ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ЗОНЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ КАРБИДНЫХ ЧАСТИЦ В ДЛИТЕЛЬНО РАБОТАЮЩЕМ МЕТАЛЛЕ ПАРОПРОВОДА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

вершенствовании технологии производства» Т02-06.3-400.

Литература

1. Свитковский Ф.Ю., Колмогоров П.В. К вопросу о температурном поле в абразивном зерне при шлифовании. // Совершенствование процессов обработки металлов резанием. Ижевск: ИМИ, 1975. С.6-10.

2. Свитковский Ф.Ю., Колмогоров П.В., Гуськов В.Г. Выбор характеристик алмазных кругов по тепловому режиму работы зерна. // Резание и инструмент. Харьков: Высшая школа, 1986. Вып. 34. С. 18-22.

3. Патент на изобретение РФ № 2108224, В 24 В21/02. Устройство для двухстороннего шлифования абразивной бесконечной лентой. / Свитковский Ф.Ю., Мурзаханов Р.З., Кулюшин П.М., Курко В И. (РФ). Заявл. 26.12.95, опубл. 10.04.98. Бюл. № 10.

4. Свидетельство на полезную модель № 11503, 5В 24

В 21/02. Устройство для ленточного шлифования / Свитковский Ф.Ю., Шиляев С.А., Иванова Т.Н. (Россия). Заявл. 05.04.99, опубл. 16.10.99, бюл. № 11.

5. Патент на изобретение РФ № 2098262, 6 В 24 D 9/00 Прерывистый шлифовальный круг.' Свитковский Ф.Ю., Гла-зырин В.А., Курко В.И. (Россия). Заявл. 08.04.96, опубл. 10.12.97, бюл. № 34.

6. Свитковский Ф.Ю. Глубинное шлифование каландровых валов. // Машиностроитель, 1972. № 4. С. 10-11.

7. Свитковский Ф.Ю., Алиханян Э.С. Прерывистые круги с равномерноизнашиваемым профилем. // Тр. межд. Семинар Сверхтвердые материалы. АН СССР. Киев, 1981. С. 179-182.

8. Свитковский Ф.Ю. Тепловой режим абразивного зерна при однопроходном и многопроходном шлифовании./ Сб. науч. тр. Управление качеством финишных методов обработки. Пермь: ПГТУ, 1996. С. 66-73.

Фазовый состав и зоны локализации карбидных частиц в длительно работающем металле паропровода

А. Н. СМИРНОВ, доцент, канд. техн. наук, КузГТУ, Э. В. КОЗЛОВ, профессор, доктор физ.-мат. наук. Н. А. КОНЕВА, профессор, доктор физ.-мат. наук, Н. А. ПОПОВА, с. н. е., Н. Р. СИЗОНЕНКО, с. н. е., Г АСУ,

г. Томск

Надежная и безопасная эксплуатация технических устройств опасных производственных объектов в значительной степени определяется фазовым составом, размерами, типом и характером распределения карбидных частиц ь сталях из которых они изготовлены. При длительной эксплуатации оборудования в металле происходят сложные оизико - химические процессы, происходит разупрочнение стали. Физико - механические характеристики снижаются, «-то в конечном итоге может привести к аварийному разрушению технического устройства. Поэтому изучение характера изменение фазового состава длительно-работающих материалов весьма актуальная задача.

В настоящей работе был исследован поврежденный гиб (гнутый участок паропровода), изготовленный из стали 12X1МФ диаметром 273 мм с толщиной стенки 32 мм после 160537 часов эксплуатации при давлении 14,0 МПа и температуре 550°С. Разрушение произошло на растянутой поверхности гиба. Из разрушенной трубы было вырезано три «кольцевых» участка шириной по 100 мм - из зоны максимального раскрытия гиба и из двух зон окончания разрыва (устья видимого распространения трещины). Образцы для исследований изготовлены из различных участков паропровода.

Фазовый состав стали 12X1 МФ был изучен методом рентгеноструктурного анализа и методом дифракционной электронной микроскопии.

Основной составляющей фазой, полученной после обработки рентгенограмм и проведения качественного фазового анализа, является а-фаза, которая представляет собой твердый раствор на основе железа, имеющего ОЦК решетку. Независимо о~ места исследования на образце

матрицей стали 12Х1МФ является а-фаза, которая представляет собой ОЦК твердый раствор атомов внедрения (углерода, азота и др.) и замещения (хрома, молибдена, ванадия) на основе Fe«. Эта фаза всегда составляет основную часть материала. Морфологически а-фаза в различных участках образца присутствует в виде феррито-карбидной смеси.

Кроме этой фазы обнаружено наличие различных карбидов: VC, V2C, Мо2С, M23C6l Fe3C.

Количественный фазовый анализ позволил определить объемную долю содержания каждой фазовой составляющей. Величина объемной доли а-фазы - основная и составляет 98-99%.

Обнаружены следующие карбиды: VC, V2C, Мо2С, У-МоС, М23С6, Fe3C. Наличие карбидных фаз в процентном соотношении невелико, число составляет от 1% до 2%. Исследования, проведенные методом электронной микроскопии, дали следующую величину среднего значения объемной доли карбидов в стали: она оказалась равной (2,3 ± 1,2)%. Это значение тесно связано с количеством углерода в стали и типом образовавшихся в стали карбидов. Оно означает что, если оснозным карбидом в стали является карбид М23С6, то весь углерод должен находиться исключительно в карбидах. Распределение карбидов в исследуемой стали не является однородным. Проведенные исследования, показали, что, как на различных участках поверхности трубы паропровода, так и на различных расстояниях до ее поверхности и зоны разрыва, фазовый состав стали практически остается неизменным. Меняется лишь объемная доля фаз, форма карбидных частиц, их размеры и плотность распределения.

ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Следует иметь в виду, что карбиды \/2С, Мо2С и у-МоС обладают одной кристаллической структурой с пространственной группой Р63/ттс и близким значением параметров кристаллической решетки а и с. Это позволяет им образовывать твердый раствор (\/,Мо)хС, где X меняется от 1 до 2. Необходимо учесть, что \/2С и Мо2С обладают обычной гексагональной кристаллической решеткой, о то время как /-МоС - двойной гексагональной. У таких решеток а, « а2, а 2с, « с2. В нашем случае относительное различие в параметрах 2с, и с2 - 17%. Это означает, что обе фазы ограниченно растворяются друг в друге. Лх количество в сплаве столь незначительно, что можно принять полную взаимную растворимость. В связи с вышеизложенным, обозначения у-МоС, \/2С и Мо2С надо понимать как идентичные. Поэтому, когда указаны карбиды \/2С и у-МоС, следует понимать наличие тройного твердого раствора (\/,Мо)хС. Тройная фаза, как видно из представленных данных, присутствует в материале в ограниченном количестве.

Наконец, в малых количествах встречается легированный цементит (Ре,Сг)3С, где соотношение Сг и Ре может быть различным. Эта фаза обнаружена исключительно методом речтгеноструктурно-го анализа. Последнее указывает на сильную локализацию мест расположения этой фазы.

Можно констатировать, что в исследуемом сплаве присутствуют как двойные карбиды, так и твердые растворы многокомпонентных карбидов.

Структура окисленных участков (окислы Сг03 и Ре304) обнаружена лишь при исследовании методом ПЭМ поверхности образца и в зоне разрыва. Ее изображения представлены на рис.1. Как видно из рисунка, на микродифракционных картинах, полученных с таких участков, присутствуют отчетливые рефлексы, соотве1 с жующие окислам Сг03 и Ре303 (см. индицированные схемы на рис.1). Диагностировать такую структуру по свет-лопольным изображениям довольно трудно, и о наличии окислов можно судить лишь по микро-дифракционным картинам. Метод РСА не показал наличия окислов, что означает что объемная доля их мала.

Окислы встречаются только на поверхности трубы и на поверхности разрыва. Этот очень важный факт необходимо подчеркнуть. Очевидно, что внешняя атмосфера в условиях работы паропровода активирует процесс окисления в нем. Когда он начинает развиваться внутри паропровода, этот процесс способствует развитию разрушения, хотя, возможно, он является не единственным.

Необходимо отметить, что наблюдаемый контраст на светлополных изображениях, представленных на рис.1, свидетельствует о сложных процессах фазообряяпвания в окисляемых участках. Известнс, что кислород практически не растворяется в «-железе [1], но может содержаться на дефектах. Образование окислов приводит к локальному увеличению объема материала. Такие места могут являться источником внутренних напряжений и локального зарождения микротрещин.

Параметры кристаллической решетки а-фазы

а , з"'г Я ' -

Ф 9 Ф 1

V "0,5 мкм ф

+ О -(513) СгОз

• - (111) а

023

♦

142* 121м

(832

0,2 МКМ

СгО,

,0,5 мкм

¿-(001) Рез04 о-(334)М2зСб • -(113)о;

Рис. 1. Тонкая структура окисленных участков

¿ш

т

' ш

Ш '0,2 мкм

--у •"(331 л

.-(001)'

О-(110)

¿-(2351

а- (145)

•-(ИЗ). о-(216)^д

Рис. 2. Карбиды М23С6, раположенные внутри фрагментов (отмечены стрелками). ^% Электронно-микроскопическое мкм изображение

Qu

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

211.

"(ИЗ) - а (221)-K(M23C¿)

■

(125).;

W)

(125).

KlM2iC<)

Т.П. в

Рис. 3. Частицы карбида М23С6 расположенные на границах зёрен

для различных образцов были рассчитаны по угловым положениям дифракционных максимумов. Для их прецизионного измерения использовалась экстраполяция по функции cos29 (9 - угол дифракции) для кубической сингонии. Анализируя полученные данные, можно сказать, что значения параметра кристаллической решетки a-фазы в различных участках материала близки. Они также близки к параметру кристаллической решетки чистого a-Fe, равного 0,28664 нм [2]. Эти цифры подтверждают, что весь углерод вышел из твердого раствора в карбиды и на деоекты кристаллической решетки, и что механизм окисления не связан с проникновением кислорода в твердый раствор.

В результате проведанных исследований установлено следующее:

1. Частицы карбида М2зС6 располагаются в разных местах материала (внутри, на границах, субграницах и в стыках фрагментов и зерен a-фазы). Карбид М23С6 является основным карбидом в исследуемой стали. Форма и размеры частиц М23С6 в a-фазе существенно зависят от их расположения. Самые мелкие частицы (-15 нм) находятся на дислокациях (рис.2а,в). Внутри кристаллов a-фазы присутствуют также частицы, не связанные с дислокациями (рис.2.б,в). Эти частицы обладают округлой формой и несколько большим размером (-15-30 нм).

Другим местом выделения карбида М23С6 являются границы и стыки фрагментов. Частицы обладают в основном округлой формой. Размер частиц, находящихся на границах фрагментов, в различных участках образца составляет величину -20-30 нм, в стыках фрагментов - -40-60 нм. В отдельных участках образца на границах фрагментов присутствуют частицы, имеющие квадратную (или близкую к ней) форму. Размер таких частиц значительно выше (-0,4 мкм).

На границах зерен частицы карбида M^Cg имеют разную форму: округлую, вытянутую, треугольную, квадратную или прямоугольную (рис.3). Размеры частии колеблются в пределах 0,05-1,5 мкм. Отметим, что иногда на границах зерен присутствуют группы частиц карбида М23С6... Протяженность этих групп составляет 2-7 мкм.

2. Карбид VC. Частицы этогс карбида имеют округлую или вытянутую форму и присутствует внутри сетчатой и фрагментиро-ванной субструктур. Средние размеры частиц в различных участках материала составляют величину 15-25 нм.

3. Карбид у-МоС. Мелкие (10-20 нм) частицы, присутствующие только на границах фрагментов.

4. Окислы Сг03 и Fe304 Объемная доля их мала. Окисль встречаются только на поверхности трубы и на поверхности разрыва. Очевидно, что внешняя атмосфера в условиях работы паропровода активирует процесс окисления в нем. Когда он начинает развиваться внутри паропровода, этот процесс способствует развитию разрушения, хотя, он является не единственным

Эти участки могут являться источником внутренних напряжений и локального зарождения микротрещии.

Таким образом, установлено, что в процессе длительной эксплуатации паропровода в металле произошли процессы обеднения твердого раствора легирующими элементами и разупрочнение ферритной матрицы, преимущественно на границах зерен выделились и укрупнились карбидные частицы М23С6. Бейнит отпуска (наличие которого характерно для исходного состояния стали) - распался. Данное фазовое состояние стали способствует процессу образования микроповреждений и развитию разрушения.

Литература

1. Утевский Л.М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - М.: Металлургия, 1973. - 584с.

2. Хирш П., Хови А., Николсон Р. и др. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - М.: Мир, 1968. 574с.