Свойства термообработанной стали 15Х1М1Ф после холодной деформации
Гибы являются одним из наиболее повреждаемых участков паропроводов. Однако до сих пор нет полной ясности относительно структуры и свойств Сг—Мо—V- стали и их стабильности после холодного формоизмеиения. Для уточнения этого вопроса было проведено исследование влияния холодной пластической деформации на свойства термообработанной стали. Термическая обработка стали 15Х1М1Ф заключалась в нормализации и отжиге при температуре 1050 °С с последующим отпуском при 750 °С и выдержкой 10 ч. Структура после такой термообработки представляет собой высоко-отпущенный бейнит и ферритокарбидную смесь. Затем металл подвергали холодной пластической деформации растяжением. Степень деформации составляла П...13 %. Испытания образцов производили как непосредственно после деформации, так и после отпуска при различных температурах. Выдержка при отпуске составляла 1 и 5 ч. Испытания на длительную прочность проводили при температуре 570 °С.
На рис. 1 приведены кратковременные механические свойства деформированной стали 15Х1М1Ф в зависимости от температуры отпуска. Из рисунка видно, что металл с бейнитной структурой (БС) имеет значительно более высокие прочностные свойства, чем металл с феррито-карбидной структурой (ФКС). Различие в значениях твердости составляет 15...35 единиц, временного сопротивления—80...120 и предела текучести — 80...150 МПа. Тем не менее снижение прочностных характеристик в стали с ФКС происходит значительно интенсивнее, чем в стали с БС. Характеристики пластичности после отпуска для обоих вариантов практически одинаковы.
Большое влияние структура оказывает на ударную вязкость деформированной стали. Сталь с ФКС характеризуется очень большим разбросом значений ударной вязкости. Минимальные значения ударной вязкости металла с ФКС составляют 40, в то время как с бейнитной — 300 кДж/м2. Причем после отпуска 600 °С в стали с ФКС наблюдаются однородно низкие значения ударной вязкости. По-видимому, это обусловлено дисперсионным твердением, так как одновременно обнаруживается уменьшение относительного сужения и некоторое повышение временного сопротивления. Некоторое повышение предела текучести и увеличение разброса ударной вязкости в сторону ее низких значений отмечают также и после отпуска при 750 °С. Что касается стали с БС, то и здесь проявляется эффект дисперсионного твердения при отпуске 600 °С, но выражен он слабее, вероятно, вследствие высокой исходной прочности. Длительность отпуска (1 и 5 ч) после деформации слабо сказалась на свойствах стали. Заметное различие наблюдается только в значениях твердости после отпуска 600 и 650 °С в стали с ФКС. Оно составляет порядка 10 единиц.
В связи с тем, что металл подвергался холодной пластической деформации, стабильность структуры можно достаточно надежно оценить величиной отношения предела текучести к временному сопротивлению. Изменение величины отношения стали 15Х1М1Ф с температурой отпуска показано на рис. 2. В этом случае еще отчетливее выявляется меньшая стабильность наклепанной ФКС по сравнению с БС.
Рассмотренные данные хорошо коррелируют с результатами длительных испытаний. На рис. 3 приведены линии длительной прочности стали 15Х1М1Ф с БС и ФКС, подвергнутой холодной деформации и отпуску при температуре 750 °С в течение 5 ч. Несмотря на высокотемпературный отпуск, сталь с ФКС характеризуется меньшей стабильностью. Тангенс угла наклона линий длительной прочности стали с ФКС к абсциссе составляет 0,181, в то время как стали с БС — 0,146, и значения длительной прочности, экстраполированные на 10® ч, стали с ФКС заметно ниже, чем стали с БС. На этом же графике для сравнения приведены линии длительной прочности недеформированной стали 15Х1М1Ф с аналогичными структурами. В данном случае выявляется противоположная картина: сталь с ФКС более стабильна, чем сталь с БС (таблица). При этом значения длительной прочности недеформированной стали независимо от структурного состояния выше значений длительной прочности стали, подвергнутой деформации и высокому отпуску.
Меньшая стабильность ФКС после холодной пластической деформации объясняется, по-видимому, тем, что металл с такой структурой в процессе деформации сильнее упрочняется. Отношение о0у2/о-^ в недеформированном металле с ФКС составляет 0,62, ас БС — 0,75. После деформации эта величина в обоих случаях составляет 0,89. Если для бейнитного варианта различие в величине отношения ст0)2/^в в деформированном и не-деформированном состояниях составляет 0,14, то для феррито-карбидного — 0,27, т. е. вдвое больше. Отпуск при 750 °С не снимает полностью наклепа, так как значения отношения предела текучести к временному сопротивлению после отпуска выше, чем в недеформированном состоянии, причем в величине отношения ао,2/ав стали с ФКС и БС сохраняется такая же разница, как и непосредственно после деформации. Поскольку после отпуска деформированный металл с ФКС остается более наклепанным, чем с БС, то он и быстрее разупрочняется в условиях высокотемпературного нагружения.
Характеристики ползучести так же, как и длительная прочность, являются структурно-чувствительными. Скорость установившейся ползучести в деформированной стали 15Х1М1Ф с ФКС примерно в 20 раз выше, чем в стали с БС. Опыт эксплуатации показывает, что разрушение гибов из стали 12Х1М1Ф в результате ползучести происходит, как правило, при ФКС. На рис. 4 показаны характерные трещины ползучести в разрушенном гибе из стали 12Х1МФ, структура которой состоит из феррита с карбидами. Как известно, ФКС согласно ТУ 14-3-460—75 является браковочной. Тем не менее в эксплуатации находятся немало элементов оборудования из стали с такой структурой. Для уменьшения вероятности попадания труб с ФКС в эксплуатацию целесообразно, кроме отбраковки их по структуре, повысить нижний предел прочностных характеристик Сг—Мо—У-стали в технических условиях. Рекомендуется для стали 15Х1М1Ф ав повысить с 500 до 540, а для стали 12Х1МФ с 450 до 500 и а0(2 с 280 до 320 МПа. Указанные значения свойств обеспечивает ферритобейнитная структура. Выводы
1. После холодной пластической деформации увеличение значения отношения предела текучести к временному сопротивлению в стали с ФКС происходит в значительно большей степени, чем в стали с БС.
2. Отпуск при температурах 700...750 °С деформированной стали 15Х1М1Ф не снимает полностью наклепа, хотя абсолютные значения ее кратковременных механических свойств переводят на уровень требований ТУ, предъявляемых к металлу прямых труб.
3. Холодная деформация стали 15Х1М1Ф с ФКС приводит к значительной неоднородности ударной вязкости, нижние значения которой находятся на уровне 40... 150 кДж/м2.
4. После холодной деформации и отпуска сталь 15Х1М1Ф с ФКС при высокотемпературном нагружении разупрочняется интенсивнее, чем сталь с БС.
5. Скорость установившейся ползучести в стали 15Х1М1Ф с ФКС, подвергнутой холодной деформации и отпуску, на порядок выше, чем в стали с БС.