МНОГОСЛОЙНЫЕ СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ И ТРУБЫ

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ 12ХГНМФ В РЕЗУЛЬТАТЕ СТАРЕНИЯ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ

В данной работе рассматривается влияние напряжений в про­цессе старения хромомолибденованадиевой стали на изменение ев механических свойств. Опыты проводили на плоских микрообразцах с поперечным сечением 1x3 мм2 [1]. Образцы выдерживали на мно­гопозиционной установке, позволяющей прикладывать растягива­ющую нагрузку одновременно к 24 образцам [2]. После старения опре­деляли предел прочности Он, условный предел текучести (То,2 и отно­сительное удлинение 6 при различных температурах.

Результаты механических испытаний в исходном состоянии и пос­ле старения 5000 ч при температуре 460 °С без напряжения и под на­пряжением 200 МПа показаны на рис. 1.

На кривой температурной зависимости прочности стали 12ХГНМФ наблюдается перелом. Кратковременная прочность исходных образ­цов при повышении температуры испытания от 20 до 350 °С уменьша­ется на 8 %, начиная от 350 °С наблюдается довольно резкое пониже­ние прочности. При температуре 460 °С предел прочности понизился на 28 %, а при температуре 510 °С на 36 % по сравнению с данными

300

300 _

0 200 МО 600 0 200 400 Т.’С

а 6

Рис. 1. Изменение механических свойств стали 12ХГНМФ в исход­ном состоянии (1), после старения без напряжения (2) и под напряже­нием (3) в зависимости от температуры испытания,

при 20 °С. Для условного предела те­кучести это понижение составило со­ответственно 23 и 30 %. Заметных изменений пластичности стали при испытании в заданном интервале тем­ператур не наблюдается.

Длительная прочность стали 12ХГНМФ при 460 °С на базе 1000 ч снизилась на 13 %. На кривой длительной прочности также имеется перелом (рис. 2), наличие которого в сталях подобного химического состава связывают [3] с появлением трещин по границам зерен с уве­личением продолжительности испытания при температуре 450 °С.

Из анализа результатов механических испытаний видно, что после длительной выдержки (5000 ч) при 460 °С как без напряжения, так и под напряжением происходит некоторое повышение предела прочности и условного предела текучести стали при 20 °С, особенно заметное после старения без напряжения. Однако при повышенных температурах испытания выдержка 5000 ч при 460 °С практически не изменила свойства стали 12ХГНМФ — значение прочности и пластичности находится на исходном уровне с учетом разброса экс­периментальных данных. При температуре испытания 510 °С имеет место некоторое понижение прочности и повышение пластичности, особенно у образцов, состаренных под напряжением. Так, предел прочности после старения снизился на 6, условный предел теку­чести на 8 %. У образцов, состаренных под напряжением 200 МПа, это понижение соответственно составило 8 и 11 %.

В целом результаты механических испытаний позволяют утверж­дать, что как старение при 460 °С в течение 5000 ч без напряжения, так и под напряжением 200 МПа не изменяет прочности и пластичности стали 12ХГНМФ при испытании в интервале температур 300—460 °С. Эффект снижения характеристик кратковременной прочности и по­вышения пластичности стали 12ХГНМФ в результате старения, особенно под напряжением, начинает проявляться при температурах испытания выше 500 °С. Известно, что прочность и пластичность хромомолибденованадиевых сталей определяются их структурой, которая претерпевает изменения под действием температурно-си­ловых факторов.

После исходной термической обработки структура стали 12ХГНМФ состоит из равноосных ферритных зерен и перлитных колоний (рис. 3, а). Размер ферритного зерна составляет 5—10 мкм. Перлитные колонии имеют характерную строчечную структуру. Вид перлитных колоний сохраняется после старения без напряжения и под напряжением. Карбидные частицы в перлите равноосны или слегка вытянуты, наблюдается тенденция к выстраиванию их в це­почки. Значительной коагуляции карбидных частиц в результате старения под напряжением не обнаружено. В феррите залегают ха­рактерные длинные пластины цементита, наличие которого в стали 12ХГНМФ подтверждается также данными рентгеноструктурного фазового анализа.

В стали 12ХГНМФ после исходной термической обработки не достигнут максимальный уровень упрочнения, так как большинство карбидов имеют размер порядка 0,05 мкм, что несколько превышает критический размер частиц перерезаемых дислокациями [4].

В ферритной матрице во всех изученных состояниях плотность дислокаций составляет примерно 5 108 мм-2, она несколько умень­

шается после старения без напряжения, однако точные выводы де­лать трудно из-за сильной разориентированности дислокационной структуры. Встречаются дислокации, декорированные мелкодисперс­ными выделениями сферической формы (рис. 3, б). Такой вид обычно имеют карбиды ванадия, которые способствуют формированию стабильной дислокационной сетки, в матрице феррита, чем препят­ствуют образованию высокоразориентированной ячеистой структуры в процессе ползучести. Действительно, после старения под напряже­нием в стали 12ХГНМФ не наблюдалось образования деформа­ционных ячеек.

Существенную роль в формировании механических свойств Сг—Мо—V сталей играет перераспределение легирующих элементов

Содержание хрома в твердом растворе между a-твердым раствором и

после старения________________ карбидной фазой в процессе

старения. С помощью микро - рентгеноспектрального анализа электронным зондом обнаруже­но обеднение a-твердого раст­вора хромом, причем более за­метное после старения под на­пряжением (таблица). При этом содержание хрома в отдельных карбидах увеличивается, что подтверждается появлением пи­ков высокой интенсивности на кривой распределения интенсивности излучения СгКа, состаренного под напряжением образца [5]. Наблюдаемое повышение содержания хрома в карбидной фазе связано с превращением Ме3С -> Me, С3 [4]. Следовательно, действующее в процессе старения напряжение спо­собствует превращению цементита, так как содержание хрома в кар­бидной фазе и средний размер карбидов на его основе Аср после ста­рения под напряжением увеличены по сравнению со старением без него (таблица).

Изучение характера излома позволило установить, что зафикси­рованное при повышенных температурах разупрочнение состарен­ной под напряжением стали 12ХГНМФ обусловлено зернограничным пустотообразованием у границ выделений, а перегиб на кривой тем­пературной зависимости предела прочности связан с изменением микромеханизма вязкого разрушения от транс - к межзеренному (рис. 3 в, г) [6].

Таким образом, действующее в процессе старения напряжение инициирует обеднение сс-твердого раствора хромом и повышение его содержания в отдельных карбидах, приводит к преобладанию вяз­кого межзеренного разрушения при температуре испытания 510 °С и выше. Все это вызывает дополнительное разупрочнение стали 12ХГНМФ при повышенных температурах после старения под напряжением.