Цель настоящей работы — повышение структурной стабильности теплоустойчивой стали 12ХГНМ, предназначенной для многослой­ных корпусов сосудов высокого давления. Предварительно установ­лено, что сталь в предполагаемых условиях эксплуатации недостаточ­но стабильна, поэтому ее необходимо дополнительно легировать силь­ной карбидообразующей присадкой. С этой целью изучали влияние небольших количеств (0,1—0,2 %) ванадия, ниобия, титана и цир­кония.

Таблица 1. Химический состав опытных плавок стали 12ХГНМ Но­ Массовая доля влементов % мер плав­ ки с S Р SI Мп Сг N1 Мо V Nb Ті Zr 1 0,15 0,022 0,01 0,46 0,74 0,64 1,59 0,53 0,1 2 0,17 0,022 0,012 0,48 0,65 0,59 1,31 0,62 0,19 — — _ 3 0,14 0,022 0,006 0,48 0,64 0,55 1,31 0,58 — 0,09 — _ 4 0,15 0,022 0,007 0,40 0,60 0,55 2,0 0,6 — 0,21 — _ 5 0,14 0,024 0,007 0,47 0,62 0,45 1,7 0,58 — — 0,06 _ 6 0,17 0,023 0,013 0,54 0,67 0,41 2,05 0,6 — — 0,09 — 7 0,12 0,018 0,011 0,40 0,67 0,65 1,15 0,65 — — — 0,09 8 0,115 0,019 0,013 0,36 0,8 0,65 1,11 0,67 — — — 0,14 9 0,16 0,022 0,012 0,55 1,10 0,60 1,68 0,60 — — — — 10 0,15 0,023 0,013 0,53 0,54 0,50 1,31 0,52 — — — —

Для нахождения оптимального варианта легирования были под­вергнуты систематическому исследованию десять плавок стали (табл. 1): восемь — со стабилизаторами и две — без них. В исходном состоянии (после нормализации от 930 °С) структура всех плавок представляла низкоуглеродистый мартенсит с участками бейнита.

В исследовании были использован методы световой и электрон­ной микроскопии, метод прецизионного взвешивания, испытания на растяжение с разрывом плоских образцов, сериальные испыта­ния на ударный изгиб, методы количественной электронной метал­лографии. Для получения сравнительных данных о стабильности этих десяти вариантов изучали результаты термической обработки, эквивалентной старению нормализованной стали при 350 °С в течение 105 ч. Для старения по зависимости Ларсена — Миллера были выб­раны три параллельных режима.

В качестве количественного критерия нестабильности была при­нята характеристика N, показывающая относительное увеличение

дроби —— при старении стали по сравнению с нормализованным

состоянием

0,2 / 0,2

]У __ ______ " ;сост ° /норм IQQ

30,2 '

/норм

По данным трех режимов старения была построена диаграмма,; из рассмотрения которой можно заключить, что наибольшую неста­бильность имеют плавки без стабилизаторов, наибольшую стабиль­ность — с ванадием. Остальные варианты занимают промежуточ­ное положение (рис. 1).

Этот вывод был полностью подтвержден данными количественной электронной металлографии и сопоставлением механических свойств исследованных плавок, обработанных по указанному режиму.

Как видно на гистограммах, распределения карбидных час­тиц по размерам после старения (рис. 2), в плавках с ванадием процесс выделения и роста кар­бидных частиц, по сравнению с другими плавками, получает наименьшее развитие. cxojs 0J7 о, н 0,15 0,14 о, 17 0,12 0,11 ом 0,15 Ванадиевые плавки после мо.%о,53 0,62 0,51 0,6 0,58 0,6 0,65 0,67 о/о 0,52 старения, эквивалентного 350 °С

NX »Г

		4	5	в	7	Л
2	3
Ш	405	406	407	ш	409	4Ю	411	*12

50

ЗО

Ю

-J59

0,19

УХ 0,1 НЬ,% П,% ігХ

0,09 о, гі

0,06 0,09 0,09 0,14 Рис. 1. Сравнительные характеристики нестабильности исследованных плавок.

в течение 105 ч,; сохраняют наи­высший комплекс механических свойств: Ста = 650—670 MIIaf

сгм = 460-560 МПа, 6 = =■ 12—13 %. Серия испыта­ний на ударный изгиб показа­ла, что наиболее низкий порог хладноломкости имеют также плав­ки, стабилизированные ванадием,- и обнаруживающие наибольшую структурную стабильность (—90 -5------------------------------------------------------------ 70-- °С); наиболее высокий по­

рог у плавок без стабилизаторов (—70 н 50 °С).

Изучение процесса старения при 350 °С показало, что в течение первых 104 ч объем карбидной фазы в структуре стали увеличивается, а при старении 10б ч — уменьшается. Распределение карбидной фазы по размерам показало, что при старении (Тстар = 350 °С) наиболее структурно-стабильными являются плавки с ванадием. Это под­твердилось сравнением количественных показателей нестабильности различных исследованных вариантов в процессе старения 103; 5 • 103 и 104 ч. Сопоставление количественных показателей нестабильности исследованных плавок показало, что влияние всех стабилизаторов

20мм Рис. 2. Гистограмма рас­пределения карбидных частиц по размерам пос­ле термической обработ­ки, эквивалентной старе­нию при 450 °G и 35 ч.

Режим	Свойства	<тв, МПа	<тц 2> МПа	а, %
Нормализация	Средние	820	560	17
	Минимальные	810	550	16
Нормализация и старение 350 °С,	Средние	750	660	И
104 ч	Минимальные	740	620	10
Нормализация и старение 350 °С,	Средние	710	540	53
105 ч	Минимальные	650	460	12
Нормализация и старение 450 °С,	Средние	790	710	12
104 ч	Минимальные	740	650	10
Нормализация и старение 550 °С,	Средние	660	560	13
103 ч	Минимальные	640	540	12
Нормализация и старение 550° С,	Средние	560	450	11
104 ч	Минимальные	510	430	10

* Средние результаты получены но параметрической зависимости Ларсена — Мюл­лера по данным трех эквивалентных режимов старения.

в процессе старения нивелируется, однако ванадий весь период ста­рения сохраняет максимальное стабилизирующее влияние.

В соответствии с наиболее высоким уровнем стабильности, ва­надиевые плавки обнаруживают после старения при 350 °С в течение 104 ч и наиболее высокий комплекс механических свойств: огв — = 740—830 МПа, сто,2 = 650—740 МПа, 6 = 10—12 %. В течение старения при 350 °С, по сравнению с нормализованным состоянием, временное сопротивление незначительно возрастает, условный пре­дел текучести повышается более интенсивно, относительное удли­нение существенно снижается. При этом порог хладноломкости мало изменяется на продольных образцах и повышается на 20—40 °С на поперечных. Наибольшее изменение всех механических свойств от­мечено в первые 1000 ч старения.

Изучение влияния температуры старения на свойства стали (350, 450, 550 °С, 104 ч) подтвердило, что наибольшая стабильность обеспечивается присадками ванадия. Так, при повы. ении температу­

рне. 8. Изменение порога хладноломкости и твердости опытно-промыш­ленной стали 12ХГНМФ в зависимости от продолжительности старения при 350 °С (1) и 400 °С (2),

ры старения уикроструктура ста­ли изменяется в направлении обо­собления и коагуляции струк­турных составляющих и карбид­ной фазы; причем наименьшее из­менение электронно-микроскопи­ческое исследование обнаружило для плавок, стабилизированных ванадием.

Рис. 4. Зависимость между положени­ем порога хладноломкости и твердостью стали 12ХГНМ эквивалентной старе­нию при 350 °С (1) и 460 °С (2).

Для ванадиевых плавок наблю­дается повышение прочностных свойств при повышении температу­ра? ры старения от 350 до 450 °С. Мак - Тбердос/тНУ. МПа симумы и минимумы прочностных свойств и содержания карбидной фазы в структуре стали совпада­ют. Проведенные исследования по­казали, что стали, стабилизиро­ванные ванадием, при всех изу­ченных температурах старения по сравнению с другими плавками сохраняют более высокий комплекс механических свойств. Уровень механических свойств стали 12ХГНМ, стабилизированной 0,1 % вана­дия, приведен в табл. 2. Этот вариант стали был принят как оп­тимальный и в дальнейшем исследовалась опытно-промышленная сталь 12ХГНМФ. Как показали исследования, порог хладнолом­кости ее составляет в исходном состоянии (нормализация от 920 °С и высокий отпуск 680—115 °С). Изменение порога хладноломкости — 7'2 стали 12ХГНМФ в зависимости от продолжительности старения изучалось при 350 и 460 °С. Первые 500—700 ч порог хладноломкости поднимается до —70 °С, а затем снижается при последующем старе­нии (рис. 3). Как видно, кривые для Т2 имеют характер, типичный для кривых перестаривания, относящихся к более высокой и более низ­кой температурам. При 460 °С максимум порога хладноломкости — 70 °С намечается при выдержке в ~500 ч; при 350 °С максимум соответствует ~750 ч и температуре —66 °С. Заметим, что при экстраполяции к большим продолжительностям старения кривые для 350 и 460 °С пересекаются при положении порога хладнолом­кости, соответствующем исходному состоянию стали (—115 °С). Из рис. 3 следует, что характеры изменения порога хладноломкости в процессе старения и изменения твердости стали 12ХГНМФ аналд* гичны. На участке перестаривания — уменьшения твердости — Т2 - снижается. Зависимость между положением порога хладноломкости и твердостью стали имеет линейный характер (рис. 4). При одинако­вой твердости положение Т2 в результате старения при 460 °С ока­зывается более благоприятным, чем при 350 °С.

Изучение старения под напряжением опытно-промышленной ста­ли продолжительностью 5 • 103 ч при 250 °С и напряжении 300 МПа{ а также при 460 °С и напряжении 250 МПа показало следующее. Дан­ные режимы старения практически не влияют на структуру сталиі

Режим старения	ов, МПа	Cq 2. МПа	«, %
350 °С, 300 МПа	680-870	600—700	7—10
460 °С, 250 МПа	580—870	500-780	7-10

Примечание. Данные по относительному удлинению занижены, так как они по­лучены на образцах толщиной 0,5 мм. На результаты определения пластических свойств этих образцов влияет также отношение поверхности к объему пробы.

наблюдаемую при увеличениях светового микроскопа. Электронно­микроскопическое исследование обнаружило общую тенденцию уве­личения размера средних и крупных частиц карбида за счет более мелких.

Старение при 350 °С и напряжении 300 МПа не изменяет общего количества карбидной фазы в структуре стали, которое после нор­мализации составляет около 5 %. Таким образом, приложение меха­нического напряжения в 300 МПа в рассматриваемых условиях не влияет на процесс образования карбида. Старение при 460 °С и напря­жении 250 МПа приводит к монотонному увеличению доли карбид­ной фазы в структуре стали от 5 до 8 %.

Заметим, что происходящая коагуляция карбидной фазы в резуль­тате увеличения времени старения при 350 °С и 300 МПа от 2860 до 5000 ч вызывает исчезновение частиц размером меньше 125 нм, в то время как при старении при 460 °С и напряжении 250 МПа мел­кие карбидные частицы сохраняются в матрице.

Во время старения при 460 °С и 250 МПа прочностные свойства, как правило, снижаются в первые 320 ч, а затем монотонно возраста­ют. При старении 350 °С и 300 МПа на участке 2860—5000 ч прочност­ные свойства снижаются, что, по-видимому, можно объяснить исчез­новением мелких карбидных частиц.

В результате старения под напряжением в течение 5 ■ 103 ч сталь в интервале температур 20—500 °С имеет механические свойства, приведенные в табл. 3.

В первом случае максимальные свойства относятся к старению в течение 2860 ч, во втором — в течение 5000 ч. Наибольшее измене­ние механических свойств происходит в первые 300—400 ч старения.

Прочностные свойства стали 12ХГНМФ зависят от температуры испытания, по-видимому, за счет изменения состояния твердого раст­вора при нагреве, поскольку температура испытания практически не изменяет характера карбидной фазы. Сопоставление полученных результатов показало, что режим старения при 460 °С и напряжении 250 МПа оказывает большее влияние на структуру и свойства стали, чем режим при 350 °С и напряжении 300 МПа.

Из сказанного выше можно сделать следующие выводы.

1. Для количественной оценки степени термической стабиль­ности стали 12ХГНМ, дополнительно легированной сильными карби­дообразующими присадками, хорошие результаты дает метод, осно­ванный на исследовании относительного изменения при старении отношения предела текучести к величине временного сопротивления.

2. Наибольшую термическую стабильность стали 12ХГНМ в ис­следованных условиях обеспечивают присадки ванадия в количестве 0,1—0,2 %. Сталь 12ХГНМФ обнаруживает при старении наимень­шую степень выделения и коагуляции карбидной фазы, наиболее высокий комплекс механических свойств и благоприятное положение порога хладноломкости.

3. Порог хладноломкости опытно-промышленной стали 12ХГНМФ в течение старения при 350 и 460 °С изменяется немонотонно: повы­шается в первые 500—700 ч, а затем в течение 35000 ч снижается до исходного уровня.

4. В процессе старения длительностью 5000 ч при 350 °С и напря­жении 300 МПа общее количество карбидной фазы в структуре практически не изменяется по сравнению с нормализованным со­стоянием и составляет около 5 %. Старение при 460 °С приводит к мо­нотонному увеличению объемной доли карбидной фазы в структуре стали от 5 до 8 %.

1. Режим старения при 460 °С и напряжении 250 МПа оказывает большее влияние на структуру и свойства стали 12ХГНМФ, чем ре­жим старения при 350 °С и напряжении 250 МПа.

2. В результате старения продолжительностью 5000 ч при 460 °С и напряжении 250 МПа механические свойства стали в изученном интервале температур испытаний находятся в следующих пределах: сгв =* 580—870 МПа; сго. г = 500—780 МПа; 6 = 7—10 %. Максималь­ные свойства относятся к продолжительности старения 5000 ч.

Таким образом, рулонная сталь марки 12ХГНМФ обладает высо­кой стабильностью структуры и достаточными физико-механическими свойствами в условиях длительной эксплуатации. Она может быть рекомендована в качестве конструкционного материала для корпу­сов многослойных сосудов высокого давления.