CREEPOVÉ VLASTNOSTI A STRUKTURA OCELI P91 CREEP PROPERTIES AND STRUCTURE OF STEEL P91

Transkript

1 METAL , Hradec nad Moravicí CREEPOVÉ VLASTNOSTI A STRUKTURA OCELI P9 CREEP PROPERTIES AND STRUCTURE OF STEEL P9 Jan Hakl, Tomáš Vlasák, Jiří Kudrman SVÚM a.s., areál VÚ, Podnikatelská, 9 Praha 9 UJP PRAHA a.s., Nad Kamínkou, Praha Abstrakt: Ocel P9 patří mezi materiály, určené pro teploty -. Důležitými podklady pro konstrukční návrh jsou creepové charakteristiky. Na základě našich měření, které zpracovávají výsledky v rozsahu 87 zkušebních hodin, je pro tento materiál uvedena pevnost při tečení, meze tečení a % a minimální rychlosti tečení. Dále je popsán stav struktur po dlouhodobém žíhání při teplotách až, který je kvantitativně vyhodnocen. Abstract: Steel P9 is included among materials which can operate under temperatures. Important basis for construction design are creep characteristics. On the basis of our work, which evaluate measurements in the extent of 87 testing hours, for this material there are determined creep rupture strength, strength for and % creep strain and minimum creep strain rate. Additionally it is described the state of structure after long term annealing at temperatures which is quantitatively evaluated.. ÚVOD P9 je feritická ocel, obsahující 9%Cr %Mo, je mikrolegovaná vanadem a niobem a dále kontrolovaným obsahem dusíku. Její úplné chemické složení podle ASTM A [] je v Tab.I. Je určena pro výrobu výkovků, odlitků, plechů a trubek, jejichž aplikace se uvažuje při teplotách. Její hlavní výhody jsou [,]: - vysoká žárupevnost a plasticita při tečení, - vysoká teplotní vodivost a nízká teplotní roztažnost, - zvýšená korozní odolnost v prostředí vodíku, vodní páry a zplodin hoření, - dobré technologické vlastnosti, - relativně nízká cena. Náš příspěvek se bude týkat pouze dílčí problematiky, a to creepových vlastností, které se v literatuře běžně nevyskytují. Dále bude zhodnocena struktura oceli P9, a to po dlouhodobém žíhání při teplotách, a.. EXPERIMENT Byla zajištěna tavba E oceli P9, vyrobená v a.s. Vítkovice, jejíž chemické složení je uvedeno v Tab.I. Tab. I Chemické složení oceli P9 (hm.%) Tab. I Chemical composition of P9 steel (% wt) Složení C Mn P S Si Cr Mo V Nb N Al Ni ASTM Min,8,, 8,,8,8,, A Max,,,,, 9,,,,,7,, E,,,,, 8,,88,,,,8,

2 METAL , Hradec nad Moravicí Materiál byl tepelně zpracován postupem ± C/h/vzd.+7 ± C/h/vzd. Nejprve byla část tohoto materiálu žíhána na vzduchu v komorové peci. K tomu byly použity vzorky o rozměrech cca xx mm, které byly do pece vloženy v utěsněných Ni foliích. Žíhání bylo provedeno při teplotách - během dob až h. Po tomto postupu byla měřena tvrdost. Cílem tohoto procesu bylo najít stav, kdy materiál je téměř v rovnovážném stavu. Každý stav byl měřen čtyřikrát. Výsledky měření tvrdosti jsou graficky vyhodnoceny na obr.. Je zřejmé, P LM=7- C/h že rovnovážného stavu lze dosáhnout žíháním při C po dobu h. Dále byl takto žíhaný materiál podroben kvantitativní strukturní analýze. Výsledky jsou popsány v kap.. Výchozí materiál ve tvaru válcových polotovarů o rozměrech x mm byl proto při parametrech C/ h vyžíhán a pak byly vyrobeny vzorky pro creepové zkoušky. Creep byl zkoušen na vzduchu při teplotách 7- při stálém zatížení na tyčích s měrnými parametry x mm. Všechny zkoušky byly ukončeny lomem a celkem bylo dosaženo 87 zkušebních hodin. Tvrdost HV 8 (Hv=) P LM =T.(log(t z )+) C Hv= Obr. Závislost tvrdosti na žíhání Fig. Dependence of hardness on annealing. HODNOCENÍ EXPERIMENTU.. Pevnost při tečení Nejprve byla vyhodnocena závislost napětí Larson Millerův parametr (P LM ) podle dat uvedených v []. Jedná se o hodnoty, zapsané v Tab.II a reprezentující výsledky zkoušek v celkové době do lomu h. Pro jejich vyhodnocení byl použit model []. Tab. II Literární hodnoty pevnosti při tečení oceli P9 Tab. II Creep strength of P9 steel from literature Doba Teplota ( C) (h) (8) 98 8 () logσ = A + A P + A P, () LM LM kde P LM =T.(log t r +A ), T je teplota (K), σ je napětí (MPa), t je doba do lomu (h) a A - jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. Z důvodů možnosti srovnání byla použita konstanta A = shodně s []. Tato závislost je znázorněna na obr.. Tab. III Parametry modelů (-) Tab. III Parameters of model (-) Model () Model () Model () Podle [] Vlastní výsl. Mez % Mez % C,8E+ A -,979E+ -,8979E+ B -,7E-,7E- C 9,88999E+ A,898E-,779E- B,889E-,9E- C -,78E- A -,E-8-8,99E-9 B -,78E-9 -,7E-9 C -,E- A,E+,E+ B,E+,E+ C 8,79E+ C,988E-

3 METAL , Hradec nad Moravicí C/ h C/ h C/ h C/ h C/ h C/ h P9 book Teplota 7 C Teplota C Teplota C Teplota P LM =T.(log(t r )+), [K,h] Obr. Závislost napětí na P LM dle literárních dat [] Fig. Stress dependence on P LM according to literature [] P LM =T.(log(t r )+), [K,h] Obr. Porovnání literární závislosti (křivka) a experimentálních výsledků Fig. Comparison of literature data (curve) and experimental results Následující obr. znázorňuje vyhodnocenou křivku a výsledky našich zkoušek pevnosti při tečení po žíhání při C/ h. Je zřejmé, že výsledky odpovídají průběhu střední hodnoty podle [] nebo jsou mírně lepší. Naše výsledky byly tedy vyhovující a byly vyhodnoceny pomocí modelu () a jsou znázorněny na obr.. Parametry A - jsou uvedeny v Tab. III. Doba do lomu [h] C C 7 C Teplota 7 C Teplota C Teplota C Teplota C Obr. Vyhodnocení doby do lomu na teplotě a napětí modelem () Fig. Dependence evaluation of time rupture on temperature and stress by model ()... Mez tečení Příklady některých creepových křivek jsou na obr. a-c. Křivky byly vyhodnoceny jednotlivě postupem publikovaným v []. Deformace (%) 8 7 C/8MPa 7 C/7MPa 7 C/MPa Deformace (%) 8 C/MPa C/MPa C/MPa Deformace (%) C/MPa C/MPa C/9MPa Čas (h) Čas (h) Čas (h) 7 C C C Obr. Příklady creepových křivek oceli P9 Fig. Creep curves of P9

4 METAL , Hradec nad Moravicí Dále byly vyjádřeny teplotní a napěťové závislosti meze tečení. K vyhodnocení mezí tečení byl použit opět model, shodný s (), a to logσ = B + B P + B P, () LM LM kde P LM =T(log t +B ), T je teplota (k), σ je napětí (MPa), t je doba do dosažení % (nebo jiné) plastické deformace (h), B - jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. a na obr. jsou ukázány průběhy mezí tečení % a %. Mez tečení [MPa] Mez tečení % Mez tečení % P LM=T.(log(t r)+), [K,h] Mez pevnosti Obr. Meze tečení v závislosti na P LM Fig. Dependence of strength for specific creep strain on P LM.. Rychlost tečení Pro vyhodnocení rychlostí tečení byl použit model podle [,] ve tvaru logε& = C + C log T C + C + C log [ ( C σ T) ] log sinh T C + [ ( C σ T) ], log sinh () kde ε& je minimální rychlost tečení (%/h), σ je napětí (MPa), T je teplota (K), C - jsou materiálové konstanty, uvedené v Tab.III. Rychlosti tečení jsou znázorněny na obr.7... STRUKTURNÍ ANALÝZA.. Postup řešení Vzorky vyžíhané při teplotách byly pro metalografické studium připraveny obvyklým postupem mechanického broušení a leštění. Struktura pak byla zviditelněna leptáním v roztoku cm H SO, cm HNO a 9 cm destilované H O. Leptání bylo provedeno při teplotě C a napětí V. Kromě světelné mikroskopie byla, Obr. 7 Závislost minimálních rychlostí na teplotě a napětí Fig. 7 Dependence of minimum creep rate on temperature and stress provedena na elektronovém mikroskopu i analýza kolódiových replik, sejmutých z naleptaných výbrusů. Pro posouzení struktur byla provedena kvantitativní stereologická analýza. Byly stanoveny strukturní parametry, hodnotící disperzitu a distribuci karbidických částic v objemu. Způsob vyloučení karbidů na rozhraní desek a postupná změna této struktury nedovolila sledovat odděleně změny parametrů částic uvnitř zrn a na jejich rozhraních. Na kolódiových replikách byly v elektronovém mikroskopu měřeny průměry řezů částicemi uvnitř zrn (d S ) C a počty částic na jednotku plochy výbrusu (N S ) C. Počet měřených Rychlost tečení [%/h],,,, C C 7 C C

5 METAL , Hradec nad Moravicí míst byl minimálně, přičemž počet vyhodnocených částic minimálně. Z těchto veličin pak byly vypočteny pomocí Saltykovovy momentové metody [] odpovídající kvantitativní strukturní parametry. Při tomto postupu se užívá statistický symbol µ, který značí aritmetický průměr veličiny, uvedené za tímto symbolem v závorce. Index symbolu určuje mocninu, ve které je veličina průměrována. Ku příkladu v případě výpočtu (ds)c je tento vztah dán µ (d S ) C = n, n i = (d S ) C kde n je počet měření. K výpočtům stereologických strukturních parametrů bylo použito následujících vztahů: a) rozměr středně veliké částice karbidu ( DV ) C = b) počet částic karbidů v jednotce objemu ( NV ) C = c) střední volná vzdálenost karbidů v objemu ( LV ) C = (VV ) C = d) objemový podíl karbidů π π [µ (d s ) C ], () [µ (d s ) C ] ( N S ) C, () [( N V ) C ( DV ) C ], π [µ (d S ) C ] ( N S ) C, () (7).. Kvalitativní vyhodnocení struktur Ve výchozím stavu (viz obr.8) měla ocel charakteristickou strukturu po zušlechtění, tvořenou feritickými deskami a globulárními karbidy (zřejmě zejména MC). S teplotou a dobou žíhání se velikost karbidických částic měnila. Během žíhání při teplotě C byla pozorována postupná precipitace karbidů (viz obr.9). Kromě globulárních částic bylo možno ve struktuře pozorovat hustě vyloučené jemné destičkovité karbidy (zřejmě karbidy vanadu), a to uvnitř zrn. Žíháním při teplotě byla s růstem doby na teplotě morfologie feritických desek již postupně setřena a ve struktuře byla zřejmá přítomnost hrubnoucích karbidů (viz obr.). Tento proces bylo pak možno sledovat i při teplotě 7. Morfologie struktury se již neměnila (viz obr.). x Obr. 8 Struktura výchozího stavu Fig. 8 Initial state microstructure x Obr. 9 Struktura po žíhání C/h Fig. 9 Microstructure after C/h

6 METAL , Hradec nad Moravicí x x Obr. Struktura po žíhání /h Obr. Struktura po žíhání /h Fig. Microstructure after /h Fig. Microstructure after /h.. Kvantitativní metalografie Uvedené kvalitativní procesy jsou kvantitativně charakterizovány na obr.-. Na těchto obrázcích je zachována hodnota PLM, která se ukázala být vhodná při hodnocení žárupevnosti. Vzhledem k tomu, že ocel je vhodná pro aplikaci při teplotách, je zde ještě časová osa pro teplotu C. Velikost karbidických částic (DV)C se zpočátku neliší od výchozího stavu. V průběhu žíhání však částice hrubnou (viz obr.). Při teplotě expozice C hrubnutí karbidů však nastává až při časech zhruba h a vyšších. Počet částic karbidů (NV)C nejprve narůstá na zhruba dvojnásobek výchozí hodnoty a po překonání maxíma klesá (viz obr.). Na úroveň výchozí hodnoty se dostane při expozici na teplotě C zhruba po h. Pak klesá dále-asi na polovinu výchozí hodnoty. Tato skutečnost však nastane při teplotě C až po -7h., - Počet částic (Nv)c [.mm ], - Velikost částic (Dv)c [.mm] C, PLM=T.(log(tz)+) C,,, PLM=T.(log(tz)+) 7 tz [h] při C 7 tz [h] při C Obr. Rozměr středně velikého karbidu Obr. Počet karbidů v jednotce objemu Fig. Dimension of mean carbide Fig. Unit number of carbides Z hlediska změn vlastností materiálu je nejcitlivějším parametrem vzdálenost karbidických částic (LV)C. Závislost tohoto parametru na době žíhání má opačný charakter ve srovnání s počtem karbidů v jednotce objemu (NV)C (viz obr. a ). Z obr. je však zřejmé, že při expozici na teplotě C při h nastává situace, která je ve výchozím stavu. Při delších časech (tj.-7h při C) se vzdálenost zvyšuje.

7 METAL , Hradec nad Moravicí Vzdálenost částic (Lv)c [.mm],,,, C P LM =T.(log(t z )+) 7 t z [h] při C Obr. Střední volná vzdálenost karbidů Obr. Objemový podíl karbidů Fig. Mean free carbide distance Fig. Volume carbide proportions Objemový podíl karbidů (V V ) C se z počáteční hodnoty % zvyšuje na,% při expozici -. h při teplotě C (viz obr.). Při teplotě expozice však nastává anomálie. Objemový podíl (V V ) C je nižší vzhledem k vyšší rozpustnosti C v tuhém roztoku α. Hodnoty (V V ) C jsou proto téměř na úrovni u a zachovávají si stálou úroveň. Tato skutečnost je však z hlediska aplikace nevýznamná. Celkově vzato však uvedené strukturní změny nebyly v oblasti aplikačních podmínek příliš intenzivní. Jiné fáze než karbidické nebyly detekovány. Objemový podíl částic (Vv)c [%] 8 7, 7,,,, P LM=T.(log(t z)+) C 7 t z [h] při C. Závěr Ocel P9 patří mezi 9-%Cr ocele a je určena pro teploty použití. Důležitými podklady pro konstrukční návrh jsou creepové charakteristiky. Na základě našich měření jsou pro tento materiál kromě pevnosti při tečení uvedeny i meze tečení pro % a % deformace a minimální rychlosti tečení. Dále byly kvantitativně vyhodnoceny změny struktury, ke kterým dochází žíháním při teplotách až po dobu až h. Literatura [] The P9 book. Ferritic pipe for high temperature use in boilers and petrochemical applications. Vallourec Industries, France, 99. [] JAKOBOVÁ,A.-VELÍSEK,J.-HUBÁČEK,M.-STANĚK,B.: Nová progresivní ocel P9, její použití a zkušenosti s výrobou v a.s.vítkovice. Sborník konference Progresivní materiály pro energetické a chemické strojírenství, str.iii 7. VTS Vítkovice, Soláň 99. [] SEIFERT,W.-MELZER,B.: Rechnerische Auswertung von Zeitstandversuchen am Beispiel des Stahles CrMo-..Vortragsveranstaltung Langezeitverhalten warmfester Stähle und Hochtemperaturwerkstoffe, Düsseldorf,..99. [] BÍNA,V.-HAKL,J.: Relation between creep strength and strength for specific creep strain at temperatures up to C. Materials Science and Engineering A- (997), pp.8-8. [] PECH,R.-KOUCKÝ,J.-BÍNA,V.: Matematizace hodnot pevnosti při tečení československých ocelí pro výrobu trub. Strojírenství 9(979), č.7, s.89. [] SALTYKOV,S.A.: Stereometričeskaja metallografija. Metallurgija, Moskva, 97. Tato práce vznikla za podpory MŠMT ČR projekt COST (P OC).