Структура только из феррита установлена только для случая технически чистого железа [16,с.117]. Феррит имеет низкую прочность и высокую пластичность. Цементит имеет высокую твердость и хрупкость. Структурно свободный цементит установлен только для малоуглеродистых сталей, вместе с тем, в структуре стали цементит виден при высоком содержании углерода. Перлит является смесью фаз феррита и цементита. Аустенит является твердым раствором углерода в железе, характеризуется пластичностью.
Структура кристаллической решетки стали определяется химическим составом сплава и термической обработкой. Термическая обработка предназначена для изменения структуры сплава (полиморфные превращения, ограниченная растворимость в твердом компоненте другого компонента сплава). В результате полиморфного превращения α-железа в γ-железо, ограниченного интервалом между критическими точками А1 и А3 на диаграмме, происходит перекристаллизация стали (при нагреве и контролируемом медленном охлаждении).
При перекристаллизации образуются новая зернистая структура стали. Механизм образования зерен по данным [16,с.118] состоит в появлении центров кристаллизации и их роста диффузионным путем. На число центров кристаллизации влияют:
– отношение температур нагрева/охлаждения стали и полиморфного превращения,
– наличие примесей, влияющих на образование центров кристаллизации,
– пластические деформации стали, в результате которых металл течет,
– рекристаллизация.
Раствором внедрения углерода в объемно-центрированной кубической решетки α- и δ-железа является α- и δ-феррит.
Раствором внедрения углерода в гранецентрированной решетке γ-железе является аустенит.
Стали для арктических нефтяных аппаратов
В условиях холода снижается срок службы металлоконструкций.
Применение стали с достаточным уровнем ударной вязкости не является основанием для отсутствия хрупкого разрушения конструкции [7,с.17]. Трещины начинаются от первичных дефектов в виде непроваров, подрезов, шлаковых включений и др. От точки дефекта начинается процесс хрупкого разрушения, состоящий в искажении кристаллической решетки металла и отрыва по плоскости, перпендикулярной действующим кольцевым усилиям в корпусе. При вязком разрушении происходит сдвиг плоскостей от касательных напряжений. Для стали хрупкое и вязкое разрушение происходят одновременно. Более подробно можно ознакомиться в работах Беляева [8], Ильюшина [9], Работнова [10]. Хрупкое разрушение состоит из образования трещины, роста до критического значения и переход трещины через соседние зерна по листу.
При низких температурах для деформация, соответствующей нормальной температуре, необходимы высокие напряжения так как пластическая деформация активируется термически. При низкой температуре предел текучести повышается, в результате чего надежность снижается.
В работе [11] указано, что структура аустенита для низких температур обеспечивает наилучшее сочетание прочности и пластичности. Малая чувствительность предела текучести к температуре обеспечивают надежность в эксплуатации.
__
В работе [11,с.296] указано о разработке стали марки 09Г2С-А-А для условий холода. Для сопротивления хрупкому разрушению необходима мелкозернистая структура феррита с выделением перлита в небольшом количестве. В стали 09Г2СА ударная вязкость повышена введением небольших количеств алюминия, уменьшением содержания углерода, марганца и кремния.
Рекомендуется при проектировании аппаратов для холодного климата применять сталь 09Г2С-А-А, являющуюся развитием стали 09Г2С для Севера и Арктического холодного климата.
Листовая сталь
Требование сваривать корпуса аппаратов только стыковыми сварными швами можно объяснить наличием расслоения по толщине и необходимостью проплавления всей толщины листа для задействования всех слоев в восприятие нагрузки.
Листы имеют зернистую структуру. Для зернистой структуры прочность ниже по сравнению с монокристаллической структурой. Для зернистой структуры протекает межкристаллитная коррозия, для совершенного кристалла монокристаллической структуры межкристаллитная коррозия будет отсутствовать.
Таким образом в будущем необходимо разработать соответствующие технологии и перейти на изготовление аппаратов из стали монокристаллической структуры.
Схема процесса получения листовой заготовки [11,с.18]:
Металл из расплава подается на валки с образованием клиновидной ванны расплава (расплав перегрет на несколько градусов). Затем расплав замораживается на их поверхностях упруго прижатых валков и происходит кристаллизация металла. Условия кристаллизации должны обеспечить заданную прочность листа на выходе и соответствие физико-химическим параметрам. Затвердевшие слои металла на двух валках вступают во взаимное соприкосновение и свариваются давлением в один сплошной лист. Здесь необходимо получать лист высокой сплошности [11]. Толщина листа определяется зазором между валками, который в свою очередь зависит от скорости вращения валков и времени контакта расплава (жидкого металла) с валками.