» » Однородные и неоднородные структуры
24.01.2015

Основной технологической схемой производства листового проката для электросварных труб большого диаметра является термомеханическая (контролируемая) прокатка непрерывнолитых слябов, во многих случаях с последующим регламентированным ускоренным охлаждением. Формирование структуры металла проходит в несколько стадий, основными из которых являются нагрев под прокатку, предварительная (черновая) стадия прокатки, окончательная (чистовая) стадия прокатки, последеформационное охлаждение. На конечную структуру также оказывают влияние процессы кристаллизации непрерывнолитой заготовки.
Проведенные исследования промышленного металла показывают, что формирующаяся структура металла характеризуется различными типами неоднородности, в их числе: разнозернистость; характер взаимного расположения структурных составляющих (полосчатость); неоднородность структуры по сечению проката (поверхностные слои, осевая зона), к неоднородности можно отнести и формирование смеси различных фаз и структурных составляющих (рис. 3.44); кристаллографическая текстура в феррите и др.
Однородные и неоднородные структуры

К источникам формирования неоднородных структур в прокате можно отнести:
— неоднородность химического состава исходной заготовки (ликвация дендритная, осевая);
— влияние процесса горячей деформации (температурный интервал, неравномерность деформации по сечению проката);
— влияние процесса охлаждения (в первую очередь, ускоренного), обусловливающего неравномерность температуры металла по сечению (особенно с учетом больших толщин проката и повышенной скорости охлаждения), а также и его неравномерность;
— особенности (γ-α)-превращения (неодновременность превращения в участках металла с различным химическим составом, протекание процесса при непрерывном охлаждении).
Основные типы неоднородных структур в трубных сталях можно классифицировать следующим образом:
1) связанные с природой процессов:
— полосчатая структура, включая осевую зону сляба;
— неоднородность по сечению проката (поверхностные слои и сердцевина);
— смесь различных типов структур при непрерывном охлаждении;
2) связанные с неправильно выбранными технологическими параметрами:
— разнозернистость (аустенита, феррита) → локальное изменение типа структуры (бейнит, полосы грубого высокотемпературного феррита);
— локальная неоднородность в объеме проката (в том числе по длине);
3) целенаправленно создаваемые неоднородные структуры:
— феррит + перлит;
— полиэдрический и деформированный феррит (текстуриро-ванный) + перлит;
— деформированный феррит + бейнит;
— другие сочетания.
Самая распространенная структура горячекатаных и нормализованных сталей — ферритно-перлитная смесь, в большинстве случаев характеризуемая неравномерным расположением структурных составляющих — полосчатостью. Механизм формирования полосчатой структуры представляется следующим. В процессе затвердевания ликвирующие элементы (марганец, фосфор) вытесняются из первых сформировавшихся дендритов 5-феррита, что приводит к формированию междендритных зон, обогащенных этими элементами. Впоследствии эти области будут характеризоваться оладьеобразной формой зерен после горячей прокатки и станут основой микрохимической и микроструктурной полосчатости. Аналогичный механизм приводит к осевой химической неоднородности в непрерывнолитом слябе.
Микроструктурная полосчатость, состоящая из чередующихся слоев доэвтектоидного феррита и перлита (или бейнита/мартенсита), есть результат влияния элементов замещения на температуру превращения аустенита.
Так как эта температура понижается при повышении содержания элементов, входящих в твердый раствор, феррит в первую очередь зарождается в обедненных легирующими элементами зонах. Углерод вытесняется из доэвтектоидного феррита, образуя обогащенные углеродом области аустенита, который превращается в перлит или другие составляющие — высокоуглеродистый мартен-сит/бейнит. Зерна доэвтектоидного феррита и островки второй структурной составляющей связаны с обедненными и обогащенными областями соответственно.
Разнозернистость аустенита может формироваться вследствие ряда причин:
— малые деформации за проход и получение более крупного зерна в средней части проката при деформации выше Трекр;
— условия деформации (температура, степень и другие параметры), приводящие к частичной рекристаллизации;
— деформация аустенита ниже Трекр (крупное и разноразмерное исходное зерно аустенита и/или недостаточное суммарное обжатие) — получение аустенитных зерен с различной плотностью несовершенств (полос деформации), являющихся местами зарождения феррита — неравномерное зарождение феррита.
Разнозернистость аустенита может привести к разнозернистости феррита либо формированию грубых областей верхнего бейнита вместо ферритно-перлитной структуры или структуры гранулярного бейнита вследствие повышения устойчивости крупнозернистого аустенита.
Одна из технологических схем производства проката для электросварных труб большого диаметра — прокатка с завершением деформации в (γ+α)-области. При деформации в (γ+α)-области в феррите наблюдаются зерна полигонального типа с низкой плотностью дислокаций, а также деформированные зерна с повышенной плотностью дислокаций, в которых наблюдается формирование субзеренной структуры (полигонизация). Такой металл имеет своеобразный характер разрушения — в изломах ударных образцов наблюдаются «расщепления» — трещины небольшой глубины, расположенные перпендикулярно магистральной трещине и лежащие в плоскости прокатки. При прокатке с завершением в γ-области в феррите формируется многокомпонентная текстура; с понижением температуры окончания прокатки в (γ+α)-области в наибольшей степени усиливается ориентировка {100}, что и является основной причиной возникновения расщеплений, поскольку плоскость типа {100} является плоскостью скола в металлах с ОЦК-решеткой.
При такой технологической схеме прокатки в стали формируется полосчатая ферритно-перлитная структура, при этом наблюдаются ферритные зерна двух видов: деформированные и равноосные с низкой плотностью дислокаций. Сталь после такой обработки характеризуется повышенной прочностью и хладостойкостью, при этом также повышается анизотропия свойств. Металл характеризуется низкой стойкостью к сероводородному растрескиванию.
В современных высокопрочных низколегированных сталях после термомеханической прокатки и последующего охлаждения в различных температурных интервалах обычно формируется смесь разнообразных фаз и структурных составляющих: полигональный феррит, квазиполигональный феррит, бейнитный феррит различных типов, мартенсит или составляющая М/А. Влияние второй фазы (структурной составляющей) на свойства сплава зависит от ее объемной доли, размера частиц, свойств и ряда других факторов. Так, при малой доле более твердой фазы основная деформация (особенно при малых степенях деформации) протекает в мягкой матрице, хотя в некоторой степени процесс происходит и вокруг участков второй фазы. В связи с этим вторая фаза в виде относительно крупных частиц оказывает меньшее влияние на сопротивление малым деформациям.
Для повышения однородности структуры по сечению проката можно использовать воздействие на вид диаграммы превращения при непрерывном охлаждении (применении оптимальной системы легирования стали): расширение области бейнитного превращения, что приводит к формированию более однородной структуры в широком интервале скоростей охлаждения и повышению равномерности структуры по сечению проката.
При низких температурах конца прокатки по толщине листа наблюдается заметное изменение структуры. Оно носит сложный характер и включает изменение размера зерна, количества структурных составляющих и текстуры. Поэтому некоторые локальные значения свойств, таких как критическое напряжение скола, трудно связать с одним структурным параметром, например размером зерна. Более того, неоднородная структура по толщине листа может приводить к появлению значительных остаточных напряжений, что усложняет поведение металла при последующем деформировании (и эксплуатации).
Неоднородное распределение свойств по толщине проката должно приниматься во внимание при производстве труб. Более высокие остаточные напряжения и более существенное снижение прочностных свойств (по сравнению с листом с однородной структурой) были обнаружены в листе с неоднородной структурой и свойствами. Допустимая неоднородность структуры по сечению проката зависит от исходной структуры аустенита — свойств бейнита; содержания углерода — типа бейнита; требований и назначения проката. В целом степень неоднородности обычно регулируется путем ограничения скорости охлаждения и снижения углеродного эквивалента материала.
Структура по сечению проката может быть неоднородной вследствие пониженной прокаливаемости низколегированных сталей. В работах развивается идея создания «конструктивной анизотропии». В них обоснованы целесообразность формирования в сечении проката градиента структур — от закалочных (у поверхности) до продуктов диффузионного распада аустенита (в средней части сечения проката), а также преимущество комплекса механических свойств проката с такой структурной неоднородностью по сравнению со структурной неоднородностью в горячекатаном состоянии.
Однородные и неоднородные структуры

При изменении соотношения структурных составляющих изменяются вид диаграммы напряжение-деформация (рис. 3.45), коэффициент деформационного упрочнения, проявление эффекта Баушингера, прочностные свойства, вязкость.
Рассмотрение взаимосвязи неоднородности структуры со свойствами позволяет сделать ряд заключений:
— полосчатость — наиболее распространенная неоднородность структуры с точки зрения свойств приводит к анизотропии, пониженной стойкости к сероводородному растрескиванию;
— осевая ликвационная неоднородность — обусловливает пониженную стойкость к сероводородному растрескиванию, ухудшение свариваемости, снижение свойств в Z-направлении;
— неоднородность структуры по сечению — приводит к остаточным напряжениям;
— при смешанной структуре изменяется тип диаграммы напряжение-деформация, наблюдается отклонение от заданного комплекса свойств;
— разнозернистость — приводит к ухудшению хладостойкости;
— текстура обусловливает особый характер разрушения, повышение хладостойкости, увеличение анизотропии свойств.
Механизмы устранения неоднородности структуры:
— полосчатость структуры — повышение скорости охлаждения снижает полосчатость; при завершении деформации в (γ+α)-области и последующем ускоренном охлаждении происходит замена перлита на бейнит с сохранением полосчатости;
— осевая ликвационная неоднородность уменьшается при снижении содержания углерода, марганца и с помощью технологических приемов (мягкое обжатие и др.);
— неоднородность структуры по сечению (смешанная структура) устраняется путем воздействия на фазовые превращения;
— разнозернистость уменьшается при правильном выборе режима деформации;
— кристаллографическая текстура определяется режимом прокатки.
Какую же структуру трубной стали считать оптимальной? Это зависит от требований, которые очень сложны и часто противоречивы: прочность, вязкость, хладостойкость, свариваемость, трещиностойкость, деформируемость (сейсмические районы, вечная мерзлота), стойкость в среде H2S и других с учетом класса прочности и размерного сортамента.
Приведем примеры, как целенаправленного формирования неоднородных структур, так и попытки повышения однородности структуры.
Формирование и эффект неоднородных структур:
— перлит в ферритной матрице (повышение σв, снижение соотношения σт/σв);
— деформированный и полигонизованный феррит с выраженной кристаллографической текстурой (деформация в (γ+α)-области) — повышение хладостойкости за счет особого характера разрушения с формированием расщеплений в изломе, повышение прочностных свойств; расположение структурных составляющих в виде полос;
— двухфазная ферритно-бейнитная (мартенситная) структура для улучшения деформируемости (снижение σт/σв, повышение деформационного упрочнения, высокое равномерное удлинение);
— феррит деформированный, расположение структурных составляющих в виде полос.
Устранение неоднородности структуры и результат этого:
— снижение осевой сегрегационной неоднородности — улучшение сплошности проката (по результатам УЗ-контроля), свариваемости, стойкости в среде сероводорода, снижение анизотропии свойств;
— устранение полосчатости — стойкость в среде сероводорода, вязкость, трещиностойкость, снижение анизотропии свойств;
— устранение участков М/А — повышение вязкости, трещиностойкости, стойкости в среде сероводорода (рис. 3.46, а);
— устранение грубых участков верхнего бейнита (формирование однородной структуры гранулярного бейнита) — получение высокой прочности и вязкости (см. рис. 3.46, в);
— формирование однородной структуры нижнего бейнита: получение сверхвысокой прочности стали (Х120) и вязкости (см. рис. 3.46, г);
— общее повышение однородности структуры — улучшение трещиностойкости и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением.
Однородные и неоднородные структуры