СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРЫ КОТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ С ДРУГИМИ СВОЙСТВАМИ
1. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И ДРУГИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СТРУКТУРУ СТАЛЕЙ
Структура является одним из основных факторов определяющих механические свойства и жаропрочность стали. Структура стали определяется следующими основными показателями:
химическим и фазовым составом;
размерами зерна;
состоянием границ зерен;
формой и плотностью распределения избыточных фаз;
мозаичным строением зерна — размерами блоков я их ориентировкой.
Хром, молибден и ванадий являются основными легирующими добавками в малоуглеродистых низколегированных теплоустойчивых сталях перлитного класса. Рациональное соотношение основных легирующих элементов в стали позволяет получить металл с высокими жаропрочностью и длительной пластичностью.
Повышение содержания молибдена в стали повышает жаропрочность стали при условии, что большая его часть находится в твердом растворе в течение длительного срока службы. Для этого необходимо, чтобы основная часть углерода в стали была связана с другими легирующими элементами в стабильные карбиды.
С повышением содержания в стали ванадия резко увеличивается его содержание в карбидной фазе, что в свою очередь приводит к значительному уменьшению размера зерна и к повышению предела текучести, который достигает в сталях перлитного класса 40 кгс/мм. При этом повышается и предел длительной прочности. Состояние карбидной фазы определяет важнейшие физико-химические и механические свойства стали.
Огромное влияние на механические свойства стали оказывает степень однородности структуры, форма, дисперсность и взаимное расположение карбидных частиц, а также размер зерна.
Наследственный размер зерна оказывает косвенное влияние на механические свойства стали, в то время как действительный размер зерна оказывает значительное влияние на ударную вязкость и пластичность. Ударная вязкость в мелкозернистых сталях выше, как правило, чем в крупнозернистых.
Большое влияние на свойства стали оказывает характер распределения карбидов. Выделение карбидов по границам зерен обусловливает хрупкость стали. Равномерное распределение измельченных карбидов как в объеме зерна, так и на границах позволяет получать стали с высокими свойствами.
Химический состав стали, условия ее выплавки и термической обработки во многом определяют исходные свойства стали. Установлено значительное влияние тонкой структуры на уровень и стабильность жаропрочности. Главный фактор, определяющий структуру и свойства стали при постоянной температуре аустенизации и одинаковом режиме отпуска, — это скорость охлаждения от температуры аустенизации. От скорости охлаждения зависит степень дисперсности карбидов, во многом определяющих жаропрочность стали. Установлено [1], что наиболее важной характеристикой, определяющей прочность стали, является среднее расстояние между упрочняющими дисперсными частицами,
В условиях длительной эксплуатации при высоких температурах в сталях перлитного класса происходит ряд фазовых и структурных превращений, изменяющих их свойства. Имеется весьма незначительное количество данных, которые показывают непосредственную связь структуры с механическими свойствами котельных сталей. Поэтому значительный интерес представляет зависимость предела текучести от размера зерна:
(4-1)
где σ — предел текучести; σ0 и k — постоянные; d— средний диаметр зерна,
Этот закон был открыт Холлом, Петчем и Лоу и назван зависимостью Холла — Петча. Указанное соотношение отличается большой универсальностью и хороню подтверждается на сталях перлитного класса в термически обработанном или деформированном состоянии.
В [36] рассмотрена количественная взаимосвязь между дисперсностью гетерогенной структуры перлита и пределом прочности. Установлено, что для перлитной стали первостепенным фактором, определяющим прочность, является размер ферритного промежутка Δ, который ограничивает длину заблокированной плоскости скольжения аналогично размеру зерен в однофазном металле. Размер эффективной линии скольжения связан с толщиной ферритного промежутка следующим соотношением:
(4-2)
Предел прочности перлита в зависимости от величины Δ-0,5с можно выразить следующей формулой:
(4-3)
где σο=30 кгс/мм2; кв=2,2 кгс.
Отсюда можно сделать вывод, что физическая природа прочности гетерогенной стали та же, что и чистого железа. Различие в их прочности определяется размерным фактором, характеризующим эффективную длину заблокированной линии скольжения.
Полученная зависимость дает основание полагать, что предел прочности стали также может быть рассмотрен в рамках модели дислокационных скоплений подобно пределу текучести и напряжению разрушениия. Таким образом, кроме указанных выше зависимостей определения по размеру зерна, связь механических свойств со структурой в значительной степени представлена только качественно.
