» » Стали класса прочности X100
24.01.2015

Сегодня сталь класса прочности Х80 уже производится многими металлургическими компаниями. Следующий шаг — сталь класса прочности Х100 (хотя существует и Х90). Требования к сталям классов прочности выше L690 (Х100) были установлены в стандарте ISO 3183:2007(Е): предел текучести 690-840 Н/мм2, временное сопротивление 760-990 Н/мм2, относительно требований по вязкости полной ясности пока нет.
Разработка стали Х100 в целом основана на концепции производства стали Х80 с повышенным содержанием молибдена, никеля и меди, т.е. элементов, задерживающих (γ-α)-превращение и повышающих прокаливаемость стали, и другим режимом ускоренного охлаждения. При переходе от стали состава Х80 к стали X100 ферритно-бейнитная структура должна измениться практически на полностью бейнитную. В табл. 4.18 приведены типичные композиции составов опытных сталей X100 различных производителей 90-х годов XX в.
Были изготовлены и успешно испытаны трубы размерами 30"х19,1 мм класса прочности Х100, предназначенные для работы под давлением свыше 150 атм. Сталь содержала 0,07% С, 0,20% Si, 1,90% Mn, 0,30% Mo, 0,20% Cu, 0,20% Ni, 0,05% Nb, 0,015% Ti; механические свойства основного металла трубы были следующие: σт = 740 МПа, σв = 795 МПа, δ5 = 18,5%, KV (при -20 °С) = 235 Дж, DWTT (85% волокна) ≤ -15 °C. Применение более интенсивного охлаждения после термомеханической прокатки позволяет получить при данном химическом составе более высокое временное сопротивление. Приведенный выше химический состав стали предотвращает образование полигонального феррита, когда скорость охлаждения после термомеханической прокатки составляет 20 °С/с. Как правило, охлаждение прерывается при температуре около 500 °С. Получаемая при этом микроструктура полностью бейнитная, а временное сопротивление составляет около 800 Н/мм2. При более интенсивном охлаждении со скоростью, например, 35-50 °С/с и более низкой температуре прекращения охлаждения (около 200 °С), т.е. ниже температуры мартенситного превращения, окончательная микроструктура состоит из более дисперсного бейнита с небольшой долей мартенсита. В этом случае временное сопротивление составляет свыше 850 Н/мм2 даже при очень низкой величине Pct (~0,19). В табл. 4.19 приведены альтернативные варианты обеспечения комплекса свойств, соответствующего классу Х100, при более экономичном легировании за счет применения охлаждения с прокатного нагрева со скоростью ~50 °С/с.
Ю.Д. Морозов, О.Н. Чевская и автор в 90-х годах провели лабораторные исследования по изысканию состава и технологических схем производства проката класса прочности Х100. Была предпринята попытка использовать наиболее экономничный и дешевый состав стали. Химический состав двух плавок приведен в табл. 4.20. Слитки опытных сталей были нагреты до 1150 °C и прокатаны на лабораторном стане в лист толщиной 11 мм; температура окончания прокатки составляла 770-800 °С, после чего прокат был подвергнут ускоренному охлаждению до 410-450 °С. Плавка № 1 системы легирования Mn-Nb-Mo-B с низким содержанием углерода была прокатана с завершением деформации вблизи точки Ar3 и охлаждена со скоростью примерно 30 °С/с до 410 °С. Химический состав плавки № 4 близок к составу плавки № 1, отличается повышенным содержанием углерода — 0,06%; прокатка проведена при более высоких температурах в аустенитной области и при более мягком охлаждении — со скоростью 20 °С/с до 450 °С. Прочностные свойства опытных плавок приведены в табл. 4.21. Из приведенных данных видно, что свойства проката удовлетворяют предъявляемым требованиям.
При исследовании вязкости и хладостойкости получены следующие результаты. Плавка № 1 характеризуется весьма высоким уровнем ударной вязкости во всем исследованном интервале температур испытания. Ударная вязкость сохраняется на уровне более 170 Дж/см2 до температуры испытания -60 °С. Доля вязкой составляющей в изломе ударных образцов до температуры испытания -40 °C составляет 100%, далее снижается до 50-55% при температуре -80 °С.
Абсолютный уровень ударной вязкости металла плавки № 4 ниже, чем у плавки 1, особенно в интервале температур испытания ниже -20 °С. По сопротивлению хрупкому разрушению плавка № 4 также несколько уступает плавке № 1: полностью вязкий характер разрушения наблюдается до температур испытания -20 °С.
В структуре образца плавки № 1 видны границы исходных вытянутых в направлении прокатки аустенитных зерен. Внутри аустенитных зерен наблюдаются реечные кристаллы бейнитного феррита с высокой (~10в10—10в11 см 2) плотностью дислокаций, собранные в пакеты. В образце плавки № 4 кроме бейнита в структуре наблюдался мартенсит. Эти результаты явились основой для дальнейшей оптимизации состава и технологии.
Итак, идея понятна: необходимо получить бейнитную структуру и путем оптимизации состава стали и режима термомеханического контролируемого процесса сбалансировать комплекс свойств. При этом важно решить вопрос: какая бейнитная структура необходима?
В работе были исследованы два состава стали, которые выплавлены и прокатаны в промышленных условиях Dillinger Hiittenwerke. Первая сталь имела соответствующий классу прочности Х100 типичный состав (табл. 4.22), к которому за последнее десятилетие пришли практически все металлургические компании, вторая сталь содержала микродобавку бора.
Стали класса прочности X100

Стали класса прочности X100

После термомеханической прокатки с последующим ускоренным охлаждением предел прочности первой стали составил 810 Н/мм2, работа удара по Шарпи (KV) 300 Дж при -30 °С. В структуре преобладал иррегулярный феррит с распределенными между зернами вторыми фазами, также наблюдали пластинчатый бейнитный феррит. Были выявлены два типа второй структурной составляющей в микроструктуре: островки М/А и более крупные зерна бейнита. Работа удара по Шарпи при вязком разрушении составила около 300 Дж и более 260 Дж при температуре испытания до -50 °С. Температура перехода (по 85% вязкой составляющей в изломе образцов DWTT) составила -30 °С. Исследования показали, что снижение температуры окончания ускоренного охлаждения приводит к повышению прочности и снижению вязкости стали, причем изменение свойств достаточно резкое, поэтому технологическое окно, обеспечивающее требуемый комплекс свойств, относительно узкое.
Попытка установить связи «структура-свойства» привела к двум выводам:
— прочность стали коррелирует с долей островков М/А в микроструктуре;
— снижение вязкости при понижении Tко связано с повышением доли реечного бейнитного феррита с мартенситом и участками М/А на границах реек и формированием мартенсита между зернами иррегулярного (неполигонального) феррита.
Для стали 2 (см. табл. 4.22) с микродобавкой бора использовали две технологические схемы, отличающиеся режимом чистовой прокатки, что привело к существенным изменениям вязкости без изменения прочности. При обработке по первому режиму структура состояла из реечного бейнитного феррита с некоторой долей иррегулярного феррита, углы разориентировки между рейками бейнитного феррита были характерны для верхнего бейнита. Участки второй фазы представляли собой цементит по границам реек и в некоторой степени внутри кристаллов феррита. Составляющая М/А присутствовала в виде маленьких островков между зернами иррегулярного феррита. Второй (оптимизированный) режим привел к изменению структуры: наблюдали преобладание ультрамелких зерен феррита размером меньше 1 мкм, они пересекали границы исходных зерен аустенита, вторая составляющая в основном состояла из тонких островков М/А. Авторы объяснили это механизмом DIFT (инициированное деформацией ферритное превращение), что обусловлено значительными деформациями и менее интенсивным охлаждением (рис. 4.37). Временное сопротивление в обоих случаях было равно 850 Н/мм2, предел текучести в первом случае — 780 Н/мм2, во втором — 740 Н/мм2, работа удара при -30 °C — 40 и 200 Дж соответственно.
Если сопоставить структуры сталей Х100, произведенных различными компаниями, то они близки и представляют собой бейнит — в основном гранулярного типа (рис. 4.38).
Стали класса прочности X100

В работе приведены результаты исследования структуры промышленной стали (компании POSCO) класса прочности Х100 примерно такого же базового состава, мас. %: 0,05~0,07 С; 0,25 Si; ≤ 2,0 Mn; ≤ 0,01 Р; ≤ 0,001 S; Mo, Ni, Cu, Ti, Nb, V — микродобавки; C3 = 0,46~0,48. Механические свойства основного металла труб были следующие: σт = 743 Н/мм2, σв = 844 Н/мм2, работа удара КV~20 = -220 Дж, доля вязкой составляющей в изломе образцов DWTT20 = 100%.
EBSD анализ показал, что распределение разориентировок границ в структуре (рис. 4.39) свидетельствует о том, что она состоит из смеси гранулярного и верхнего бейнита.
Стали класса прочности X100

Благоприятная микроструктура стали и соответствующий комплекс механических свойств класса прочности X100 достигаются оптимальной комбинацией легирующих элементов и специально разработанными режимами ТМСР. Структура бейнита в таких сталях формируется благодаря легированию элементами, тормозящими ферритное превращение, обычно это повышенное содержание Mn (до ~2,00%); добавки Mo, Ni, Cr, Cu, Nb эффективно увеличивают объемную долю бейнита. Увеличение содержания Nb в такой стали от 0,02 до 0,10% дает непрерывное увеличение предела текучести и временного сопротивления; при интенсивном ускоренном охлаждении предел текучести возрастает на 125 Н/мм2, при прямой закалке — на 185 Н/мм2; наблюдается и соответствующее увеличение временного сопротивления — на 130 и на 75 Н/мм2 соответственно.
Для стали с содержанием примерно 1,90% Mn лучшее сочетание свойств с временным сопротивлением более 800 Н/мм2 и работой удара при -40 °C более 250 Дж получено при применении интенсивного ускоренного охлаждения. Более высокие скорости охлаждения, достигаемые при прямой закалке (≥ 50 °С/с), приводили к явному понижению ударной вязкости. Доминирующая микроструктура при интенсивном ускоренном охлаждении — гранулярный бейнит, состоящий из очень мелкого нерегулярного феррита с небольшим количеством реечного феррита и с мелкими участками М/А и зерен бейнита. Более высокие скорости охлаждения увеличивали количество реечного бейнитного феррита с малоугловыми границами между рейками и второй фазой. В результате, как уже было сказано выше, понижалась ударная вязкость.
Стали класса прочности X100

В работе приводятся результаты исследований промышленной партии проката и труб из стали X100. Листы толщиной 16,6 и 18,4 мм были произведены на прокатных станах компаний Dillinger Hiitte и Mannesmannrohren Miilheim. Химический состав стали производства Dillinger Hiitte, мас. %: 0,06 С; 1,90 Mn; 0,04 Nb; 0,02 Ti; 0,004 N; кроме того, сталь содержала V, Mo, Ni, Cu, Si; C3 = 0,48. Структура проката приведена на рис 4.38. Технология производства базировалась на имеющемся опыте и ранее произведенных исследованиях и разработках. Основной металл труб (с толщиной стенки 18,4 мм) имел следующие свойства (в среднем): σт = 764 Н/мм2, σв = 815 Н/мм2, δ5 = 17,5%, KV-10 = 248 Дж, доля вязкой составляющей в изломе образцов DWTT10 = 93%.
Компания JFE, имея технологию НОР, произвела прокат и трубы из стали класса прочности Х100 следующего состава, мас. %: 0,07 С; 0,2 Si; 2,0 Mn; 0,02 Nb; 0,001 S; другие элементы — Mo; Ni; Cu; Ti. Это трубы с высокой деформационной способностью и повышенной стойкостью к деформационному старению. Сталь имела структуру бейнита с дисперсными частицами М/А (рис. 4.40). Основной металл труб имел следующие свойства (в среднем): σт = 693 Н/мм2, σв = 843 Н/мм2, равномерное удлинение в продольном направлении составляло 6,5%. Деформационная способность труб сохранялась после нанесения покрытия, что обусловлено уменьшением количества диффузионно-способного углерода за счет применения НОР.
Опытные партии проката и труб класса прочности X100 были изготовлены практически всеми ведущими металлургическими компаниями. Сортамент опытных партий труб класса прочности X100 приведен ниже:
Стали класса прочности X100

Трубы из стали класса прочности X100 были применены на опытных участках трубопроводов в Канаде:
— Westpath (диаметр 48", длина 1 км, 2002 г.);
— Godin Lake (диаметр 36", длина 2 км, 2004 г.);
— Stittsville (диаметр 42", длина 5 км, 2006 г.).
Трубы были поставлены компанией JFE; средний химический состав стали, мас. %: 0,06 С, 0,11 Si, 1,86 Mn, 0,008 Р, 0,001 S, 0,27 Cu, 0,13 Ni, 0,04 Cr, 0,22 Mo, 0,04 Nb, 0,01 Ti.
Основной металл труб, использованных для проекта Westpath, имел следующие свойства (в среднем): σт = 779 Н/мм2, σв = 851 Н/мм2, δ2'' = 22%, KV-5 = 241 Дж, доля вязкой составляющей в изломе образцов DWTT-5 = 100%.
Вопрос промышленного производства сталей класса прочности Х100 можно считать решенным. Однако их применение может быть ограниченным, если не будут выявлены и глубоко поняты важные аспекты, связанные с их конструктивной надежностью: допуски по дефектам, вязкохрупкий переход и способность к остановке трещины.
Определение значений ударной вязкости, требуемых для остановки распространения вязкого разрушения, исторически основано на использовании моделей в форме прогнозирующих уравнений, которые устанавливают минимальное требуемое значение работы вязкого разрушения образца Шарпи в зависимости от геометрии трубы, так и от приложенного окружного напряжения. Эти полуэмпирические прогнозные соотношения были разработаны с использованием сочетания теоретического анализа и данных натурных испытаний. Метод «двух кривых Баттеля» (Batelle Two Curve approach) является наиболее признанным прогнозирующим методом вплоть до трубопроводов из стали класса прочности Х80, если вводится соответствующий поправочный коэффициент для труб более высоких классов прочности. Этот метод основан на сравнении движущей силы и силы сопротивления:
— движущая сила представлена кривой декомпрессии газа и поэтому зависит от начального давления газа, температуры и химического состава;
— сила сопротивления зависит от геометрии трубопровода, внешних ограничений и сопротивления трубы развитию вязкой трещины, специфического для рассматриваемой стали и связанной с ней ударной вязкости.
Этот подход предполагает, что поведение газа при декомпрессии и динамическое распространение трещины — процессы, которые могут быть связаны через скорость распространения трещины и разрушения трубопровода. Это дает минимальную работу разрушения образца Шарпи при температуре выше порога хладноломкости, которая гарантирует, что распространение разрушения будет остановлено.
Фактически применение такого анализа для стали Х100, работающей при очень высоком окружном напряжении (~ 550 МПа), очень сомнительно: в последние годы стало очевидным, что диапазон применимости этого полуэмпирического метода ограничен экспериментальной базой данных и упрощением, использованным для установления приемлемых уравнений. В то же время теперь признано, что работа вязкого разрушения образца Шарпи не может быть использована как адекватная характеристика сопротивления разрушению современной высокопрочной высоковязкой трубной стали Х100. Поведение при разрушении этого нового материала лежит вне области, охваченной существующими экспериментальными данными и «ноу-хау», следовательно, экстраполяция ненадежна. Преодолению этой трудности посвящены программы полномасштабных и лабораторных испытаний, проведенных многими научно-исследовательскими центрами,
Стали класса прочности X100

Результаты полигонных испытаний (рис. 4.41) показали, что в целом характеристики сопротивления разрушению труб большого диаметра X100 являются удовлетворительными, хотя предотвращение распространения вязкого разрушения предполагалось осуществлять «конструктивным» способом. Можно утверждать, что трубы большого диаметра класса прочности X100 при распространении вязкого разрушения «работают» на верхней границе условий остановки распространения трещины. Поэтому в самых серьезных случаях требуется дополнительная механическая вставка для обеспечения безопасной остановки распространения трещины (рис. 4.42). Ударная вязкость образцов Шарпи не соответствует реальному сопротивлению трубы процессу распространения вязкого разрушения, которое наблюдается в условиях полномасштабного испытания на разрушение внутренним давлением.
Стали класса прочности X100

Итак, получение проката класса прочности X100 обычно осуществляется в рамках развития подхода к производству стали класса прочности К65 (Х80); фактически это выражается в более тонком управлении фазовыми превращениями за счет оптимального легирования и совершенствовании режима ускоренного охлаждения. Целевой структурой является бейнитная (преимущественно гранулярный бейнит). Такой подход приводит к тому, что в стали несколько повышаются содержание марганца и суммарное содержание Cr, Ni, Mo и Cu от 0,6-0,7%, характерного для стали Х80, до ~0,8%.
Первые опыты показали возможность производства труб класса прочности XlOO в ОАО «ВМЗ»: при требуемом уровне прочностных свойств основного металла труб с толщиной стенки 19,8 мм относительное удлинение δ2'' составило 31-35%, ударная вязкость KCV-20 ≥ 260 Дж/см2, доля вязкой составляющей в изломе образцов для ИПГ при температуре испытания -20 °C ≥ 95%.