УЛУЧШЕННАЯ СИСТЕМА ЛЕГИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Высокопрочные низколегированные стали представляют собой комплексную систему, в которой такие свойства как прочность, вязкость, формуемость, свариваемость и др. сбалансированы с технологическими процессами обработки таким образом, чтобы свести к минимуму общие затраты на создание надежной конструкции. Это стали средней прочности (<гт от 350 до 700 МПа), преимущества которых отражаются следующими типичными ключевыми словами [1].

Снижение массы. Замена низкоуглеродистых сталей сталями повышенной прочности позволяет снизить массу конструкции. Например можно добиться снижения массы на 50 %, удвоив предел текучести конструкций, находящихся, в основном, под действием растягивающих напряжений, в частности, трубопроводах. В случаях преобладания напряжений изгиба или кручения экономия несколько меньше, но все же остается существенной. Снижение массы одного элемента может повлечь за собой и облегчение других элементов конструкции. В этом контексте нужно отметить, что применение высокопрочных низколегированных сталей в автомобилях, где непосредственно связан с массой и расход топлива, является единственным экономически эффективным снижением массы машины, в отличие от использования легких сплавов и пластмасс [2].

Снижение массы конструкции влечет за собой и дополнительное вторичное уменьшение расходов, например, транспортных. В ряде случев максимальная масса конструкции жест ко ограничена в абсолютном выражении, как например, трубопроводов в районах, прилегающих к зоне вечной мерзлоты.

Кроме того, уменьшение толщины стенки трубы приводит к сокращению объемов сварочных работ, что непосредственно связано с затратами на рабочую силу при изготовлении конструкций. Кроме того, если за счет использования высокопрочных низколегированных сталей толщина стенки уменьшается вдвое, то объем наплавленного при сварке металла сократится на 25 % по сравнению со сваркой низкоуглеродистой стали.

Улучшение потребительских свойств. Металлургической основой изучения низколегированных высокопрочных сталей является упрочнение чистых сталей за счет максимально возможного измельчения зерна при минимальном содержании углерода. Это позволяет, помимо прочности, увеличить вязкость, формуе мость и свариваемость. Далее описаны условия обработки, позволяющие достичь этого сочетания. Достаточная вязкость разрушения при температурах ниже нуля позволяет, например, использовать конструкции из этих сталей в арктических зонах. Улучшенная фор муемость гарантирует экономичное серийное производство изделий, а хорошая свариваемость позволяет получать соединения на месте сооружения конструкции без применения дорогостоящего подогрева. Все возрастающий спрос на стали с повышенной стойкостью против водородного растрескивания может быть удовлетворен за счет дальнейшего улучшения легирования и технологии обработки высокопрочных низколегированных сталей.

Себестоимость продукции. Считается, что издержки при производстве высокопрочных низколегированных сталей выше, чем низкоуглеродистых. В действительности, у большинства фирм оборудование для производства и обработки стали управляется с помощью компьютера и многоступенчатые производственные процессы оптимизированы. В этих обстоятельствах дополнительные издержки производства малы и не сравнимы с описанными выше преимуществами. Существует много примеров даже уменьшения себестоимости по сравнению с используемыми нормализованными или закаленными и отпущенными сталями. Эти виды термической обработки требуют гораздо больших затрат по сравнению с термомеханической обработкой, которой в основном подвергаются высокопрочные низколегированные стали. Помимо более высоких эксплуатационных свойств, стали, полученные с применением термомеханической обработки, имеют лучшую поверхность по сравнению с термообработанными сталями.

Поэтому доля низколегированных высокопрочных сталей (называемых также микролеги рованными сталями, термомеханически обработанными сталями и т.д.) на рынках промышленно развитых стран составляет от 10 до 15 %, Дальнейший рост потребления этих сталей ожидается после того, как конструкторы смогут полностью использовать их потенциал, особенно в конструкциях, работающих в условиях усталостного нагружения.

Неметаллические включения

Среди других оптически наблюдаемых несовершенств неметаллические включения могут оказывать существенное влияние на применение высокопрочных низколегированных сталей с использованием гибки и расширения отверстий, а также на стойкость против слоистого растрескивания. Они могут действовать как зародыши трещин в сталях с низкой чувствительностью к водородному растрескиванию и уменьшать распространение вязкой трещины. Очевидно, что количество и форма оксидов и сульфидов определяют величину деформации при разрушении.

На рис. 1 приведены расчетные данные Глэдмена [3], относящиеся к деформации при разрушении. При очень низком содержании серы и кислорода в стали могут быть достигнуты очейь хорошие свойства. По литературным данным, в настоящее время содержание кислорода и серы может составлять менее 10 млн1, однако в стандартной продукции максимальное содержание кислорода составляет 30 млн1, а серы — 80 млн1. Домини рующее влияние оказывает не природа оксидов или сульфидов, а их объемная доля, форма и распределение. Модифицированные включения смешанного типа, полученные в результате обработки кальцием и состоящие из алюминатов кальция в сердцевине и сульфидов кальция и марганца на поверхности, имеют пониженную пластичность при повышенных температурах, чем сталь. Это позволяет избежать образования вредных удлиненных включений, например, MnS. Благодаря низкому содержанию неметаллических включений не образуются кластеры оксидов алюминия, силикатов или силикоалюминатов. На рис. 1 показано также влияние карбидов на снижение деформации. Роль карбидов в чистых сталях особенно интересна и будет рассмотрена в следующем разделе. Причиной более благоприятного влияния карбидов по сравнению с оксидами и сульфидами является их существенно более высокая прочность сцепления со стальной матрицей.

Снижение содержания углерода и других элементов

С экономической точки зрения углерод является самым подходящим химическим элементом, повышающим прочность конструкционных сталей. При увеличении содержания перлита в 2 раза с 15 до 30 % достигается увеличение предела текучести на 50 МПа и предела прочности на 100 МПа. К сожалению, как показано яа рис. 2, повышение содержания углерода приводит к существенному снижению характеристик разрушения и пластичности.

Под влиянием таких катастрофических разрушений, как хорошо известные случаи с кораблями типа Либерти” во время Второй мировой войны или быстро распространяющиеся трещины в газопроводах, разрушающие даже компрессорные станции, основной целью стало предотвращение хрупкого разрушения при температуре эксплуатации. Действительно, концепции механики разрушения позволяют точно определить требуемую вязкость, гарантирующую остановку имеющейся трещины. Общая тенденция создания надежных конструкций состоит в том, что стали повышенной прочности должны одновременно обладать повышенной вязкостью.

Именно поэтому повышение прочности за счет увеличения содержания углерода было заменено другими, менее вредными, способами упрочнения, такими как твердорастворное упрочнение, дислокационное упрочнение или дисперсионное упрочнение. Технологические процессы, применяемые для получения и обработки современных высокопрочных низколегированных сталей, позволяют достичь максимально возможного измельчения зерна как единственного фактора, обеспечивающего одновременное повышение прочности и вязкости.

Помимо этих соображений, связанных с надежностью, нужно отметить, что повышение содержания углерода ухудшает технологические свойства, такие как формуемость в холодном состоянии или свариваемость. На рис. 3 показано развитие высокопрочных низколегированных сталей в последние десятилетия. Видно, что одновременно с повышением прочности достигалось улучшение свариваемости, связанное главным образом с уменьшением содержания углерода в стали.

В процессе затвердевания стали происходит сегрегация различных легирующих элементов, обогащающих зоны, затвердевающие в последнюю очередь, например, зоны, расположенные вдоль центральной линии слябов, полученных непрерывной разливкой. В стали, содержащей менее 0,09 % С, не происходит перитектической реакции, что само по себе способствует уменьшению сегрегаций. Дальнейшее снижение содержания углерода имеет двойной положительный эффект: 1) уменьшает интервал температур кристаллизации и 2) расширяет интервал температур существования 6феррита, т.е. способствует интенсивной гомогенизации в твердом состоянии при высоких температурах, поскольку коэффициент диффузии в феррите примерно в 100 раз выше, чем в аустените.

На рис. 4 показано, как снижение содержания углерода уменьшает коэффициент сегрегации одного из основных легирующих элементов— марганца. Это особенно характерно для сталей, полученных непрерывной разливкой, в которых степень сегрегации в центре особенно велика. Помимо снижения содержания углерода для уменьшения степени осевых сегрегаций используют также специальное оборудование: хорошо отцентрированные жесткие ролики, мягкое обжатие и электромагнитное перемешивание. Локальное обогащение марганцем вызывает локальное снижение температуры у *> aпревращения. Последние порции превращенного аустенита естественно обогащены углеродом, что приводит к образованию полосчатой ферритоперлитной микроструктуры или аустенитомартенситных составляющих. Эти локальные участки повышенной прочности и пониженной пластичности оказывают вредное влияние, способствуя слиянию водородных трещин или действуя как зародыши трещин.

Они известны как "локальные хрупкие фазы" в зоне термического влияния сварного соединения. На рис. 5 показана взаимозависимость между степенью сегрегации, микроструктурой в зоне термического влияния и вязкостью

Хорошо известно, что свободный азот существенно снижает вязкость стали (критическую температуру перехода от вязкого разрушения к хрупкому) в соответствии с соотношением [7]:

Таким образом, дополнительное содержание свободного азота 20 млн1 ухудшает температуру перехода более, чем на 30 °С. В отличие от нормализованных сталей, в сталях в состоянии после прокатки или после термомеханической обработки только часть азота связана алюминием [8]. Эта проблема преодолевается применением более сильных нитридообразующих элементов, особенно титана, вплоть до его стехиометрического содержания в нитриде.

Однако и в титансодержащих сталях вязкость повышается при уменьшении содержания азота, как показано на рис. 6 применительно К вязкости разрушения зоны термического влияния [9]. Состав основного материала, %: С 0,08; Мп 1,55; S 0,003; Nb 0,025; погонная энергия ЗкДж/мм.

Рассмотрим влияние на вязкость еще одного элемента — фосфора, который, вследствие пониженной растворимости в феррите, диффундирует к границам зерен, вызывая отпускную хрупкость. В сталях, подвергнутых термомеханической обработке (0,07% С; 1,47 %Мп;

Свариваемость

Для изготовления стальных конструкций часто используют сварку. На свариваемость влияют: тип конструкции (напряжения), со держание водорода (влага), чистота стали (слоистое растрескивание), параметры процесса сварки (погонная энергия, подогрев) и химический состав основного материала, часто выражаемый в виде углеродного эквивалента. Существуют различные формулы расчета углеродного потенциала, которые вводились в употребление по мере изменения состава свариваемых сталей. В основном все они представляют собой уравнения регрессии для расчета твердости зоны термического влияния. Обзор различных подходов сделан Лоренцем [24] . На основании этих уравнений, в которые помимо химического состава стали, входят напряжения и скорость охлаждения, определяют максимальную твердость зоны термического влияния и связанную с ней склонность к образованию холодных трещин. Они позволяют также рассчитать температуру подогрева, гарантирующую отсутствие трещин в сварном соединении.

Согласно требованиям безопасности, зона термического влияния должна обладать достаточной вязкостью, особенно при много* проходной сварке, когда в ней в результате различных максимальных температур цикла и послесварочных отжигов образуются различные микроструктурные составляющие. Эти составляющие при отсутствии неметаллических включений, служащих источниками зарождения трещин, определяют вязкость зоны термического влияния. В зависимости от скорости охлаждения и химического состава стали структура может представлять собой крупнозернистый? полигональный или Видманштеттов феррит, крупнозернистый верхний бейнит, нижний бей* нит, само отпущенный или даже неотпущенный мартенсит. Как показал Батте [25], наибольшая вязкость наблюдается в сталях со структурой низкоуглеродистого нижнего бейнита или самоотпущенного мартенсита. На основе этой концепции были пересмотрены данные по имитации термического цикла сварки в ЗТВ с крупнозернистой структурой. Использованный метод имитации сварки описан в работе [26]. На диаграмме (рис. 16) приведена зависимость вязкости ЗТВ от "коэффициента легирования", представляющего собой разность между углеродным эквивалентом и содержанием углерода. Из рассмотрения представленных графиков можно сделать следующие выводы.

Коэффициент легирования” был использован в связи с отсутствием, достаточного, для вывода полного уравнения регрессии количества данных, При этом ясно, что микролегирующие элементы ниобий и титан, растворяющиеся в стали при максимальной температуре цикла, существенно увеличивают прокаливаемость, что, в зависимости от химического состава стали, может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние.

Здесь необходимо повторить, что на вязкость различных областей ЗТВ существенно влияет наличие "локальных хрупких зон”, т.е. островков мартенсита, образовавшихся из участков высокоуглеродистого аустенита. Это означает, что микроструктура определяется не только средним химическим составом и размером зерна аустенита, то и локальным химическим составом, связанным с образованием сегрегаций [6]. В работе [13] было показано, что в сталях, содержащих менее 0,09 % С, опасность образования сегрегаций резко уменьшается.

При оценке результатов имитации термических циклов сварки и крупнозернистой ЗТВ не обнаружено корреляции между вязкостью и размерами зерна аустенита. Вероятно, в этих условиях преобладающее влияние оказывает микроструктура в целом. Но можно предполагать, что после многопроходной сварки и, особенно, в случае послесварочной термообработки, когда фосфор имеет возможность диффундировать к границам зерен, мелкозернистая структура будет иметь более высокую вязкость за счет меньшей склонности к охрупчиванию.

Помимо локальных хрупких зон в крупнозернистой ЗТВ, пониженной вязкостью могут обладать участки крупнозернистой ЗТВ, подвергнутые повторному нагреву в интервале межкритических температур. В структуре этих зон содержится большая доля островков мартенсита, ухудшающих вязкость. В низкоуглеродистых сталях таких явлений не наблюдалось.

Примеры современных высокопрочных низколегированных сталей

На основе полученных соотношений между параметрами процессов обработки и свойствами были оптимизированы технологические процессы получения высокопрочных низколегированных сталей.

Наиболее успешно эти стали применяют для изготовления труб больших диаметров, создание высокопроизводительных систем транспортировки газа от новых месторождений требовало новых марок сталей. В таблице приве

С конца 80х годов стоимость ванадия резко увеличилась, и составы сталей для используемых в то время в России, трубопроводов, т.е. сталей с прочностью 600 МПа, были изменены таким образом, чтобы вместо дисперсионного упрочнения ванадием использовать дислокационное упрочнение. Последнее достигалось или контролируемой прокаткой в двухфазной области с большими обжатиями, или ускоренным охлаждением [27]. Несколько сот тысяч тонн стали было изготовлено Европейскими производителями и успешно применено. Это были стали, микролегированные ниобием (таблица— сталь №1).

Другой возможностью снижения стоимости без ухудшения свойств исходного листа или трубы является замена комплексного микролегирования Nb + V на микролегирование Ti. Но этот подход недопустим, так как несмотря на экономию расходов, сравнимую с получаемой при использовании Nbсталей, происходит существенное снижение вязкости ЗТВ сварного соединения [27].

Стали для труб большого диаметра, помимо низкой себестоимости, должны обеспечивать повышенную прочность для снижения веса и стойкость в среде высокосернистых газов. Для выполнения последнего требования необходимо, в частности, применение современного оборудования для выплавки, разливки и прокатки сталей.

Для предотвращения зарождения водородных трещин необходимы стали с очень низким содержанием серы (даже менее 10 млн1) и соответствующей формой сульфидных включений, достигаемой добавкой кальция. Кроме того, необходимо исключить распространение трещины вдоль структурных неоднородностей, например, сегрегаций. Поэтому эти стали имеют низкое содержание углерода, для их обработки применяют хорошо управляемый процесс непрерывной разливки и мягкое обратив. На некоторых фирмах применяют дополнительный гомогенизирующий отжиг слябов. Для уменьшения сегрегаций обычно используют ускоренное охлаждение.

В состав стали № 2 включен ванадий для гарантированного получения требуемой прочности при таком низком содержании углерода и марганца. Если требование к стойкости в среде высокосернистых газов не является обязательным, допустимо применение сталей с более высоким содержанием углерода и марганца, т.е. при более высокой прочности, достигаемой даже в отсутствие Еанадия (стали № 3 и 4). Для увеличения эффективности ниобия в эти стали вводят небольшие количества титана, связывающего азот в нитриды стехиометрического состава. В настоящее время в Германии находится в эксплуатации газопровод из стали прочностью 700 МПа — марки Х80.

Высокопрочные низколегированные стали применяют для изготовления различных сооружений и конструкций, например, морские платформы для добычи нефти и газа, мосты, суда, хотя в тех случаях, когда конструкция работает в условиях действия не растягивающих напряжений, характерных для трубопроводов, а напряжений другого типа, достигаемое снижение веса не столь существенно. Стали № 5 и 6 являются примерами высокопрочных сталей с высокой вязкостью при низких температурах, успешно заменяющие более высоколегированные закаленные и отпущенные стали и имеющие дополнительные преимущества в виде низкой стоимости и улучшенной свариваемости.

Процесс термомеханической прокатки не ограничивается только плоскими заготовками. В течение многих лет он применяется для производства крупных широкополочных двутавровых балок. Первой стадией была разработка процесса селективного охлаждения, обеспечивающего равномерность температуры различных частей балки. Обработка балок большей толщины стала возможной в результате разработки процесса непосредственной закалки поверхности после термомеханической обработки. Под воздействием тепла, развивающегося в процессе фазовых превращений внутри балки, происходит отпуск структур закалки, образованных на поверхности, тогда как внутри балки в результате фазовых превращений образуется ферритная структура [28]. В качестве примера приведена сталь № 7.

Технологический процесс обработки на полосовом стане включает ускоренное охлаждение прсле горячей прокатки и позволяет достичь максимально возможной степени дисперсионного упрочнения в рулоне. С другой стороны, температура окончания прокатки здесь обычно существенно выше, чем при прокатке толстых листов. Как правило, все традиционные и новые трубные стали обрабатывают на полосовых станах. Стали №8 и 9 — это стойкие к воздействию высокосернистых газов сталь Х65 для электросварных труб и сталь Х80 для спиральных труб соответственно.

Типичная толщина горячекатаной полосы — менее 10 мм. Изделия из такой полосы, например, для автомобильной промышленности, изготавливают способами холодного формования. Следовательно, такие стали должны иметь структуру перлита и низкое содержание включений. На примере сталей NP10 и И показано, что в настоящее время стандартным уровнем прочности является диапазон сол от 500 до 690 Н/мм2. Эти стали производятся многими фирмами, иногда с разными легирующими добавками. Опыт показал, что равномерность свойств по толщине и длине рулонов достигается только при термомеханической обработке сталей, микролегированных ниобием. Дополнительный прирост прочности за счет дисперсионного или дислокационного упрочнения может быть обеспечен микролегированием другими элементами. Сталь № 12 обладает наивысшей прочностью, реально полученной при горячей прокатке полосы [11]. Эта сталь с минимальным ог0<2 = 890 Н/мм2 вторгается уже в область применения закаленных и отпущенных сталей. Типичная область применения— самоходные краны.

Для изделий толщиной менее 2 мм и для случаев повышенных требований к качеству поверхности используют холоднокатаный лист. Для обеспечения достаточной штампуемости холоднокатаный материал подвергают рекрис таллизационному отжигу в печах периодического действия с усиленным теплообменом за счет конвекции или в линиях непрерывного отжига. Высокопрочные низколегированные стали для горячекатаных полос и холоднокатаного листа имеют одинаковое содержание микролегирующих элементов, хотя уровень прочности холоднокатаных сталей несколько ниже, чем горячекатаных при одинаковом их химическом составе. Наиболее эффективно применение этих сталей (примерами являются стали № 13 и 14) в автомобильной промышленности. Почти все европейские производители применяют стали такого состава.

Таблица заканчивается холоднокатаной штампуемой сталью с наиболее высокой из достигнутых до настоящего времени прочностью. Сталь нагревали в (а + у)области и закаливали с целью получения двухфазной ферритомартенситной структуры с пределом текучести около 550 Н/мм2. Поскольку двухфазные стали имеют высокий коэффициент деформационного упрочнения, то после 2%ного холодного обжатия и нагрева при температу pax ‘сушки краски конечное изделие имеет предел текучести 800Н/мм2 [29]. Эта сталь применяется, например, для трубчатых элементов безопасности, защищающих при боковых ударах.

Увеличение прочности стали позволяет снизить вес конструкции. Знание соотношений между структурой и 'свойствами, а также установка современного оборудования для выплавки и прокатки стали дали возможность оптимизировать производство ' высокопрочных низколегированных сталей. Это позволяет создавать конструкции, работающие в агрессивных средах, при использовании экономичных процессов производства. Основным достижением было, снижение содержания неметаллических включений и углерода до уровня существенно ниже 0,09%. Усцешный опыт применения этих сталей в последние десятилетия нашего века показал, что вероятнее всего в XXI в. эта группа сталей будет увеличиваться. Залогом этого служат ее успех у потребителей, экономичность производства и экологичность.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 5, Москва 1994