4.3.4. Наклеп и деформационное старение

При изготовлении элементов конструкций часто неизбежен наклеп (пластическое деформирование), который в состоянии вызвать существенное изменение свойств, прежде всего повышение прочностных (а0 2, в меньшей степени ав) и снижение пластических (6, Ф) свойств.

При изготовлении барабанов котлов высокого давления металл на наружной и внутренней поверхностях имеет наклеп 5...9% [88].

Степень охрупчивания сталей СтЗпс и 17ГС возрастает с ростом степени пластической деформации ер (рис. 4.14) [89]. Темп охрупчи-

Рис. 4.14. Влияние ?р(1, 4), последующего старения (2, 5) и наводороживания (3, 6) на Т50 для сталей ВСтЗсп (1-3) и 17ГС (4-6)

вания обеих сталей практически одинаков и при ер = 5% составляет 4,0...4,4 °С/%. Подобный характер охрупчивания сталей свойствен свариваемым сталям с ферритой и феррито-перлитной структурой.

Присутствие в ферритой матрице сталей высокоподвижных атомов углерода и азота приводит к их взаимодействию с дислокациями. В результате вокруг последних возникает повышенная плотность распределения внедренных атомов, а также формирование на дислокациях предвыделений карбидов и карбонитридов. Эти процессы протекают даже при комнатной температуре, приводя к ограничению подвижности дислокаций и закреплению их на местах. Такой вид охрупчивания стали получил название естественного деформационного старения.

Таблица 4.4.

Эффект деформационного старения в значительной степени зависит не только от степени пластической деформации, но и от температуры старения (табл. 4.4). Этот вывод справедлив и в отношении низколегированной стали 10ХСНД (толщиной 40 мм) стандартного состава после электрошлакового переплава [90]. Исходное состояние стали: закалка в воде от 950 °С и отпуск при 670 °С. Пластическую деформацию с ер=3, 6, 9 и 12% осуществляли растяжением плоских заготовок размером 30x40x600 мм. Старение стали после наклепа проводили при 350-550 °С в течение 1, 3 и 6 ч.

Из табл. 4.4 следует, что в изученном интервале температур Т50 стали 10ХСНД слабо зависит от температуры старения. Наибольшее повышение Т50 (на 30°С) по сравнению с исходным состоянием соответствует 1-ч старению поверхностных образцов (в пределах lt;12 мм слоя от поверхности листа) при 450°С, а срединных (в пределах не ближе 15 мм от поверхности листа) - при 350°С. Прирост Т50 в результате старения при 350-450°С близок по величине к приросту Т50 после деформации Ер = 9%.

Повышение температуры старения способствует более интенсивному развитию процессов возврата, увеличению диффузионной подвижности атомов углерода и коагуляции карбидных частиц, облегчая разблокирование дислокаций. В процессе старения стали 10ХСНД при 350°С возврат протекает еще довольно слабо, тогда как при 450°С через 100 ч уровень упругих деформаций по результатам рентгеноструктурного анализа [91] становится близким к его уровню до наклепа. Деформационное охрупчивание стали 10ХСНД в интервале 350-550°С практически не сопровождается (за 1-6 ч старения) развитием межзеренной хрупкости. Охрупчивание полностью обусловлено повышением внутри зерен феррита плотности дислокаций при наклепе.

Согласно ГОСТ 7268- 82, о склонности стали к деформационному (механическому) старению судят по величине ударной вязкости при заданной температуре (обычно комнатной) после холодной деформации на 10% и отпуска при 250°С в течение 1 ч. Под влиянием механического наклепа и последующего температурного воздействия температурные зависимости ударной вязкости и доли волокна в изломе смещаются в сторону положительных температур на Д Тк. При этом ударная вязкость на верхнем шельфе темпера-

турной зависимости KCU = ffT^) уменьшается на величину AKCUmax (рис. 4.15). Требования по механическому старению стали в действующие нормы по проектированию стальных конструкций вводились с целью гарантировать стабильность микроструктуры и свойств стали при разных технологических и эксплуатационных воздействиях, включая вальцовку обечаек, подгибку кромок, сварку и т.д.

В табл. 4.5 приведены результаты исследования влияния деформационного старения на охрупчивание углеродистой горячекатаной кипящей, полуспокойной и спокойной стали ВСтЗкп, ВСтЗпс, ВСтЗсп (о0 2 = 230-^270 МПа, толщина листа h — 10-j-40 мм), низколегированных горячекатаных 09Г2С, 09Г2Т, 09Г2ДТ, 10Г2С1 и 15ГС (а0 2 = 310-370 МПа), низколегированных нормализованных мелкозернистых 14Г2АФ, 16Г2АФ и 18Г2АФ (а0 2 = 390 н- 520 МПа) [92].

1ГГТТтах — ИТТТтах = KCUhcx KlUcTap ш

KCUh“

Несмотря на значительное рассеяние экспериментальных данных, из табл. 4.5 следует, что наклеп и последующее старение вызывают существенное охрупчивание стали, имеющее близкие значения для сталей с разными уровнями прочности. Не выявлено систематического влияния на характеристики старения толщины проката, способа выплавки (мартеновская, кислородно-конвертерная, электропечная). Столь схожее влияние деформационного старения на охрупчивание феррито-перлитных сталей обусловлено тем, что их основной структурной составляющей является феррит, и именно его пластическая деформация протекает практически одинаково во всех исследованных составах. Повышение предела текучести за счет пластической деформации приблизительно в четыре раза превышает упрочнение, обусловленное отпуском (старением), т.е. за счет закрепления дислокаций атомами углерода и азота (дисперсионного твердения) (табл. 4.6 и 4.7.).

Для определения склонности стали к деформационному старению используют наклеп растяжением на 8 -г-10% (или сжатием на 7%)

Таблица 4.5. Влияние механического старения на смещение температуры хрупкости и снижение ударной вязкости*
cellpadding="0">

Стали

АТ’ксбо

Ф

А-^ксбО»

S,0 С

V,%

п

ДПоgt; °с

s,° С

V,%

п

Ф,%

s,°c

V,%

п

Углеродистые: ВСтЗкп ВСтЗпс ВСтЗсп

40+5,8

11,5

29

15

29+9,4

18,5

64

15

30+3,2

6,3

21

15

46

-

-

5

44

-

-

2

28

-

-

5

37+5,0

9,9

27

15

36+6,2

11,8

33

14

31+3,5

6,8

22

15

Низколегированные: повышенной прочности (09Г2С,09Г2Т,09Г2ДТ, 10Г2С1, 15ГС и др.)

высокопрочные (14Г2АФ, 16Г2АФ, 18Г2АФ)

37+5,8

38+5,8

12,5

18,9

34

37

18

40

31+9,0

27+2,8

19,0

8,9

61

35

17

40

35+4,2

32+2,1

9,2

6,8

26

21

18

40

Для всей совокупности

40+2,6

13,0

33

93

33+2,9

13,8

43

88

31+1,5

7,5

24

93 Примечание: АТ50, А7'кс50, ср - средние значения; S - среднеквадратическое отклонение; V - коэффициент вариации; п - количество определений.

Таблица 4.6. Влияние предварительной деформации и отпуска на повышение предела текучести сталей

Таблица 4.7.

с последующей 1-ч выдержкой при 250°С. Эти нормы оценки качества стали на образцах типа 1 по ГОСТ 9454-78 с точки зрения ее склонности к деформационному старению закреплены ГОСТ 7268-82. Требования к ударной вязкости после деформационного (механического) старения содержатся в ГОСТ 27772-88 для строительных сталей.

Термический цикл сварки вызывает в околошовной зоне пластическую деформацию, степень которой зависит от толщины свариваемых элементов и режимов сварки. По крайней мере для низкоуглеродистых и низколегированных сталей при штатной технологии сварки степень пластической деформации в среднем составляет 8 + 10%. Естественно, металл в зоне пластической деформации подвергается состариванию.

В современной научно-технической документации учитывается возможное охрупчивание стали в результате наклепа и последующего деформационного старения. Так, согласно ПБ 03-381-00 [93], для вертикальных сварных резервуаров рулонной сборки расчетная критическая температура хрупкости листовой стали толщиной gt;10 мм принимается на 5 °С выше, чем для проката меньшей толщины. Это связано с тем, что сворачивание и разворачивание рулонов стали толщиной gt;10 мм неизбежно вызывает наклеп ее поверхностных слоев.