значительное повышение комплекса служебных свойств при наименьших затратах.

Анализ данных ОАО «ИЗ» по себестоимости металлопроката позволяет сделать следующие сравнительные оценки:

- замена стали на более дешевую марку с повышенным за счет оптимизации технологии комплексом свойств уменьшает затраты на производство до 50%;

- использование ТМО, повышая уровень свойств, одновременно уменьшает себестоимость проката до 12%, не считая экономии энергоносителей и сокращения цикла производства;

- повышение прочности от- КП50 до КП70 при традиционном легировании увеличивает себестоимость до 50%, тогда как экономное легирование с оптимизацией технологии производства позволяет избежать этого;

- микролегирование бором снижает себестоимость проката до 13%:

- вариантность применяемых составов с уменьшением степени легирования по мере уменьшения толщины изделия снижает себестоимость от 15 до 35%.

ВЫВОДЫ

1. Показано, что комплексная оптимизация химического состава материала и технологии его изготовления позволяет наиболее эффективно обеспечить высокий уровень служебных свойств и работоспособность изделия при наименьших производственных затратах. Она также позволяет придать новые потребительские свойства уже известным материалам.

2. Определены основные механизмы структурообразования и оптимальная структура хладостойких сталей в зависимости от требуемых служебных свойств. Для материалов категории прочности до КП35 с температурой эксплуатации (Тэкспл.) до минус 40°С это твердорастворное и зернограничное упрочнение с формированием мелкозернистой ферритно-перлитной или бей-нитной структуры (размер зерна №6-8). Понижение Тэкспл. до минус 50°С с ужесточением характеристик хладостойкости требует легирования никелем и/или дополнительного измельчения зерна до №10. При дальнейшем повышении прочности от КГОО до КП90 и понижении Тэкспл. до минус 60-70°С кроме указанных должны использоваться механизмы субструктурного и дисперсионного упрочнения системы Cr-Ni-Mo-V-Cu с формированием мелкозернистой структуры отпущенного мартенсита или бейнита(размер зерна №8-10), содержащей высокодисперсную вторую фазу и модифицированные неметаллические включения размером не более 15 мкм.

3. Установлено, что обеспечение наряду с хладостойкостью жаропрочности материала возможно при легировании не содержащим никель комплексом Сг-Mo-V, позволяющим сформировать мелкозернистую структуру преимущественно нижнего бейнита с равномерным распределением дисперсной и устойчивой карбидной фазы; МезС+Ме7Сз+МегС (размер зерна не крупнее №6).

4. Сформулированы основные требования оптимизации химического состава и режимов термообработки для повышения сопротивления хрупким разрушениям хладостойких конструкционных материалов. Для транспортных контейнеров это ограничение содержания S+P в сумме не более 0,02%. Для нефтехимических реакторов необходимы дополнительные ограничения по фактору J не более 100 и коэффициенту X не более 11, остаточное содержание кислорода не более 0,03-0,04%. Высокая хладостойкосгь материала 2,25Сг-1Мо также достигается за счет ограничения продолжительности послесва-рочных отпусков по параметру Pl-m не более 20,1 и обеспечения Vox л после отпуска не менее 30°С/ч.

5. Разработаны основные параметры термомеханической обработки низкоуглеродистых низколегированных сталей, которые по сравнению с операцией термоулучшения проката на 15-25% повышают уровень прочности и на 10-20°С снижают температуру вязко-хрупкого перехода.

6. Разработана комплексная технология производства борсодержащих сталей типа ASTM А514. Установлены оптимальные условия микролегирования бором в количестве 0,0020-0,0035% и ванадием до 0,08% с обязательным раскислением комплексом Al+Ti, а также параметры ВТМО, включающие завершение горячей деформации при 960-1000"С с последующим бейнитным превращением. Эта технология наиболее полно использует преимущества сталей с бором и обеспечивает при экономном легировании Cr, Ni и Мо высокий уровень кратковременной и усталостной прочности при достаточной пластичности и хладостойкости.

7 Методы оптимизации использованы при разработке химического состава и технологии производства новых экономнолегированных хладостойких сталей повышенной прочности 14Н2МФДА, 18ХНМФДА и 18ХН2МФДА, гарантирующих надежную эксплуатацию сварных конструкций до минус 60-70°С. Разработана также новая хладостойкая сталь 10НЗМА-А для транспортных контейнеров с высоким сопротивлением хрупкому разрушению.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Титова Т.И., Солнцев Ю.П.Оптимизация химического состава и технологии производства хладостойких сталей с использованием метода инжиниринга материалов.Сб.докл. научно-техн.семинара «Прочность материалов и конструкций при низких температурах» СПб. 1999.С0-Й.

2. Смагоринский М.Е., Титова Т.И., Кудряшов С.В., Сандомирский М М. О возможности использования горячекатаного проката стали 09Г2С в качестве конструкционного материала с категорией прочности КП42. МиТОМ. 1990. №9. С.27-30.

3. Титова Т.Н., Сандомирский М.М. Новые конструкционные хладостойкие стали повышенной прочности. Л.: ЦИТИ. 1990. №18-91.

4. Сандомирский М.М., Титова Т.И., Беляева Л.И., Шульгин H.A. Новые низкоуглеродистые конструкционные стали и их сварные соединения для работы в условиях низких температур. Сб.научн.докл.пац.конгресса по металловедению и термической обработке. Болгария, октябрь 1991. С.95-97.

5. Сандомирский М.М., Соболев Ю.В., Ризкин С.И., Титова Т.И , Шульган H.A. Новая конструкционная сталь 18ХН2МФДА повышенной хладостойкосги. Конверсия в машиностроении. 1996. №3. С.59.

6. Сандомирский М.М., Титова Т.Н., Александрович В.И., Духовный A.C. и др. Конструкционная сталь. Авторское свидетельст во №4838856. 1990.

7. Сандомирский М.М., Титова Т.И., Ривкин С.И., Орестов A.M., Акимов Э.Г. и др. Патенг №2042731 на изобретение «Конструкционная сталь». 1995.

8 Шульган U.A., Титова Т.И., Протасова И.Н., Хоропшн М.И. Оценка хрупкой прочности хладостойкой листовой стали и ее сварных соединений. Сб. докл. научно-техн конф. «Азовсталь-99». Мариуполь 1999, С.66.

9. Гитова Т.И., Шульган H.A., Литвак В.А., Павлова А.Г. Опыт термомеханической обработки борсодержащей стали повышенной прочности. Сб. докл. международ. научно-техн. конф, «Высокие технологии в современном материаловедении». СПб. 1997. С.40-4).

10. Титова Т.Н., Шульган H.A., Литвак В.А., Козинова О.Ю. Повышение прочности конструкционных сталей за счет микролегирования бором. Балтийские металлы. 1999. №3(8). С. 18-19.

11. Титова Т.И., Шульган H.A., Козинова О.Ю. Обеспечение надежности листового проката борсодержащей стали типа ASTM А514. Сб. докл. научно-техн. конф. «Азовсталь-99». Мариуполь 1999. С.29.

12. Сандомирский М.М., Гитова Т.И., Шумнов А.П., Гончарова Г.И. Влияние примесей на механические свойства и критическую температуру хрупкости сварных соединений из стали 15Х2МФА В кн.: Повышение качества, надежности и долговечности изделий из конструкционных, жаропрочных, порошковых и инструментальных сталей и сплавов. Л.: ЛДНТП. 1983. С.71-74.

3 Сандомирский М.М., Беляева Л И., Ланин A.A., Соболев Ю.В., Титова Г.И., Хотмиров В.Г., Шульган H.A. Влияние примесей в металле сварных швов, выполненных на низкоуглеродистой Ni-Mo-V-Nb стали, на характеристики сопротивления хрупким разрушениям. Анн. докл. 2-й межотрасл. научно-техн. конф. по проблеме хранения и транспортирования отработавшего ядерного топлива. Л.: октябрь 1990. С.7-8.

4. Бечке Й., Волфова П., Столяров В., Титова Т. Оценка склонности реакторных материалов к трещинообразованию методом имитации технологии сварки и наплавки. Чехия. Сварка. 1993. №5. С.97-101.

5. Калиненок Б.И., Титова Т.И. Реакторы нового поколения для глубокой переработки нефти. Тяжелое машиностроение. 1997. №4. С.29-31.

6. Немзер Г.Г., Немзер H.A., Рязанцев А.Б., Титова Т.И. и др. Местная термообработка монтажных швов крупногабаритных сосудов. Там же. С.32-33.

7. Сандомирский М.М., Соболев Ю.В., Ривкин С.И., Титова Т.И. и др. Патент №2039118 на изобретение «Конструкционная сталь». 1995.

8. Козинова О.Ю., Титова Т.И., Шульган H.A. Сопоставление определяемых по российским и зарубежным стандартам характеристик сопротивления хрупкому разрушению. Сб. докл. научно-техн. конф. «Азовсталь-99». Мариуполь 1999. С.

9.Титова Т.Н.,Зацепин В.Г.,Белов А.В.Практика термомеханической обработки борсодержащих сталей типа ASTM А514.Сб.докл. научно-тсхн.семинара «Бернштейновские чтения».М.:МИСиС. 1999. С,12.

11ЛД № 69-378 от 0». 06.

Ротапринт. Подписано в печать 26 10. 99. Формат бум. 60x84 1/

Объем 1 уч. изд. л. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ

АООТ "НПО ЦКТИ", 194021. Санкт-Петербург. Политехническая ул. д.