Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Для освоения ресурсов Арктики необходимы современные хладо- и коррозионностойкие материалы, обеспечивающие надежную эксплуатацию ответственных деталей машин и конструкций. В работе исследованы механические свойства и хладостойкость лабораторного металла новой азотсодержащей литейной стали аустенитного класса (21-22)Cr-15Mn-8Ni-1,5Mo-V (марка 05Х21АГ15Н8МФЛ) [1] c содержанием азота 0,5 % и пределом текучести ~400 МПа.
Аустенитные стали с высоким содержанием азота — исключение из правила монотонного снижения пластичности и вязкости при снижении температуры сталей с ГЦК решеткой. Им присущ вязко-хрупкий переход, ранее известный только для ферритных сталей. Температурная зависимость ударной вязкости стали 05Х21АГ15Н8МФЛ в интервале +20… –160 оС показала, что сталь характеризуется широким интервалом температур вязко-хрупкого перехода c TDBT = –75 oC, при которой KCV = 120 ± 10 Дж/см2. Во всем интервале климатических температур азотистая литая сталь с 0,5 %N превосходит сталь 08Х18Н10ТЦЛ по ударной вязкости.
Было уделено внимание роли δ-феррита в структуре стали 05Х21АГ15Н8МФЛ. При максимальном его количестве (~8 %) он имел вид протяженных дендритов. Он содержит 34 мас. %Cr, ~14 %Mn, 2–3 %Ni. Его присутствие не влияет на характер изломов при +20 и –70 оС, однако при –160 оС он проявляет себя как материал с низким запасом прочности и вязкости. Излом, полученный при этой температуре, содержит многочисленные трещины в кристаллах d-феррита. Согласно [2] Cr, Mn, Mo существенно снижают ударную вязкость феррита. Богатый этими элементами феррит стали 05Х22АГ15Н8МФЛ при –160 оС находится за порогом хладноломкости. По данным [3] для дуплексной деформируемой стали с 22 %Cr, 5 %Ni, 3 %Mo, 0,16 %N, значительное влияние на температуру вязко-хрупкого перехода материала оказывает морфология элементов структуры. Наиболее низкую TDBT эта сталь имела после термомеханической обработки, значительно измельчающей размер зерен аустенитной и ферритной фазы.
Для литой стали 05Х21АГ15Н8МФ, содержащей d-феррит в виде протяженных дендритов, была определена критериальным методом критическая температура хрупкости, ниже которой данный материал не рекомендуется к использованию: Тк составила ~ –110 оС. Ей соответствует уровень KCV = 68–83 Дж/см2, более высокий, чем уровень KCU при +20 оС, допускаемый стандартом РФ [4] на отливки из сталей аустенитного класса (до 59 Дж/см2).
Помимо δ-феррита в аустените литой стали присутствуют частицы нитридов CrN размером ~4 нм, способных оказывать упрочняющее действие, и частицы неметаллических включений (НВ). Нам было уделено внимание последним как фактору, способному влиять на механические свойства при статическом и ударном нагружении при пониженных температурах [5].
НВ в лабораторном металле представляют собой глобулярные оксисульфиды, с оксидами SiO2 в центральной части и наружным слоем из сульфида MnS. Доля частиц со средним размером до 4 мкм включительно составляет ~ 75 %. Встречаются размеры до ~ 20 мкм. Частицы НВ в металле распределены неравномерно, имеются обширные участки практически свободные от выделений и участки значительно ими загрязненные.
При испытаниях на ударный изгиб при 160 оС эти НВ не служат источником зарождения трещин и не способствуют их распространению и находятся в изломе в изолированных ямках, разделенных гребнями отрыва, не сливающихся при ударном разрушении в единые поры. Все не глобулярные включения раскалываются под воздействием ударной разрушающей нагрузки. В условиях растяжения при –110 оС предел текучести азотистой стали возрастает более чем в 1,7 раза по сравнению с свойствами при +20 оС, пластичность при охлаждении до –110 оС не снижается. Частицы, находящиеся в шейке растягиваемого образца, сильно деформируются (ширина/длина ~1:2) за счет развития в их оксидной части трещин, не находящих продолжения в металле аустенитной матрицы. Даже при выходе НВ на поверхность образца в зоне шейки, они не служат источником зарождения трещин. Трещины на границе «НВ/деформирующийся металл» не образуются даже при случайном близком (5–20 мкм) расположении частиц в виде цепочек вдоль оси растягивающей нагрузки. Не происходит формирования пор вокруг частиц и их слияния в зародыш трещины.
В работе [6] у литейной аустенитной высокомарганцевой стали 07Х13Г28Н3Л высокая ударная вязкость наблюдалась в том случае, если наибольшую площадь в изломе занимали ямки размером не менее 10–15 мкм с глобулярными включениями не более 8 мкм. Признаком высокой вязкости металла являются серпантинный характер скольжения на их стенках, достаточная глубина ямок и отсутствие трещиноватости ямок [6]. Указанные признаки вязкого разрушения присущи и изученной литой стали 05Х21АГ15Н8МФЛ. Подтверждается также заключение [6], что в пластичных сталях, в отличие от высокопрочных, НВ способны быть релаксаторами напряжений за счет реализации пластической деформации задолго до подхода трещины. Оно коррелирует с представлениями, о том, что разрушение матрицы вблизи включения есть результат двух конкурирующих процессов: накопления в ходе пластического деформирования внутренних напряжений из-за торможения движения дефектов кристаллического строения и их пластической релаксации [7].
В лабораторном металле литейной упрочненной за счет легирования азотом аустенитной стали 05Х21АГ15Н8МФЛ, содержащей до ~ 8 % δ-феррита в форме протяженных дендритов, феррит охрупчивается при криогенных температурах, снижая ударную вязкость стали. НВ в этой стали представляют собой глобулярные оксисульфиды со средним размером ~ 75 % частиц до 4 мкм. Они не служат источником зарождения трещин и не оказывают негативного влияния на механическое поведение стали при испытаниях на разрыв и ударный изгиб при пониженных (–110, –160 оС) температурах.
