автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Влияние микролегирования ванадием и ниобием на структуру, свойства и склонность к хрупкому разрушению малоуглеродистых и низколегированных сталей

Введение

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛИЯНИИ ВАНАДИЯ И НИОБИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕР ХРУПКОГО РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ.

1.1. Влияние микродобавок ванадия и ниобия на фазовые и структурные превращения в сталях

1.1.1. Взаимодействие ванадия и ниобия с углеродом, железом и другими элементами в сталях

1.1.2. Влияние микродобавок ванадия и ниобия на величину зерна.

1.2. Влияние микродобавок ванадия и ниобия на механические свойства конструкционных сталей

1.2.1. Дисперсионное упрочнение конструкционных сталей.

1.2.2. Влияние ванадия на упрочнение сталей

1.2.3. Влияние ниобия на упрочнение сталей

1.3. Влияние микролегирования и термической обработки на характер разрушения малоуглеродистых сталей

1.3.1. Критерии хладноломкости сталей

1.3.2. Ванадий и хладноломкость стали

1.3.3. Ниобий и хладноломкость стали

1.3.4. Развитие обратимой отпускной хрупкости в сталях, легированных ниобием и ванадием

1.3.5. Задачи исследования

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Выбор сталей для исследования, их выплавка и термическая обработка

2.2. Методика металлографического исследования

2.3. Методика механических испытаний

2.4. Методика оценки склонности сталей к обратимой отпускной хрупкости

2.5. Методика электронно-микроскопических исследований

2.5.1. Исследование микроструктуры

2.5.2. Фрактографические исследования

2.6. Методика карбидного анализа

2.7. Микрорентгеноспектральный анализ сталей

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ НИОБИЕМ И ВАНАДИЕМ НА

МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

И 20Х.

3.1. Влияние микролегирования на микроструктуру исследуемых сталей

3.2. Упрочняющее действие микродобавок ниобия и ванадия в сталях 20 и 20Х.

3.2.1. Влияние ниобия.

3.2.2. Влияние ванадия.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МИКРОДОБАВОК НИОБИЯ И

ВАНАДИЯ НА ХЛАДОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ 20 И 20Х.

4.1. Влияние микролегирования на хладноломкость исследуемых сталей

4.1.1. Влияние ниобия

4.1.2. Влияние ванадия.

4.2. Влияние микролегирования на характер разрушения сталей 20 и 20Х в различных структурных состояниях

4.2.1. Нормализованное состояние

4.2.2. Улучшенное состояние

ГЛАВА 5. РОЛЬ МИКРОЛЕГИРОВАНИЯ НИОБИЕМ И ВАНАДИЕМ В

РАЗВИТИИ ОБРАТИМОЙ ОТПУСКНОЙ ХРУПКОСТИ

СТАЛЕЙ 20 И 20Х.

5.1. Исследование склонности к обратимой отпускной хрупкости стали 20 с микродобавками ниобия и ванадия.

5.2. Исследование склонности к обратимой отпускной хрупкости стали 20Х с микродобавками ниобия и ванадия

5.3. Состояние карбидной фазы и перераспределение элементов в исследуемых сталях при введении ми1фодобавок ванадия и ниобия

ГЛАВА 6. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА - РЕЗЕРВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАЛЕЙ,

МИКРОЛЕГИРОВАННЫХ ВАНАДИЕМ И НИОБИЕМ.

ВЫВОДЫ

Л и т е р а т у р а.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВЫВОДЫ

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

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

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

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

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

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

6. Вводимые добавки неоднозначно влияют на склонность стали 20Х к отпускной хрупкости. При наличии ванадия в стали увеличивается степень охрупчивания, порог хладноломкости после охрупчивающего отпуска смещается в сторону высоких температур. Введение ниобия в ванадийсодержащую сталь уменьшает ее склонность к охрупчиванию. Повышение температуры закалки до Ю00°С значительно уменьшает чувствительность стали 20Х к отпускной хрупкости.

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

8. Показано влияние микродобавок, химического состава, режима термической обработки на строение излома и механизм разрушения сталей. Впервые установлено, что ванадий способствует увеличению доли межзеренного разрушения в исследуемых сталях (особенно в стали 20Х). Это обусловлено развитием при отпуске химической и структурной неоднородности в пределах зерна, связанной с цроисходящими процессами карбидообразо-вания и перераспределением элементов. Введение ниобия в сталь, содержащую 0,1% ванадия, уменьшает долю межзеренного разрушения.

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

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

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

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

1. Штейнберг М.М. Упрочнение и разупрочнение бинарных сплавов железа. - В кн.: Проблемы металловедения и термической обработки. - М.; Л.: Машгиз, 1956, с.63-67.

2. Вал А.Е. Строение и свойства двойных металлических систем, т. 1,2. М.: Физматгиз, 1962. - 868 с.

3. Гольдштейн М.И., Гутерман С.Г. В кн.: Технология производства черных металлов (УралНИИЧМ). Труды института, т.1. -М.: Металлургиздат, 1961, с.128-130.

4. Гольдштейн М.И., Гутерман С.Г., Суслопаров Г.Д. Электронно-микроскопическое и электронографическое исследование карбидов в высокоотпущенной ванадиевой стали. Физика металлов и металловедение, 1961, т.12, вып. 2, с.193-196.

5. Гудремон Э. Специальные стали. М.: Металлургия, 1966. -1638 с.

6. Голиков И.Н., Гольдштейн М.И., Мурзин И.И. Ванадий в стали. -М.: Металлургия, 1968. 290 с.

7. Вишняков О.Я., Ольховой Л.С. Перлитное превращение в хромистой стали, содержащей ниобий и цирконий. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1957, № 9, с.18-21.

8. Энтин Р.И. Влияние ниобия на структуру и физико-механические свойства конструкционной стали. В кн.: Проблемы металловедения и физики металлов, № 4, 1955. - М.: Металлургиздат, 1955, с.85-87.

9. Erasmus L.A. Microalloying of carbon steels with, vanadium.- J. of Iron and Steel Inst., 1964, v.202, No.2, p. 128-131.

10. Михалев M.C. Влияние добавок ванадия на свойства стали 20Л. -Литейное производство, 1971, № 12, с.20-21.

11. Шепеляковский K.3., Маршалкин А.Н., Каныгин В.А. Структурные особенности и механические свойства углеродистой стали с ниобием и ванадием. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1974, № 6, с.68-70.

12. Лякишев H.H., Тулин A.A., Плинер Ю.Л. Легирующие сплавы и стали с ниобием. М.: Металлургия, 1981. - 190 с.

13. Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали. М.: Металлургиздат, 196I. - 459 с.

14. Сандлер Н.И., Дробуский Ш.Р. Повышение прочности конструкционных сталей общего назначения путем микролегирования ниобием. Сталь, 197I, № I, с.59-63.

15. Кели А., Николсон Р. Дисперсионное твердение. М.: Металлургия, 1966. - 300 с.

16. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. - 408 с.

17. Физическое металловедение. Т. 3, под ред. Р.Кана. М.: Мир, 1968. - 484 с.

18. Тихонов A.C. Элементы физико-химической теории деформируемости сплавов. М.: Наука, 1972, с.7-68.

19. Рябко П.В., Рябошапка К.П.- Металлофизика. Киев: Наукова думка, вып. 31, 1970, с.5-32.

20. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э. и др. Упрочнение конструкционных сталей нитридами. М.: Металлургия, 1970.223 с.

21. Nicholson R.B. Proc. Conf. Effect of Second-Phase Particles on Mech. Properties of Steel. London, 1971, p. 1-8, 60-67.

22. Гуард P.B. В кн.: Механизмы упрочнения твердых тел. М.: Металлургия, 1965, с.220-244.

23. Кокс Ю.Ш. В кн.: Физика прочности и пластичности. - М.: Металлургия, 1972, с.88-107.

24. Гольдштейн М.И. Дисперсионное упрочнение низколегированных конструкционных сталей. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1975, № II, с.50-59.

25. Гольдштейн М.И., Гутерман С.Г. Влияние малых добавок ванадия на свойства конструкционных углеродистых сталей. Сталь, I960, № 12, с.II30-II34.

26. Гольдштейн М.И., Компаниец Г.М., Панфилова Л.М. и др. Влияние ванадия и термической обработки на свойства кипящей стали Ст.Зкп. Сталь, 1964, № 10, с.925-927.

27. Михалев М.С., Гольдштейн М.И. Влияние легирующих элементов и расчет прочности низколегированных сталей. Сталь, 1958, № 10, с.942-946.

28. Веселовский А.Н., Кожевникова Г.Н., Попов А.Д. и др. Ванадиевые стали в машиностроении. Литейное производство, 1975,3, с.37.

29. Попов А.Р., Филипенков А.А., Белоусов Л.А. Ванадиевая сталь для отливок. Труды 22-й Всесоюзной конференции литейщиков. -М.: НИИМаш, 1969.

30. Duckworth. W.E. et al. The effect of microalloying steels with vanadium.- J.of Iron and Steel Inst., 1965, v. 203,Жо. 11 ,p. 1108-1114.

31. Irvine K.J.et al.Vanadium in normalized thermo-mechanically treated steels.-J.of Iron and Steel Inst., 19 67, v. 205',p.161-182.

32. Насибов А.Г., Матросов Ю.И., Рудченко А.В. Влияние ванадия, ниобия, углерода и кремния на свойства малоперлитной стали. -МиТОМ, 1973, № 4, с.19-24.

33. Маир А., Шмидт Ф., Штрасбургер X. Влияние ниобия и ванадия на структуру и свойства раскисленных алюминием сталей с малым содержанием перлита. Черные металлы, 1969, № 22,с.41-56.

34. Маир Л., Шмидт i., Штрасбургер X. Влияние ниобия и ванадия на свойства горячекатанной широкой полосы. Черные металлы, 1968, № 7, с.3-13.

35. Иванов Б.В., Дубров H.i., Зайцева И.Д. Тонкая структура сталей 20ФЛ и 453ffl. Металловедение и терм.обраб. металлов, 1974, № 3, с.58-59.

36. Гуляев Н.М., Фонштейн В.Н., Медведев Э.А. Механические свойства железа и стали, содержащих дисперсные нитриды ванадия и ниобия. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1976, № 12, с.51-55.

37. Матросов Ю.И., Насибов А.Г., Голиков И.Н. Свойства малоперлитных сталей с ванадием и ниобием после контролируемой прокатки.-Металловедение и терм, обраб. металлов, 1974, № I, с.27-33.

38. Самсонов Г.В., Винницкий И.М. Тугоплавкие соединения. Справочник. М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

39. Волобуев И.В. Влияние малых добавок ниобия на механические свойства стали 25Г2. Металловедение и терм.обраб.металлов, 1966, № 2, с.43-44.

40. Куманов М.И., Добрускина Ш.Р. В кн.: Технология производства и свойства черных металлов. - Металлургия, 1964, с.405-419.

41. Van Varies P.E. Strengthening effects in columbium-bearing steels. Metal Progress,1962,v.82,Ho.2,p.84-87.

42. Сандлер Н.И., Добрускина Ш.Р., Задорожная Л.К. и др. Листовая низколегированная марганцовистая сталь с ниобием. Сталь, 1966, № 6, с.540-543.

43. Никитин В.Н., Яковлева Е.Ф. Влияние ниобия на хладостойкость малоуглеродистой и низколегированной стали. Металловедение и терм.обраб.металлов, 1978, № I, с.15-18.

44. Sekine et al. The difficulties in attempting to quantify the precipitation, of microalloying elements. J.of Iron and Steel Inst, of Japan, 1970, No.6, p. 569-674.

45. Sekíne S., Mari N., Tanukai S. Controlled Rolling of Microal-loyed Steels.- J.of Iron and Steel Inst, of Japan,1972,v.58, Ho.8, p. 1044-Ю48.

46. Голованенко G.A., Матросов Ю.И. Высокопрочные стали для магистральных труб. Металловедение и терм.обраб.металлов, 1977, № 10, с.29-35.

47. Лякишев Н.П., Голованенко G.A., Матросов Ю.И. и др. Новая малоперлитная сталь 09Г2ФБ для магистральных газопроводов. -Сталь, 1980, № 4, с.327-330.

48. Рудченко А.В. Стали для термоупрочняемых электросварных газо-нефтепроводных труб. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1977, № 7, с.51-53.

49. Семчишин М., Беда Т. Термическая обработка сталей для магистральных трубопроводов и арматуры. Металловедение и терм, обраб. металлов, 1977, № 7, с.53-56.

50. Mould P.R. Three Stages of Controlled-Rolling; Process.- Metal Engineering Quarterly, 1975, No.8, p. 22-31.

51. Коттрелл A.X. Теоретические аспекты процесса разрушения. -В кн.: Атомный механизм разрушения. М.: Металлургиздат, 1963, с.30-68.

52. Стро А.Н. Зарождение трещин в металлах с объемноцентрирован-ной кубической решеткой. В кн.: Атомный механизм разрушения. - М.: Металлургиздат, 1963, с.138-143.

53. Петч Н.Дне. Переход из вязкого состояния в хрупкое в альфа-железе.- В кн.: Атомный механизм разрушения.- М.: Металлургиздат, 1963, с.69-83.55.58,59,60,61