ВЛИЯНИЕ НА СТРУКТУРНОТО И СУБСТРУКТУРНОТО СЪСТОЯНИЕ НА ТОПЛОУСТОЙЧИВА СТОМАНА 12Х1МФ ВЪРХУ НЕЙНИТЕ МЕХАНИЧНИ И ЕКСПЛОАТАЦИОННИ КАЧЕСТВАСтомана 12Х1МФ е топлоустойчива стомана от перлитен клас. Легиращите елементи участват във формирането на твърдия разтвор на ферита и карбидната фаза на перлита и под формата на дисперсни карбиди в зърната на ферита. Това повишава устойчивостта срещу пълзене и окисляване на стоманата като цяло. Именно тези дисперсни карбиди определят в известна степен и метастабилния характер на това структурно състояние. При повишени температури протича интензивна коагулация и сфероидизация на карбидите, в резултат на което степента на легираност на ферита намалява. При това се влошава устойчивост срещу окисляване от една страна, а от друга, с уедряване на карбидната фаза се нарушава блокиращото й действие върху дислокациите, с което се понижават механичните свойства и се ускорява процеса на пълзене.
Стомана 12Х1МФ се експлоатира в структурно състояние, получено след термична обработка нормализация от 980-1000 оС и отвръщане при температури от 650-750 оС в продължение на 2-3 часа [1,2]. Структурата на 12Х1МФ след термообработка е легиран ферит и перлит (фиг.2а), включваща и карбиди на легиращите елементи Cr и V. Хромовите и ванадиевите карбиди се получават при нормализацията и най-вече в последващия процес на отвръщане като много фини отделяния във феритните кристали, които металографски не могат да бъдат идентифицирани. Именно те обуславят дисперсното твърдеене на стоманата. Другият легиращ елемент, Мо, се разтваря изцяло във феритните кристали. Този вид структура се характеризира с две основни качества:
- повишена топлоустойчивост (устойчивост срещу корозия), базираща се на легирания с Мо ферит;
- съхраняване на висока топлинна якост и стабилност на границата на провлачване, осигуряващи високата устойчивост на пълзене, което е следствие на дисперсните карбиди във ферита.
Най-оптималната структура, която следва да се получи след нормализация е бейнит (фиг.1). След отвръщане при 7200С бейнитът се превръща в едроиглест соорбит. Допуска се в структурата на нормализираната стомана да се получи наред с бейнита и ферит, първично отделен от аустенита, и перлит. Нарастването на перлита в структурата влошава нейните качества, тъй като се намалява количеството на бейнита и степента на пресищане на ферита, фази от които се отделят дисперсните карбиди в процеса на отвръщане на стоманата. Освен това образуването на цементит като структурна съставка на перлита повишава термичната нестабилност на структурата, понеже тази фаза е склонна към коагулация и разпадане до графит. Подбраните за тази стомана легиращи елементи и цикъл на термична обработка регламентират получаването на стабилна структура с устойчиви при работна температура карбиди, непозволяващи протичането на графитизация на стоманата-процес характерен за стоманите легирани с молибден [3]. Най-устойчиви в това отношение са карбидите от типа МеС, а най-неустойчиви, карбидите от типа Ме3С [1].
Изхождайки от горепосочените кинетични варианти на формирането на структурата на стоманата в условията на нормализация и последващо високо отвръщане, следва да се очаква различно поведение на стоманата в реално време на нейната експлоатация. Вероятните процеси и събития, които биха причинили аварии вследствие изменение на структурата и механичните свойства на стоманата в процеса на работа са:
- интензивна корозия, причиняваща силно намаляване на сечението на детайлите;
- коагулация и сфероидизация на карбидите при продължителна експлоатация;
- ускорена коагулация и сфероидизация на карбидите в следствие на експлоатация на материала при температури над пределно допустимите за него, макар и за кратко време;
- разтваряне на карбидите при прегряване над критичната точка Ас1 (премахване на дисперсното твърдеене);
- графитизация поради разпадане на карбидите.
Изброените процеси не трябва да се разглеждат изолирано един от друг, тъй като някои от тях могат да протичат паралелно или да се взаимообуславят.
Измененията в микроструктурата на стоманата при прегряване до различни температури показват, че до 650оС, не настъпват съществени промени в състоянието на карбидите спрямо изходната структура. При по-високи температури, в зависимост от степента на прегряване, в интервала 700-800оС се наблюдава все по-интензивно нарастване на перлитоподобните кристали (Фиг.2б). При по-малки степени на прегряване карбидите се отделят от ферита по границите на феритните кристали, като ширината им постепенно нараства, а при 800оС са обособени като почти равноосни кристали от ферито- карбидни смеси (Фиг.2в). Това показва ,че при нагряване до тази температура (превишаваща Ас1 за тази стомана -760оС) започва превръщането на ферита в аустенит в който се разтварят голяма част от карбидите. При охлаждане тези кристали се разпадат на перлитоподобни смеси.
а) след охлаждане със скорост близка до оптималната; б) след охлаждане със скорост по-малка от тези в допустимите граници или при прегряване над допустимите температури на отвръщане; в) след продължителна работа при по-високи експлоатационни температури - коагулацията на карбидите.
Феритът след нормализация и последващо високо отвръщане е с особена субструктура, характеризираща се с определена напрегнатост на решетката от дисперсно отделените от него карбиди. Това определя повишената твърдост, висока граница на пропорционалност и съхранението й при температурата на експлоатация на стоманата. Свидетелство за това е по-голямото разширение на дифракционните максимуми на тази фаза и повишения й параметър вследствие наличието на легиращи елементи разтворени в нея. В резултат на продължителна експлоатация или кратковременно прегряване на стоманата това субструктурно състояние се разрушава, карбидната фаза коагулира и се намалява рентгеновото разширение и параметъра на решетката (фиг.3). Карбидите основно са от типа Gr7C3 и се отделят по границите на феритните зърна (фиг.4)
след продължителна експлоатация
Следва да се отбележи, че с нарастване на степента на прегряване над максимално допустимата работна температура, силно нараства и дълбочината на обезвъглеродения повърхностен слой. Този слой вероятно обеднява не само на въглерод, но и на легиращи елементи, а това от своя страна понижава силно корозионната му устойчивост. Може да се очаква в този обезвъглероден слой да протекат интензивни корозионни процеси, свързани с изграждането на дебела кора от железни окиси (фиг.5). При работна температура над 560оС, освен сравнително плътните и защитаващи от следваща корозия окиси от типа Fe3O4 и Fe2O3, в окисната кора ще присъства и порестия FeO, при което корозията ще протича с още по високи скорости. Това би довело до силно намаляване на действителното метално сечение на детайлите и рязко влошаване на механичните свойства (фиг.6), което от своя страна вече е предпоставка за възникване на авария.
а) окисен слой по външната повърхност на тръбата; б) интеркристална корозия.
Изводи: 1. Авариите възникващи в енергетичните съоръжения от 12Х1МФ могат да бъдат в резултат на всяка една от гореспоменатите причини или комбинация от тях. Най-често влошаването на механичните характеристики поради коагулация на карбидите е съчетано с намаляване на площта на напречното сечение на изделията, предизвикано от интензивна повърхностна, а понякога и интеркристална корозия.
2. Наличието на пет бала допустими структури след термична обработка при производството на изделия от 12Х1МФ, обуславящи различна продължителност на експлоатация до възникване на авария, налага препоръката за провеждане на структурен анализ, като входящ контрол при доставка на този материал за създаването на енергетични съоръжения, който би бил в основата на една предварителна прогноза за качеството на стоманата и установяване на началното й структурно състояние, еволюцията на което в процеса на експлоатация ще послужи за по-достоверна оценка на остатъчния ресурс..
3. Наблюдаваните изменения в структурата и свойствата на изследваната стомана могат да се мултиплицират и към други перлитни топлоустойчиви стомани с карбидообразуващи легиращи елементи.Литература
1. Арзамасов Б.Н. и др. " Материаловедение", Машиностроение , Москва, 1986г.
2. Башнин " Технология термической обработки"
3. ТbIлкин М.А. " Справочник термиста ремонтной службbI" , Металлургия , Москва, 1981г.