Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме "Исследование влияния исходного состояния на кинетику роста зерна аустенита при нагреве стали 10Г2ФБ"

Содержание

Введение

Современный уровень развития нефтегазового комплекса обуславливает высокие требования, которые предъявляют потребители к качеству и надежности трубной продукции. Постоянное увеличение объемов производства, в том числе за счет освоения новых регионов промышленного производства, суровые климатические условия, понижение температуры эксплуатации до (-40 - (-60)), обеспечение коррозионной стойкости и надежности трубопроводов постоянно увеличивает уровень требований к качеству труб [1]. В качестве исходной заготовки для производства труб используют листы из низколегированных сталей в горячекатаном состоянии, термообработанные после нормализации, нормализации с отпуском или прокатанные с контролированным режимом с ускоренным охлаждении или без него. По способу изготовления трубы подразделят на бесшовные, свареные с продольным швом и сваренные со спиральным швом. Сталь должна удовлетворять требованиям СНиП. Отношение предела текучести к временному сопротивлению разрыву не должно превышать 0,8 – для низколегированных сталей. Металл трубы не должен иметь трещин, расслоений, закатов и других дефектов [2]. Для удовлетворения высоких требований газовой промышленности к прочности, вязкости и сопротивлению хрупкому разрушению сталей, предназначенных для изготовления труб большого диаметра, созданы малоперлитные низколегированные стали, обладающие заданным комплексом свойств. К таким сталям относятся стали 10Г2ФБ, 06Г2ФБ, 09Г2ФБ и другие [2]. Цель и актуальность выполненной работы заключается в том, чтобы получить больше данных о влиянии параметров нагрева на размер исходного и действительного зерна аустенита стали 10Г2ФБ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1 Общая характеристика процессов контролируемой прокатки листов

Контролируемая прокатка – это оптимизированный нагрев и прокатный процесс, обеспечивающие получение мелкого ферритного зерна через мелкие рекристаллизационныеаустенитные зерна, образовавшиеся во время горячей прокатки в интервале средних температур, и через деформацию аустенита ниже температуры рекристаллизации, усиливающие зарождение ферритных зерен [3].

В отличие от обычных высокопрочных сталей, приобретающих оптимальные свойства после нормализации следом за горячей прокаткой, стали, которые подвергают термомеханической прокатке, приобретают их при обработке во время нагрева, прокатки и охлаждения. Так как эти процессы нельзя повторять, их необходимо строго контролировать, допускается отклонение от заданных параметров в узких границах, чтобы не снизить эффект термомеханической обработки и качество продукции. При этом стремятся, чтобы в металле произошло образование и гомогенизация аустенита, необходимо растворение микролегирующих элементов и частиц, созданных этими элементами, и не наблюдалось чрезмерное укрупнение зерна аустенита [4].

Деформация при температуре выше 1000°С приводит к образованию больших рекристаллизационных зерен аустенита, которые при полиморфном превращении образовывают грубую структуру феррита и структуру верхнего бейнита. При деформации в промежуточном температурном диапазоне (от 1000°С до 900°С) аустенит измельчается повторной рекристаллизацией, в результате образовывается мелкозернистый феррит. Деформация ниже температуры рекристаллизации (ниже 900°С) способствует получению мелкозернистой структуры феррит [5].

При контролируемой прокатке превращение происходит в конце процесса деформации. Это достигается при определенной температуре конца прокатки. При осуществлении процесса контролируемой прокатки варьируемыми параметрами следует считать температуру нагрева, температуру деформации, скорость прокатки, количество пропусков и длительность пауз между ними, режимы последеформирующего охлаждения[6].

1.2 Влияние условий нагрева на кинетику роста зерна аустенита в конструкционных сталях

Зародыши аустенита при нагреве выше температуры Ас1 образуются на границах раздела феррит — карбид. При таком нагреве число зародышей всегда достаточно велико и начальное зерно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагрева, тем меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем скорость их роста. При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристаллизация и зерно увеличивается. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к уменьшению свободной энергии вследствие сокращения поверхности зерен. Зерно растет в результате увеличения одних зерен за счет других, более мелких, а следовательно, термодинамически менее устойчивых.

Размер зерна, образовавшегося при нагреве до данной температуры, естественно, не изменяется при последующем охлаждении.
Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.
По склонности к росту зерна различают два предельных типа сталей: наследственно мелкозернистые и наследственно-крупнозернистые.
В наследственно-мелкозернистой стали при нагреве до высоких температур (1000-1050°С) зерно увеличивается незначительно, однако при более высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозернистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве выше Ас1.
Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом.

1.3 Выводы и постановка целей и задач исследования

Рассматриваемая в работе сталь 10Г2ФБ находят широкое применение, в качестве трубной стали. На данный момент в литературе имеется недостаточное количество данных о влиянии параметров нагрева на размер исходного и действительного зерна аустенита многих трубных марок сталей, в том числе и зависимости от их исходного состояния.

Целью выполнения квалификационной работы является выполнение сравнительных исследований изменения структуры аустенита при высокотемпературном нагреве непрерывнолитой стали 10Г2ФБ и этой стали после контролируемой прокатки.

Задачи исследования:
1) поиск методов выявления исходного зерна аустенита сталейнепрерывнолитых и после котролируемой прокатки;
2) изучение изменения структурыаустенитанепрерывнолитой стали 10Г2ФБ в случае нагрева до температур 900-1100°С с выдержками 15, 30, 60, 90 минут;
3) изучение изменения структурыстали после контролируемой прокатки 10Г2ФБ в случае нагрева до температур 900-1100°С с выдержками 15, 30, 60, 90 минут;

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Материалы для исследований

Исследования выполнены на стали 10Г2ФБ в литом состоянии и после контролируемой прокатки.Химический состав которой приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Химический состав стали 10Г2ФБ, в % [14].

C Si Mn Ni S P Cr V N Nb Ti Al Cu
0,09-
0,12 		0,15-
0,35 		1,55-
1,75 		до
0,3 		до
0,006 		до
0,02 		до
0,3 		0,09-
0,12 		до
0,012 		0,02-
0,04 		0,01-
0,035 		0,02-
0,05 		до
0,3

Перед началом исследований стали предварительно были порезаны с помощью ножевки на равные образцы. Размеры образцов- сталь 10Г2ФБ в литом состоянии-10×10×9; сталь 10Г2ФБ после контролируемой прокатки -16×13×2. Всего было исследовано 24 образца, по 12 для каждого исходного состояния. Каждыйобразец нагревали до температур 900°С, 1000°С, 1100°С, выдержка составляла 15, 30, 60 и 90 минут. По окончанию нагрева они охлаждались в воде. В результате получили зерно аустенита различного размера.

2.2 Методика выявления и оценки размера исходного аустенитного зерна

После окончания термической обработки микрошлифы изготавливали в несколько этапов: образцы шлифовали на абразивном круге для измерения твердости. После измерения твердости осуществляли подготовку микрошлифов путем шлифования образцов на абразивных шкурках разной зернистости,последовательно шлифуя поверхностный слой до момента удаления следов от предыдущей шкурки со сменой направления шлифования на 90°С. Полировку поверхности образцов производили в два этапа: в первую очередь на полировочном круге с использованием сукна и взвеси окислом хрома. Далее образец промывали водой и полировали на сукне с добавлением суспензии окиси хрома, со сменой направления полировки на 90°С. После полирования образцы промывали водой, затем обезжиривали тампоном, смоченном в спирте, и сушили фильтровальной бумагой

После просмотра нетравленого шлифа для более полного изучения структуры сплава шлиф травят. Существует несколько методов травления, различающихся по воздействию на поверхность металла [15].

Для выявления структуры сталей, были опробованы следующие травители:
- травитель №1: насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ (жидкое мыло);
- травитель №2: «царская водка» (3 объема HNO3+1 объем HCl);
- травитель №3: насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ (шампунь); - травитель №4: 50% H2O+50%HNO3.

В результате эксперимента были выбраны следующие травители:
- для непрерывнолитой стали 10Г2ФБ - насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ – шампунь.
- для стали 10Г2ФБ после контролируемой прокатки - насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ – жидкое мыло.

Насыщенный водный раствор пикриновой кислоты с добавлением поверхностно-активных веществ подогревали,для того, чтобы быстрее шла реакция травления. Раствор, в котором находились образцы из стали 10Г2ФБ периодически менялся, происходила реакция окисления поверхностных слоев, он становился темным.

Время выдержки образцов из непрерывнолитой стали 10Г2ФБ в водном растворе пикриновой кислоты составляет 15…20 минут.

Время выдержки образцов из стали 10Г2ФБ после контролируемой прокатки в водном растворе пикриновой кислоты составляет 13…18 минут.

Исследования микроструктуры проводили с использованием металлографических микроскопов «Neophot-21» и МИМ-7. Определение среднего размера зерна проводили с использованием фотографий микроструктур, снятых при увеличении 500 и 200 крат с использованием метода секущих.

Измерения проводили в трех характерных полях зрения – в каждом проводили по три секущих.

Контроль твердости проводили с помощью твердомера Роквелла ТК – 2М по шкале «С».

Для шкалы «С» использовали алмазный конус при нагрузке 150кгс. На каждом образце делали не менее 3-х измерений и рассчитали среднее значение.

3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

3.1 Изучение кинетики роста зерна аустенита при нагреве непрерывнолитой стали

Исследование кинетики роста зерна аустенита проводили на 12 образцах из непрерывнолитой стали 10Г2ФБ. Полученные результаты изменения интервалов и средние значения размера исходного аустенитного зерна стали 10Г2ФБ занесены в таблицу 3.1

Таблица 3.1 – Интервалы изменения и средние значения размера исходного аустенитного зерна непрерывнолитой стали 10Г2ФБ в зависимости от температуры нагрева и длительности выдержки

Температура нагрева Длительность выдержки, мин Средний размер зерна,мкм № зерна
900 15 22,04-33,63/33,38 7
900 30 22,91-35,75/27,96 8
900 60 23,56-35,75/32,03 7
900 90 20,77-30,28/25,26 8
1000 15 26,97-34,87/29,91 7-8
1000 30 22,91-45,2/30,59 7
1000 60 39,11-44,35/41,73 6
1000 90 74,99-96,25/82,62 4
1100 15 25,82-38,96/32,52 7
1100 30 27,59-37,04/27,96 7
1100 60 79,31-109,73/97,63 4
1100 90 58,71-118,65/91,63 4

3.2 Изучение кинетики роста зерна аустенита при нагреве стали контролируемой прокатки

Исследование кинетики роста зерна аустенита проводили на 12 образцах стали контролируемой прокатки. Полученные результаты изменения интервалов и средние значения размера исходного аустенитного зерна стали 10Г2ФБ занесены в таблицу 3.2

Таблица 3.2 – Интервалы изменения и средние значения размера исходного аустенитного зерна стали контролируемой прокатки 10Г2ФБ в зависимости от температуры нагрева и длительности выдержки

Температура нагрева Длительность выдержки, мин Средний размер зерна,мкм № зерна
900 15 11,16-17,44/13,9 9
900 30 12,24-17,26/14,67 9
900 60 16,37-20,71/17,27 8
900 90 19,87-23,93/21,67 7
1000 15 15,5-20,08/17,63 8
1000 30 17,55-18,81/18,04 8
1000 60 21,08-24,52/23,1 7
1000 90 16,49-20,86/18,35 8
1100 15 19,37-23,6/21,52 7
1100 30 24,59-29,29/26,85 7
1100 60 27,13-34,87/31,27 6
1100 90 40,52-53,87/49,96 6

3.3 Сравнительный анализ структурных изменений происходящих при нагреве сталей с разным исходным состоянием

Изучение кинетики роста зерна аустенита трубных сталей представляет не только научных, но и практический интерес. Сталь марки 10Г2ФБ является одной из наиболее используемых сталей, применяемых для изготовления труб большого диаметра для магистральных трубопроводов.
Толстый лист для изготовления труб прокатывают из непрерывнолитых слябов, нагретых под прокатку до 1100-1200°СС. В процессе нагрева происходит изменение структуры аустенита, прежде всего рост его зерна, что оказывает влияние на изменение его структуры при последующей прокатке, а также на конечную структуру и свойства стали в готовых листах. Поэтому представляет интерес изучение изменения структуры аустенита при нагреве образцов, вырезанных из непрерывнолитого сляба.
Листы из непрерывнолитых слябов прокатывают по технологии контролируемой прокатки, а трубы из них производят формовкой с последующим соединением краев электродуговой сваркой. В процессе сварки происходит разогрев околошовной зоны сварного шва до высоких температур с получением при этом аустенитной структуры в зоне определенной ширины. Температура стали в этой зоне постепенно снижается по мере удаления от сварного шва. Поэтому получение информации об изменении структуры аустенита, полученного в результате нагрева стали контролируемой прокатки, в зависимости от условий нагрева также может представлять практический интерес.
Кроме того, различные соединительные элементы для трубопроводов (муфты, уголки и др.) изготавливают из листов этой же стали с использованием сварки и механической обработки, а затем подвергают их термической обработке – нормализации или закалке с высокотемпературным отпуском. Такими же видами термической обработки подвергают и листы контролируемой прокатки, которые по результатам механических испытаний не соответствуют условиям поставки. При выполнении такой термической обработки продолжительность нагрева изделий находится в пределах изученных в данной работе выдержек. Поэтому изучении влияния параметров термической обработки на изменение структуры аустенита сталей 10Г2ФБ в состоянии после контролируемой прокатки также представляет практический интерес.
Сравнительный анализ результатов изменения размеров аустенитного зерна в зависимости от параметров нагрева непрерывнолитой стали и стали после контролируемой прокатки позволяет выявить ряд особенностей.
Первой особенностью является то, что зерно аустенита стали контролируемой прокатки при всех исследованных режимах последующей термической обработки остается заметно более мелким, чем в непрерывнолитой стали. Учитывая то, что сталь 10Г2ФБ является наследственно-мелкозернистой благодаря микролегированию ее ванадием и ниобием, можно предположить, что сохранение более мелкого зерна аустенита в стали контролируемой прокатки обусловлено наличием большего количества дисперсных частиц карбидов этих элементов (NbC, VC) в сравнении с непрерывнолитойсталью, в которойэтикарбидыбудуткрупнее, и ихколичество – менше.Карбиды, карбонитриды и нитриды, располагаясь по границамзеренаустенита, являються барьерами, препятствующими росту его зерна [7].
Горячая пластическая деформация, особенно в режиме контролируемой прокатки, стимулирует выделение этих частиц из аустенита в дефектных местах, тем самым увеличивая их количество.
Второй особенностью поведения стали с разным исходным состоянием является различие в характере изменения среднего размера исходного аустенитного зерна в зависимости от параметров нагрева.
В стали контролируемой прокатки наблюдали в основном известный из литературы характер изменения размера аустенитного зерна: повышение температуры нагрева и увеличение длительности выдержки приводит к увеличению среднего размера зерна аустенита в результате развития собирательной рекристаллизации.
При этом различия в размерах зерна в зависимости от длительности выдержки при температуре 900°СС и 1000°СС можно считать относительно не большими: средние размеры зерен изменялись в пределах от 13,9 до 18,35 мкм при 900°С и от 18 до 23,1 мкм при 1000°СС. При температуре нагрева 1100°СС эти различия были более значительными: от 21,5 до 51 мкм. В случае исходной непрерывнолитой стали интенсивный рост аустенитного зерна с повышением температуры нагрева наблюдали лишь в случае наиболее длительных выдержек – 60 и 90 минут.
В случае более коротких выдержек – 15 и 30 минут – средний размер исходного аустенитного зерна с повышением температуры нагрева изменялся в относительно небольших пределах: от 30 до 33,4 мкм при выдержке длительностью 15 минут и от 28 до 33 мкм при выдержке длительностью 30 минут.
Следовательно при таких выдержках можно не опасаться перегрева стали 10Г2ФБ.
Таким образом, при назначении режима термической обработки следует учитывать исходное состояние стали. Нагрев как литой, так и деформированный стали вплоть до 1000°СС в случае длительности выдержки до 30 минут обеспечивает получение мелкозернистой структуры аустенита: средний размер исходного аустенитного зерна не превышает 15-20 мкм для исходного деформированного состояния и 30-35 мкм для исходного литого состояния.

ВЫВОДЫ

В работе изучено влияние исходного состояния на кинетику роста зерна аустенита при нагреве стали 10Г2ФБ при изменении температуры нагрева в пределах 900-1100°С и длительности выдержки в пределах 15-90 минут.

Установлено, что в непрерывнолитой стали 10Г2ФБ зерно аустенита начинает интенсивно расти при температуре 1000°С, начиная с 60 минут выдержки.

В стали 10Г2ФБ после контролируемой прокатки заметный рост аустенитного зерна наблюдали также при температуре 1100°С, начиная с выдержки длительностью 60 минут. Однако непрерывнолитая сталь по сравнению со сталью после контролируемой прокатки проявила более заметную тенденцию к росту зерна твердого раствора.

Следовательно, можно считать, что непрерывнолитая сталь оказывается более склонной к росту зерна аустенита в сравнении со сталью после контролируемой прокатки.

Выявлены следующие особенности в кинетике рост зерна аустенита в зависимости от исходного состояния стали:
- меньшая склонность стали контролируемой прокатки к роста зерна аустенита при нагреве в сравнении с непрерывнолитой сталью;
- в стали контролируемой прокатки увеличение среднего размера зерна аустенита наблюдается закономерно как с повышением температуры нагрева, так и с увеличением длительности выдержки;
- в непрерывнолитой стали интенсивный рост зерна аустенита с повышением температуры нагрева наблюдали лишь при длительной выдержке – 60 и 90 минут: при длительности выдержки до 30 минут средний размер исходного зерна аустенита с повышением температуры нагрева от 900 до 1100°С изменялся в относительно небольших пределах (3-5 мкм).

В работе были разработаны мероприятия по обеспечению безопасной работы при использовании оборудования для термической обработки, а также мероприятия по охране окружающей среды. Выполнено технико-экономическое обоснование использования более эффективной марки стали для изготовления изделий, работающих при высоких температурах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смирнов Л.А. Качество толстых листов категории Х60 из стали, микролегированной ванадием / Л.А. Смирнов, Б.З. Беленький, С.К. Носов и др. // Сталь. – 2004. - №2. - С. 44-47.

2. Белосточный В.В. Изменение свойств металла при переделештрипс – электросварная труба/ В.В.Белосточный, И.А. Левтерова, А.В. Мурашник,Т.В.Белосточная // Металл и литье Украины. – 2007. - №1-2. – С. 57-59.

3. Матросов Ю.И., Сталь для магистральных газопроводов./Ю.И.Матросов, Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко- Москва:Металлургия, 1989. - 288 с.

4. Баранов А.А. Проблемы совмещения горячей деформации и термической обработки стали / А.А. Баранов, А.А. Минаев, А.Л. Геллер, В.П. Горбатенко – Москва:Металлургия, 1985. – 130 с.

5. Отана Х. Разработка высокопрочных сталей для труб классов Х70-Х100/ Х.Отана // Стали для газопроводных труб и фитингов. Труды конференции.под ред. Рудченко. – Москва: Металлургия, 1985. – 480 с.

6. Александров С.В.Влияние марганца и ниобия на свойства низколегированных сталей. / С.В.Александров//Металловедение и термическая обработка металлов. – 2005. - №11. – С. 17-21.

7. Исследование карбидов ниобия и ванадия в микролегированной конструкционной стали / В.И. Большаков, Г.Д. Сухомлин, Т.И. Эписьери др. // Сб. научных трудов. Вып 45, ч. 2. – Днепропетровск, ПГАСА, 2008. -204 с.

8. Большаков В.И. Карбидообразование и упрочнение строительных сталей с ванадием./ В.И. Большаков,Х.А. Аскеров // Перспективные задачи инженерной науки. – GAYDEMUS 2001: Днепропетровск.- С.115

9. Аскеров Х.А.Особенности выделения карбидной фазы при термомеханической обработке строительных сталей/ Х.А. Аскеров // Сб. научных научных трудов. Вып 45, ч. 2. – Днепропетровск, ПГАСА, 2008. -204 с.

10. Pickering B. // Microalloying 75. – Union CabideCour. NewYork (NY). 1977. P. 9.

11. Бернштейн М.Л. Структура деформированного металла / М.Л. Бернштейн – Москва: Металлургия, 1977. – 441 с.

12. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка / В.И. Погоржельский, Д.А.Литвиненко, Ю.И. Матросов, А.В. Иваницкий – Москва: Металлургия, 1979. – 184 с.

13. Лахтин Ю. М. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: Машиностроение, 1990. — 528 с.

14. Браун М.П. Микролегирование стали / М.П. Браун. – Киев: Наук.думка, 1982. – 303 с.

15. Технические условия ТУ 14-3-1573-96: ТРУБЫ СТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСВАРНЫЕ ПРЯМОШОВНЫЕ ДИАМЕТРОМ 530 - 1020 ММ С ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ ДО 32 ММ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ, НЕФТЕПРОВОДОВ И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ

16. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы/ М. А. Тылкин – М.:Металлургия,1981. 648с.