Influence of degradation processes and severe plastic deformation on defective of pipe steel

Full Text

Введение Как известно, дефектность оказывает существенное влияние на физико-механические свойства стали. В свою очередь дефектность материала может быть обусловлена разными причинами. Одними из факторов, влияющими на дефектность, могут быть деградация материала в результате эксплуатации в сложных условиях, а также термомеханическое воздействие на него. Исследованию возникновения и развития различных дефектов, их влияния на свойства материалов посвящено множество работ исследователей [1, 2]. Деградационные процессы в материалах влияют на параметры технического состояния конструкций. При этом процесс изменения механических характеристик в том или ином направлении может отражать разупрочнение, упрочнение и охрупчивание металла. Металлическая конструкция может быть подвергнута термомеханическому воздействию на разных стадиях – при изготовлении, транспортировке, монтаже и эксплуатации. То есть имеют место технологические и эксплуатационные факторы влияния на физико-механические свойства металла. При механическом воздействии в результате пластической деформации (наклепа) может произойти охрупчивание металла за счет увеличения плотности дефектов кристаллической решетки – дислокаций и закрепления подвижных линейных дефектов (дислокаций) атомами внедрения типа углерода или азота. Исследование влияния усталости и термопластического воздействия на структуру и дефектность металлических материалов имеет научное и практическое значение. Представляет интерес изучение влияния ИПД на дефектность стали, поскольку цель таких обработок – изменение служебных свойств материала. Одним из методов интенсивной пластической деформации, оказывающим существенное влияние на состояние материала, является равноканальное угловое прессование (РКУП). Следует отметить, что вопрос влияния длительной эксплуатации и РКУП на дефектность в конструкционных сталях ферритно-перлитного класса остается малоизученным. Для эффективного применения таких материалов необходимо комплексное изучение их свойств, исследование изменения структурных искажений и развития дефектов. В настоящей работе рассмотрены вопросы исследования структуры, определения прочности и рентгеноструктурного анализа трубной стали ВСт3сп после длительной эксплуатации и интенсивной пластической деформации и термической обработки. Материал и методика исследования Исследовалась сталь ВСт3сп из трубы аварийного запаса (складское хранение) и после эксплуатации в системе магистрального газопровода в течение 42 лет. Газопровод диаметром 273 мм и толщиной стенки 8 мм используется для перекачки газа по маршруту Якутск – Покровск в Республике Саха (Якутия). В результате воздействия различных факторов и усталости структура металла изменяется, материал охрупчивается, снижается пластичность и т. д. Химический состав низкоуглеродистой стали ВСт3сп, %: С – 0,17; Si – 0,2; Мn – 0,54; Cr – 0,14; Ni – 0,14; Сu – 0,25; остальное – Fe. Химический анализ стали проведен на атомно-эмиссионном спектрометре Foundry-Master фирмы Worldwide Analytical Systems AG (WAS AG). Исходная микроструктура неиспользованной стали – ферритно-перлитная полосчатая. Заготовки из новой трубы и трубы после 42 лет эксплуатации были подвергнуты РКУП по маршруту С (поворот заготовки относительно ее продольной оси перед каждым последующим циклом прессования на угол 180°) в 4 прохода при температуре прессования 673 К. Для реализации РКУП с помощью гидравлического пресса ПСУ 125 типа 3ИМ с максимальным усилием 1250 кН использовалась специальная оснастка с углом пересечения каналов 120. Поскольку в технологической оснастке диаметр каналов составляет 20 мм, а толщина стенки трубы 8 мм, выполнялось прессование составной заготовки. Микроструктуру выявляли травлением шлифов в 4%-м спиртовом растворе азотной кислоты. Исследования структуры проводили на оптическом микроскопе Neophot-32 (Carl Zeiss Jena). Был выполнен количественный металлографический анализ. Измерения микротвердости проводили методом Виккерса на микротвердомере LM-700 при нагрузке 0,1 Н и времени выдержки 15 сек. Значения микротвердости рассчитывали по известной формуле. Испытание образцов одноосным растяжением проводилось на испытательной машине Instron-1195 при постоянной скорости нагружения, равной 3,33  10-5 мс-1. Методом рентгеноструктурного анализа стали ВСт3сп определяли величину параметра решетки и плотность дислокаций. Для исключения влияния на результаты исследований структурных искажений, неизбежно возникающих в процессе изготовления, обработки и эксплуатации изделия, был изготовлен эталонный образец (отжиг в вакуумной печи при Т = 873 К в течение 1 часа). Измерения параметра кристаллической решетки и плотности дислокаций проводили на дифрактометре отечественного производства ДРОН-3М с использованием Cr-излучения в режиме U = 30 кВ, I = 20 мА. Интервал углов 154,00 – 158,30. Скорость сканирования 1 град/мин с шагом 0,02. Измерение плотности дислокаций проводили на основе анализа профилей брегговских максимумов [3]. Критерием оценки изменения структурного состояния сталей в процессе их получения служила ширина рентгеновских линий, так как дефекты кристаллического строения проявляются в эффектах уширения линий. Использование величины физического уширения рентгеновских линий, которое обуславливается плотностью и распределением дислокаций в металле, обосновано в качестве объективной оценки дефектности кристаллической решетки [3, 4]. Фиксировались рефлексы от атомных плоскостей/ Исключение геометрического фактора дифрагированных образцов при вычислении физического уширения исследуемых материалов проводилось по рефлексу эталонного отожженного образца, имеющему наименьшую полуширину. Плотность дислокаций ρ рассчитывалась по уширению рефлекса согласно [3, 6]. Результаты исследований и их обсуждение Было проведено исследование микроструктуры трубной стали до и после эксплуатации в исходном состоянии и после РКУП. Исходная микроструктура неэксплуатированной (из аварийного запаса) стали – ферритно-перлитная полосчатая. В процессе эксплуатации стальных трубопроводов в материале трубы происходит перестройка дислокационной структуры и незначительное уменьшение размера зерна (d = 6,15 мкм) по сравнению с неэксплуатированной трубой (d = 10,17 мкм). РКУ-прессование неэксплуатированной стали приводит к более однородному распределению перлита в ходе интенсивной пластической деформации, а также к измельчению зерна (d = 3,64 мкм). Формирование мелкозернистой структуры происходит согласно схеме эволюции микроструктуры при ИПД. Интенсивная пластическая деформация использованной стали приводит к мелкозернистой структуре (d = 4,06 мкм), существенно не отличающейся от образцов после РКУП стали из трубы аварийного запаса. После длительной эксплуатации микротвердость стали уменьшилась на 45 % в результате структурных изменений. РКУП повышает микротвердость в 1,65 – 2,1 раз, поскольку при этом происходит измельчение зерен и некоторое увеличение плотности дислокаций. Если материал трубы Ст3сп после длительной эксплуатации прочность практически сохраняет (предел текучести до и после эксплуатации – 351,2 и 353,4 МПа соответственно; предел прочности – 490,6 и 479 МПа соответственно), то пластичность материала существенно падает – почти на 25 % (остаточное удлинение 21,47 % до и 16,16 % после эксплуатации соответственно). Данные рентгеноструктурного анализа представлены в таблице. Деградационные изменения в тонкой структуре оказывают существенное влияние на параметр решетки. Влияние ИПД на параметр решетки стали из новой трубы и трубы после эксплуатации различное. Изменение параметра кристаллической решетки ∆a для образца из неиспользованной трубной стали ВСт3сп относительно эталонного (отожженного) образца незначительное, что характеризует состояние поставки. Увеличение ∆a в случае образца из неиспользованной стали, которая была подвергнута РКУП по маршруту С при температуре Т = 673 К в n = 4 прохода, свидетельствует о больших растягивающих пластических деформациях вдоль плоскости скольжения. Максимальное значение ∆a в сторону уменьшения на образце из трубной стали ВСт3сп после длительной эксплуатации, подвергнутой при тех же режимах РКУП, характеризует протекание больших пластических деформаций сжатия, когда в материале уже произошли необратимые деградационные изменения в тонкой структуре в результате процесса старения, т. е. на неустойчивую структуру воздействуют внешние сжимающие усилия. Данные рентгеноструктурного анализа трубной стали ВСт3сп № Состояние материала a10-5, м 1011, м-2 Фактор асимметричности 2 1 Эталон 28782  0,49 156,04 2 Новая трубная сталь 28775 8,2188 0,8 155,96 3 РКУП новой трубной стали (С, Т = 673 К, n = 4) 28792 146,5031 0,21 156,22 4 Трубная сталь после эксплуатации 28767 40,9059 2,1 155,94 5 РКУП (С, Т = 673 К, n = 4) трубной стали после эксплуатации 28763 160,9840 0,85 154,94 Р и с. 1. Сравнительный вид дифрактограмм стали ВСт3сп: а – новая трубная сталь; б – трубная сталь после длительной эксплуатации и РКУП Высокие значения плотности дислокаций являются характерными для материалов, подвергнутых большим пластическим деформациям, – это образцы № 3 и 5 (см. таблицу). Анализ результатов показал следующее. В упрочненном материале (образцы № 3 и 5) закономерно существенно высокие плотности дислокаций. Увеличение фактора асимметричности формы профиля дифракционной линии от 0,49 в случае эталона до 0,85 в образце № 5 и 2,1 в образце № 4 свидетельствует о протекании больших пластических деформаций и об искаженности и неоднородности дефектной структуры (рис. 1). Причем длительная эксплуатация материала вносит свой вклад в эволюцию деградационных процессов в кристаллической структуре, которые протекают при воздействии на материал больших пластических деформаций, в частности при испытании образцов в одних и тех же условиях (образцы № 3 и 5) величина плотности дислокаций в упрочненной после длительной эксплуатации стали (образец № 5) больше. Рис. 2. Дифрактограмма стали ВСт3сп после длительной эксплуатации и РКУП Наиболее сильные изменения в структуре произошли в упрочненной стали (образец № 5), которая была подвергнута РКУП после длительной эксплуатации, т. е. наблюдается максимальное смещение максимума угла дифракции 2 относительно других образцов. Величина смещения достигает в данном случае ∆2 = 1,1 относительно эталонного образца, что характеризует наличие больших остаточных напряжений. Для данного образца № 5 по сравнению с образцами № 2, 3 и 4 профиль рентгеновской дифракционной линии, полученный от плоскостей отражения, имеет значительную размытость и наибольшую полуширину линии (В = 0,67), тогда как на образцах № 2 и 4 полуширина линии В = 0,26 и В = 0,30 соответственно. А размытие профиля рентгеновской линии (рис. 2) отражает наличие в образце № 5 большой степени линейных и объемных неоднородностей структуры [2], обусловленных большими пластическими деформациями [7]. Заключение Таким образом, длительная эксплуатация трубы вносит свой вклад в развитие деградационных процессов в кристаллической структуре и изменяет механические свойства материала. В процессе эксплуатации в материале трубы происходит перестройка дислокационной структуры и незначительное уменьшение размера зерна по сравнению с неэксплуатированной трубой. Равноканальное угловое прессование неэксплуатированной стали приводит к более однородному распределению перлита в ходе интенсивной пластической деформации, а также к измельчению зерна. После длительной эксплуатации микротвердость стали в результате структурных изменений значительно уменьшилась. Равноканальное угловое прессование существенно повысило микротвердость за счет измельчения зерен и увеличения плотности дислокаций. В результате равноканального углового прессования закономерно повышается прочность и снижается пластичность. Данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о протекании больших пластических деформаций и об искаженности и неоднородности дефектной структуры в разной степени в зависимости от состояния материала трубы. После РКУП при одних и тех же условиях плотность дислокаций для деградированной стали выше, чем для новой. О наиболее сильных изменениях в структуре в использованной стали после упрочнения свидетельствует и максимальное смещение максимума угла дифракции 2.

About the authors

Petr P Petrov

Federal State Institution of Science «Institute of Physical and Technical Problems of the North it V.P. Larionov, Russian Academy of Sciences»

Email: aplatonov@iptpn.ysn.ru
Leading Research Scientist 1, October st., Yakutsk, 677980

Afanasy M Ivanov

Federal State Institution of Science «Institute of Physical and Technical Problems of the North it V.P. Larionov, Russian Academy of Sciences»

Email: aplatonov@iptpn.ysn.ru
Leading Research Scientist 1, October st., Yakutsk, 677980

Anatoliy A Platonov

Federal State Institution of Science «Institute of Physical and Technical Problems of the North it V.P. Larionov, Russian Academy of Sciences»

Email: aplatonov@iptpn.ysn.ru
Research Scientist 1, October st., Yakutsk, 677980

References

Supplementary files