книги из ГПНТБ / Белюнас, К. И. Методика исследования и определения свойств стали паровых котлов и другого действующего оборудования [учебное пособие]

Протокол для характеристики микроструктуры котельной стали

1.Величина, равномерность и форма зерен феррита.

2.Ишльчатость зерен феррита (видманштеттность струк­

туры).

3.Дисперсность пластинчатого перлита.

4.Соотношение перлита и феррита.

5. Соотношение зернистого и пластинчатого перлита,

атакже их дисперсность.

6.Строение цементита.

7.Вид и строение неметаллических включений.

8.Полосчатость структуры.

9.Особенности дефектов и пороков структуры (трещины, графит, обезуглероживание, коррозия, пластическая деформа­ ция, рекристаллизация и пр.).

10.Выводы с указанием о целесообразности и способа дальнейших исследований металла.

Предложенная нами форма протокола для результатов металлографического исследования заставляет касаться осо­ бенностей фаз структуры металла и подробно их описывать, при этом обязательно придерживаясь соответствующих стан­ дартных шкал. Те особенности и пороки структуры, для ха­ рактеристики которых стандартные шкалы не существуют, следует подробно описывать и оценивать их влияние на свой­

наглядно отражается строение металла, ретроспективно опре­ деляются способы его производства и обработки, оценивается состояние и возможное поведение металла в будущем в тех или иных условиях, а также его рациональное использование, целесообразность и способы дальнейших исследований.

В заключении металлографического исследования надо указывать степень пригодности данного металла на конкрет­ ном объекте и его способность работать в тех или иных режи­ мах, а также указывать целесообразность и способы дальней­ ших исследований.

Следует отметить, что метод исследования макро-микро­ структуры пока полностью не характеризует субструктур, воз­ никающих при пластической деформации и в процессах старения и в значительной мере влияющих на хрупкость ме­ талла. Поэтому при необходимости иметь характеристику

22

хрупкости, параллельно с металлографическим анализом следует провести испытания металла на ударную вязкость, так же, как это делается вместе с механическим испытанием металла на разрыв.

Из вышесказанного следует, что наиболее рациональной схемой исследования металла для установления его качества — годности металла вообще и для работы оборудо­ вания в том или ином режиме в частности — является следую­ щая:

1.Исследования макро-микроструктуры,

2.Определение ударной вязкости.

Для исследования макро-микроструктуры и определения ударной вязкости металла по методу Н. И. Давиденкова до­ статочно сделать из листа стали вырезку диаметром 15 мм

именьше.

Втех случаях, когда по техническим условиям для данно­ го изделия не требуется характеристики хрупкости металла как, например, для стали паровых котлов, работающих при давлении пара ниже 15 кгс/см2, достаточно исследования только макро-микроструктуры. И только тогда, когда метал­ лографическое исследование покажет, что структура металла содержит пороки и дефекты, указывающие на невозможность его использования в ответственных конструкциях, целесо­ образно провести механические испытания, которые определя­ ют насколько пригоден металл для иных, менее ответственных конструкций.

ЗА К Л Ю Ч Е Н И Е

Впромышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве страны находятся в эксплуатации тысячи паровых котлов, качество металла которых с течением времени меняется. По правилам Госгортехнадзора металл, находящийся в эксплуата­ ции паровых котлов, проверяется главным образом путем ме­

ханических испытаний, которые связаны со значительным, а подчас и недопустимым повреждением конструкций при вы­ резке заготовок образцов, а также с использованием сложного и дорогостоящего оборудования. При этом механические ис­ пытания характеризуют качество металла неполно.

При исследовании макро-микроструктуры, механических свойств и химического состава стали 690 различных деталей 389 паровых котлов, находящихся в эксплуатации, мы обнару­ жили в металле большое разнообразие составляющих фаз,

23

общих структур и пороков. В целом структура, механические свойства и химический состав сталей всех деталей паровых котлов оказались весьма сходными, за исключением металла труб. При обработке данных исследования и испытания стали деталей котлов мы фиксировали взаимосвязи характеров микроструктуры с показателями механических свойств. Для сталей одинакового химического состава получены различные механические свойства, зависящие от характера структуры. Стали, содержащие малое количество углерода, серы и фосфо­ ра, показали низкую пластичность потому, что в структуре оказались неметаллические включения, трещины, игольчатость зерен и пр. Стали со значительным количеством серы и фосфо­ ра, но без пороков структуры, показали неплохую пластич­ ность и прочность. Имея данные металлографического иссле­ дования, мы всегда могли предугадать показатели механиче­ ских свойств металла. Взаимосвязь показателей механических свойств с характерами макро-микроструктуры всегда обнару­ живалась. Однако ввиду ограниченного объёма металла, представленного нам предприятиями (этот металл вырезался из котлов, находящихся в эксплуатации), мы не смогли уста­ новить такие взаимосвязи точнее.

Для установления взаимосвязей особенностей микрострук­ туры котельной и других сталей с количественными показате­ лями механических свойств мы провели исследования макро­ микроструктуры, испытания механических свойств на растяже­ ние и удары при комнатной температуре и релаксации напряжения при температуре +430° С сталей марок 08, 15, 20 и 45, обработанных термически различными методами.

Исследования показали, что при изменении микрострукту­ ры этих сталей (феррита, перлита и цементита), а также при изменении общей структуры при отжиге, нормализации, за­

Результаты наших исследований еще раз показали, что свойства сталей непосредственно зависят от особенностей мак­ ро-микроструктуры. Сопоставление данных металлографиче­ ского исследования, полученных по предложенной нами мето­ дике, с показателями механических свойств при растяжении выявило закономерности взаимосвязи между особенностями структуры и количественными показателями механических свойств при растяжении. Заданным показателям механиче­

24

ских свойств металла, например котельной стали, означаю­ щих, что металл годен для парового котла вообще или его работы в определенном режиме, в частности, по требованиям правил Госгортехнадзора, должны соответствовать определен­ ные особенности строения фаз и общей структуры.

Таким образом, по характеру микроструктуры методом сопоставления ориентировочно определяем показатели проч­ ности и пластичности металла — его годность и способность оборудования работать в том или ином режиме. Кроме того, результаты исследования структуры дают представление о поведении металла в тех или иных условиях при эксплуата­ ции оборудования, как это показывают данные исследования релаксации напряжения. Однако для того чтобы точно опреде­ лить показатели свойств металлов по структуре, нужны соот­ ветствующие данные для отдельных марок металла или их групп.

Недостатком металлографического исследования является то, что он не характеризует субструктуры, возникающие при пластической деформации и в процессах строения металла, которые на прочность и пластичность при растяжении обычно влияют слабо, но на хрупкость металла оказывают сильное влияние. Для получения характеристики хрупкости параллель­ но с металлографическим анализом следует провести испыта­ ние металла на ударную вязкость так, как это делается при механическом испытании на разрыв.

Основываясь на том, что результаты исследования макро­ микроструктуры достоверно характеризуют качество металла и дают возможность ориентировочно определить показатели свойств, в том числе и те, которые предусмотрены правилами Госгортехнадзора, считаем первоочередным для проверки ка­ чества металла металлографическое исследование.

Наиболее рациональной схемой исследования для устано­ вления качества металла находящихся в эксплуатации паро­ вых котлов и другого оборудования считаем такую:

1.Исследование макро-микроструктуры,

2.Испытание ударной вязкости.

По результатам металлографического исследования опре­ деляем вероятное состояние и поведение металла в будущем, показатели механических свойств и (ориентировочно) химиче­ ский состав, целесообразность и способы дальнейших исследо­ ваний металла. Данные испытания ударной вязкости харак­ теризуют хрупкость металла.

25

Для исследования макро-микроструктуры и определения ударной вязкости по методу П. Н. Давиденкова достаточно сделать вырезку из листа котельной стали диаметром 15 мм и меньше.

Если по техническим условиям для данного изделия не тре­ буется характеристики хрупкости металла как, например, для стали паровых котлов, работающих при давлении пара ниже 15 кгс/см2, достаточно исследования макро-микроструктуры. Если данные металлографического исследования покажут, что в структуре металла содержатся пороки, не позволяющие его использовать в ответственных конструкциях, целесообразно провести механические испытания для определения возможно­ сти использования этого дефектного металла в иной области, в менее ответственных конструкциях.

Следует отметить, что методика проведения металлографи­ ческого анализа пока не стандартизована, поэтому в разных лабораториях исследования структуры металла проводятся по-разному, что приводит к путанице. Поэтому считаем, что назрела необходимость стандартизировать методику метал­ лографического исследования. Пока нет стандартных методов металлографического исследования предлагаем макро-микро­ структуру котельной и других сталей характеризовать с по­ мощью протокола постоянной формы в виде анкеты, содержа­ щей вопросы, охватывающие все возможные фазы и пороки структуры металла; описывать их надо, строго придерживаясь стандартных шкал. Те составляющие фазы и пороки структу­ ры, для характеристики которых стандартные шкалы не суще­ ствуют, должны быть подробно описаны с указанием их влия­ ния на свойства и поведение металла в различных условиях, главным образом свойственных для работы исследуемого объекта. В заключениях анализа структуры металла необхо­ димо дать оценку качества, имея в виду пригодность металла для работы данного оборудования в тех или иных режимах; кроме того, необходимо указать целесообразность и способы дальнейших исследований и испытаний металла для рацио­ нального его использования.

Химический анализ котельной стали рационально произво­ дить, если предусматривается использовать металл для пере­ плавки в мартеновской печи и т. п.

26

вы в о д ы

1.При исследовании макро-микроструктуры, механических свойств и химического состава стали 690 различных деталей 389 паровых котлов, находящихся в эксплуатации, и обработ­ ке данных было обращено внимание на взаимосвязи микро­ структуры с показателями механических свойств. Однако ограниченный объём металла, предоставленного нам пред­

приятиями (этот металл вырезался из котлов, находящихся в эксплуатации), не позволил установить такие взаимосвязи точнее.

2. Исследование макро-микроструктуры, испытания меха­ нических свойств при комнатной температуре и релаксации напряжения при температуре +430° С 3780 образцов сталей марок 08, 15, 20 и 45, обработанных термически различными способами, показали определенную закономерность взаимо­ связи характеров структуры, с одной стороны, и показателей механических свойств и релаксации напряжений, с другой. На оси координат мы откладывали баллы характеров изменяющихся фаз микроструктуры и соответствующие им значения того или иного показателя свойств, строили про­ странственные диаграммы, которые позволили определить интересующий нас показатель свойств металла по структуре.

3.Для определения свойств металла по структуре при на­ шем подходе нужны диаграммы, изображающие закономер­ ности взаимосвязей всех возможных особенностей микрострук­ туры со свойствами для каждой марки металла в отдельности.

4.Так как результаты анализа структуры достаточно ха­ рактеризуют металл и позволяют ориентировочно определить показатели механических свойств, то для проверки качества металла первоочередным должно стать металлографическое

исследование.

5. Недостатком металлографического исследования счита­ ется то, что он не характеризует субструктур, появляющихся в процессах пластической деформации и старения металла, которые оказывают влияние на прочность и пластичность. Поэтому для характеристики хрупкости металла параллельно с металлографическим анализом следует испытать металл на ударную вязкость так, как это делается при механическом испытании на разрыв.

27

6. Таким образом, для установления качества наиболее рациональной схемой исследования металла паровых котлов и другого оборудования, находящегося в эксплуатации, явля­ ется следующая:

а) исследование макро-микроструктуры; б) испытание ударной вязкости.

По результатам металлографического исследования опре­ деляем качество металла, ориентировочные показатели меха­ нических свойств и химический состав, целесообразность и способы дальнейших исследований и испытаний металла. Данные испытания ударной вязкости характеризуют хрупкость металла.

Для исследования макро-микроструктуры и определения ударной вязкости по методу П. П. Давиденкова достаточно сделать вырезку из листа котельной стали диаметром 15 мм

именьше.

7.Если технические условия для данного изделия не тре­ буют характеристики хрупкости металла, как, например, для

стали паровых котлов, работающих при давлении пара ниже 15 кгс/см2, достаточно провести металлографическое исследо­ вание. И только после того как данные металлографического исследования покажут, что структура металла содержит поро­ ки, указывающие на его непригодность для ответственных конструкций, проведение механических испытаний может оказаться целесообразным для выяснения свойств такого дефектного металла, чтобы использовать его для менее ответ­ ственных изделий.

8. Методика проведения металлографического анализа пока не стандартизована, поэтому в разных лабораториях исследования структуры металла проводятся по-разному, что приводит к путанице. Назрела необходимость стандартизиро­ вать методику металлографического анализа.

Пока нет стандартных методов металлографического ана­ лиза автор предлагает макро-микроструктуру котельной и других сталей характеризовать по протоколу постоянной формы в виде анкеты, содержащей вопросы, охватывающие все возможные особенности фаз и пороки структуры металла. Описывать же структуру следует, строго придерживаясь стан­ дартных шкал. Те особенности структуры, для характеристики которых стандартные шкалы не существуют, должны быть подробно описаны с указанием их влияния на свойства и пове­ дение металла в различных условиях, главным образом свой­

28

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Белюнас К.. И. и др. Исследования и разработка технологии изго­ товления металлических оцифрованных штриховых мер длины повышенной точности. Вильнюс, ЭНИМС, 1967, 256 л.

2.Белюнас К■И., Бендикас И. И., Иоделис В. С. Влияние характера пластинчатого перлита на релаксационную стойкость сталей. В сб.: Мате­

риалы докладов XVIII республиканской научно-технической конференции,

Вильнюс, 1968, с. 54—55.

3.Белюнас К. И., Иоделис В. С. Влияние характера видманштеттности микроструктуры на релаксационную стойкость и механические свойства углеродистых сталей. — В сб.: Материалы Литов, респ. XIX научно-тех­ нической конференции. Каунас. 1969, с. 18—22.

4.Белюнас К. И. и др. Исследование релаксационной стойкости угле­ родистой стали 20 при комнатной температуре. В сб.: Материалы Литов,

6.Белюнас К■ И. Металлографическое исследование углеродистых сталей. — В сб.: Материалы юбилейной литов, респ. XX научно-технической конференции, Каунас, 1970, с. 93.

7.Белюнас К. И. Механические качества сталей, работающих паро­ вых котлов. — В сб.: Материалы юбилейной XX научно-технической конфе­

ренции. Каунас, 1970, с. 92.

8.Белюнас К. И. Результаты исследования структуры металла, необ­ ходимые для определения его Использования по назначению. Вильнюс, ЛитНИИНТИ, 1972., с. 4.

9.Белюнас К■И. Методика металлографического исследования стали. Вильнюс, ЛитНИИНТИ, 1972, с. 3.

10.Белюнас К■И. Контроль качества металла действующего оборудо­ вания. Вильнюс, ЛитНИИНТИ, 1972. с. 3.

11.Белюнас К. И. Способ изображения закономерности взаимосвязей структуры со свойствами металла. Вильнюс, ЛитНИИНТИ, 1973, с. 8.

13.Bieliunas К. Metalij mechaniniij savybiij nustatymas pagal mikro- struktiirg.—„Mokslas ir Technika", 1961, Nr. 9, p. 34—35.

14.Bieliunas K., Ferito pavidaly nikrostrukturos jtaka angling plienu

jtempimij relaksacijai. Liet. ZOA XVIII destytojij mokslines konferencijos medziaga. Kaunas, 1972. p. 290.

30