Сфероидизация перлита и коагуляция карбидной фазы

Нестабильность структуры и изменение свойств сталей в результате длительного нагрева

В разделе дается информация о изменениях в свойствах и структуре стали при длительном нагреве. Рассказывается о видах коррозии и мерах защиты стали от нее.

В течение длительного срока службы деталей котельных установок, измеряемого более 100 000 часов при высоких температурах, устойчивая при комнатной температуре структура металла может претерпевать значительные изменения.

Нестабильность структуры имеет различные формы и предопределяет те изменения, которые оказывают влияние на свойства стали и, в первую очередь, на длительную прочность, длительную пластичность и характер разрушения.

В сталях наблюдаются следующие формы нестабильности структуры и связанные с ней структурные изменения:

1) сфероидизация перлита и коагуляция карбидной фазы;

2) графитизация (только для перлитных сталей, не содержащих хрома);

3) старение и образование новых фаз – химических соединений;

4) тепловая хрупкость;

5) перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидной фазой.

Во всех перлитных сталях, применяемых в котлостроении (20, 15М, 20М, 15ХМ, 12МХ), наиболее часто встречающейся формой нестабильности структуры является сфероидизация карбидов, которая выражается в том, что карбиды перлита, имеющие пластинчатую форму, при повышенной температуре постепенно превращаются в округлые частицы – сфероиды, увеличивающиеся в дальнейшем в размерах. Карбиды стремятся уменьшить свою поверхностную энергию и перейти в более устойчивую форму, обладающую минимумом свободной энергии.

Оба эти процесса – сфероидизация и коагуляция (укрупнение) карбидных частиц основаны на диффузии и поэтому сопровождаются изменением расположения карбидов в структуре стали. Поскольку на границах зерен скорость диффузионных процессов выше, карбиды стремятся выделиться на границах зерен. Процесс сфероидизации и коагуляции карбидов связан с перемещением атомов углерода на значительные расстояния, поэтому скорость диффузии углерода является фактором, определяющим скорость процесса сфероидизации. Следовательно, факторы, влияющие на скорость диффузии углерода, определяют собой и скорость протекания процессов сфероидизации и коагуляции.

Основными факторами, влияющими на развитие процесса сфероидизации, являются температура, время и химический состав. Но есть и другие факторы, ускоряющие или замедляющие этот процесс. Исследованиями показано, что при заданных химическом составе, температуре и времени, скорость сфероидизации зависит от размера действительного зерна, строения перлита и степени наклепа. Особенно сильно сказывается влияние наклепа и величины зерна. Наклеп и уменьшение величины зерна способствуют процессу сфероидизации.

Так, для достижения в молибденовой стали (0,5% Мо) сфероидизации при 500° требуется:

для крупнозернистой стали ~ 24 000 час,

для мелкозернистой стали ~ 16 000 час,

для сильно деформированной стали ~ 5 000 час.

Диффузия углерода на границах зерен, блоков и плоскостей скольжения облегчена тем, что пространственная решетка в этих местах сильно искажена. Поэтому в мелкозернистой стали, которая имеет большую суммарную поверхность, вернее, объем с искаженной решеткой, скорость процессов сфероидизации и коагуляции карбидов возрастает. Пластическая деформация вызывает более значительные по объему и величине искажения решетки, что сказывается еще более значительно на скорости этих процессов. Исходная дисперсность карбидов и величина межпластинчатого расстояния перлита также оказывают влияние на скорость сфероидизации, но в значительно меньшей степени.

Процесс сфероидизации сопровождается ростом карбидов, причем измерения их размеров показали, что интенсивность роста карбидов зависит от их расположения. Наиболее благоприятны условия роста для карбидов, лежащих на границах зерен. Размер этих карбидов, имеющих форму изогнутых вдоль границы пластин, значительно превосходит размеры карбидов, лежащих внутри зерна.

Зависимость между температурой и временем полной сфероидизации определяется экспоненциальным уравнением для диффузии в твердых телах

(3.1)

где t – время, требующееся для достижения определенной степени сфероидизации;

Т – температура (в градусах абсолютной шкалы);

b – постоянная для сталей;

А – постоянная, зависящая от химического состава и состояния стали;

е – основание натуральных логарифмов.

Углеродистая сталь наименее устойчива в отношении сфероидизации. Молибденовая сталь сфероидизируется значительно медленнее, чем углеродистая сталь. Преимущество молибденсодержащей стали сохраняется независимо от времени выдержки при температурах 500–700°С.

Дальнейшее усложнение состава молибденсодержащей стали, например, введение хрома, тормозит процесс сфероидизаци и, добавка марганца, равная 1%, заметно ускоряет сфероидизацию. Влияние хрома и марганца с течением времени убывает и постепенно сходит на нет. При выдержке в течение 5000 часов при 500° влияние хрома и марганца наблюдается отчетливо. При дальнейшем увеличении выдержки (до 10000, 16000, 24 000 часов) структурное состояние сталей с хромом и марганцем оказывается одинаковым с состоянием стали марки 15М нормального состава.

Исследования сталей, легированных ванадием, хромом, молибденом, вольфрамом, показали, что такие стали структурно более устойчивы.

Проведенные испытания по сфероидизации стали под нагрузкой и без нагрузки показывают, что полное время сфероидизации стали под нагрузкой на 2/3 меньше времени, необходимого для сфероидизации ненагруженного образца. Сфероидизация оказывает очень значительное влияние на сопротивление ползучести и длительную прочность.

При сфероидизации карбидной фазы также снижаются пределы прочности и текучести. Ударная вязкость обычно меняется мало, но когда карбиды располагаются по границам зерен, падение ударной вязкости может быть гораздо более значительным.

Испытания, проведенные при 482°С и 538°С по влиянию сфероидизации карбидов на сопротивление ползучести и длительную прочность 0,5% молибденовой стали, показали, что исходная прочность сильно зависит от степени сфероидизации карбидов. Прочность тем больше, чем меньше сфероидизация.

Явление сфероидизации и должны учитываться при разработке сталей изменение свойств в результате процесса стабилизации структуры и выборе допускаемых напряжений для них.

Естественно, конечно, что в стали с более низким содержанием углерода, в которой меньше карбидной фазы, процесс сфероидизации будет оказывать меньшее влияние на снижение пределов ползучести и длительной прочности. С этой точки зрения стали с низким содержанием углерода будут более структурно устойчивыми.

Коагуляция карбидной фазы в аустенитных сталях является также одной из наиболее распространенных форм нестабильности структуры. Так же, как при сфероидизации перлита, коагуляция карбидной фазы вызывает снижение жаропрочности и, как правило, снижает пластические и вязкие свойства. Процессы коагуляции карбидной фазы в аустенитных сталях так же протекают более ускоренно при содержании в них повышенного количества углерода.

Кроме того, на коагуляцию карбидной фазы оказывает большое влияние химический состав этой фазы. Хромистые карбиды значительно менее устойчивы против коагуляции, чем карбиды ванадия, ниобия или титана. В сталях, в которых весь углерод связан в карбиды ниобия или титана, процессы коагуляции при температурах до 700° практически не проходят.