Влияние структурных факторов на механические свойства и хладостойкость новой азотосодержащей высокопрочной аустенитной литейной стали

Язык труда и переводы:
УДК:
669.1
Дата публикации:
12 мая 2022, 17:12
Категория:
Материаловедение и новые материалы в машиностроении
Авторы
Кудряшов Александр Эдуардович
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Костина Мария Владимировна
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Мурадян Саркис Ованесович
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Ригина Людмила Георгиевна
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Костина Валентина Сергеевна
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова
Аннотация:
Рассмотрена литейная, упрочненная за счет легирования азотом, аустенитная сталь 05Х21АГ15Н8МФЛ. Показано влияние структурных составляющих стали на механические свойства и хладостойкость. По результатам исследований были сделаны выводы, что присутствующий в структуре δ-феррит является основным фактором снижения хладостойкости стали, поскольку при понижении температуры ниже – 70 ºС он испытывает вязко-хрупкий переход. Присутствующие в стали неметаллические включения не являются центрами зарождения трещин при –110…–160 ºС, а выступают как релаксаторы напряжений.
Ключевые слова:
хладостойкость, азот, сталь, прочность, неметаллические включения, δ-феррит, излом, трещина
Основной текст труда

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.

Литература
  1. Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. Высокопрочная литейная немагнитная коррозионно-стойкая сталь и изделие, выполненное из нее. Патент № 2445397 Российская Федерация, 2010.
  2. Гуляев А. П. Металловедение. Москва, Металлургия, 1986, 544 с.
  3. Sasaki S., Katsumura T. Influence of Thermo-mechanical Control Process for Duplex Stainless Steel on Low-Temperature Toughness. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2022, vol. 53, no. 3, pp. 1132–1143. https://doi.org/10.1007/s11661-022-06589-2
  4. ГОСТ 977–88. Отливки стальные. Общие технические условия. Москва, ИПК Издательство Стандартов, 1990, 35 с.
  5. Костина М.В., Кудряшов А.Э., Ригина Л.Г., Мурадян С.О., Антонова О.С., Костина В.С. Хладостойкость новой литейной Cr–Mn–Ni–Mo–N стали. Часть 2. Исследование фактора частиц неметаллических включений при статическом и ударном нагружении при пониженных температурах. Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия, 2022, т. 65, № 3, с. 190–199. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-3-190-199
  6. Горобченко С.Л., Кривцов Ю.С., Андреев А.К., Солнцев Ю.П. Конкурентоспособность арматурного литья за пределами ударной вязкости или применение нового комплексного метода для подтверждения надежности аустенитных сталей для криогенной арматуры. ТПА. Трубопроводная арматура и оборудование. URL: http://www.valverus.info/popular/3219-konkurentosposobnost-armaturnogo-litya.html (дата обращения: 25.04.2022).
  7. Губенко C.И. Неметаллические включения и прочность сталей. Физические основы прочности сталей. Saarbrueken, Omniscriptum Maerketing DEU GmbH, 2015, 274 c.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.