^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.15-194.56:539.4
АКУСТИЧЕСКИ РЕГИСТРИРУЕМОЕ КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ АЗОТИСТЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
© 2014 г. Ю. И. Филиппов*, В. В. Сагарадзе*, В. А. Завалишин*, Н. Л. Печеркина*, Н. В. Катаева*, С. Ю. Мушникова**, С. К. Костин**, Г. Ю. Калинин**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург **ФГУП "ЦНИИКМ "Прометей", Санкт-Петербург E-mail: vsagaradze@imp.uran.ru Поступила в редакцию 16.04.2013 г.; в окончательном варианте — 29.10.2013 г.
Определены структурные изменения и сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) азотсодержащих аустенитных сталей 04Х20Н6Г11М2АФБ и 09Х20Н6Г11М2АФБ (с 0.04 и 0.09 мас. % С соответственно) после различных обработок, включающих термомеханическое воздействие, закалку от 1200°С, старение при 700°С в течение 2 и 10 ч. Показано, что старение при 700°C аустенитной стали 09Х20Н6Г11М2АФБ открытой выплавки снижает прочность образцов с наведенной трещиной при консольном изгибе на воздухе и в 3.5% водном растворе NaCl по сравнению с прочностью стали 04Х20Н6Г11М2АФБ-ЭШП с меньшим содержанием углерода после ВТМО или закалки от 1200°С. Наименьшее сопротивление КРН наблюдается в образцах стали 09Х20Н6Г11М2АФБ после 10-часового старения, которое сопровождается наиболее интенсивной акустической эмиссией и хрупким межзеренным разрушением, что объясняется высокой скоростью анодного растворения металла вблизи обедненных хромом границ зерен за счет образования непрерывных цепочек зернограничных хромсодержащих выделений карбидов и нитридов.
Ключевые слова: коррозионное растрескивание, азотсодержащая аустенитная сталь, электронная микроскопия, акустическая эмиссия.
DOI: 10.7868/S0015323014060072
1. ВВЕДЕНИЕ
Стойкость против коррозионного растрескивания под напряжением (КРН) в аустенитных сталях с 0.3—0.5 мас. % азота весьма высока в закаленном состоянии, когда азот находится в твердом растворе [1—5]. При этом величина предела текучести ст02 аустенита может достигать ~500 МПа. Увеличение прочностных характеристик в этих сталях без заметного падения сопротивления КРН (или SCC — stress corrosion cracking) можно обеспечить с помощью высокотемпературной термомеханической обработки, холодной или теплой деформации [6, 7]. Упрочнение аустенитных сталей в результате старения с выделением фаз внедрения (например, карбидов или нитридов ванадия) неблагоприятно сказывается на сопротивлении стресс-коррозии, если эти фазы хотя бы частично выделяются по границам зерен. Так например [8], в стареющих среднеуг-леродистых аустенитных сталях 40Х4Г18Ф и 35Х12Г24Ф2М после упрочняющей обработки (закалка + старение) наблюдается катастрофическое снижение стойкости против КРН в 3.5%-ном водном растворе хлористого натрия при нагрузке gscc = (0.1 — 0.5)стС, где стС — разрушающее напряжение при изгибе образцов на воздухе. Десятикрат-
ное снижение прочности аустенита в среде ЫаС1 связано с ослаблением границ зерен при граничном выделении карбидов УС и Сг2зС6. С помощью измерения интенсивности акустических сигналов [8] обнаружено прогрессирующее накопление микротрещин под нагрузкой в состаренных аустенитных Сг— Мп—У сталях в результате воздействия соленой и даже дистиллированной воды.
Упрочнение азотсодержащих сталей при нит-ридном старении в меньшей степени сказывается на снижении сопротивления КРН, чем в результате карбидного старения, особенно, если выделение фазы УЫ осуществлялось в режиме высокотемпературного "перестаривания", снижающего уровень внутренних напряжений [3]. Накопление микротрещин при нагрузке ст8СС = 0.9стС в 3.5%-ном водном растворе ЫаС1 практически не происходит в сталях типа Х12Н18Т3 с интерметаллидным упрочнением и в азотсодержащей стали Х18Г2ОА0.5, упрочненной теплым наклепом, в которых эти обработки не вызывают выделения дисперсных фаз по межзеренным границам [6]. Поэтому обычно стойкие против КРН азотистые аустенитные стали легируют только небольшим количеством ванадия или ниобия (~0.1 мас. %), чтобы сдержать
Таблица 1. Химический состав сталей 04Х20Н6Г11М2АФБ(1) и 09Х20Н6Г11М2АФБ(2)
№
Элементный состав, мас. %
п/п Сг Мп N1 С N Мо V № 8 Р 81
1 Плавка ЭШП (Электросталь) 20.13 10.27 6.76 0.04 0.44 1.6 0.16 0.08 0.005 0.015 0.5
2 Открытая плавка "Спецсталь" 19.87 9.70 5.22 0.09 0.45 1.44 0.12 0.08 0.007 0.025 0.27
Таблица 2. Режимы прокатки и термической обработки сталей 04Х20Н6Г11М2АФБ (варианты 1.1 и 1.2) и 09Х20Н6Г11М2АФБ (варианты 2.1 и 2.2)
№ вварианта Режим прокатки Термическая обработка
1.1 Тнп ~ 1050°С, Т^ ~ 900°С с промежуточным подогревом в ходе прокатки. Закалка в воде с прокатного нагрева. Толщина листового проката 35 мм Без дополнительной термообработки
1.2 Тнп ~ 1050°С, Т^ ~ 900°С с промежуточным подогревом в ходе прокатки. Закалка в воде с прокатного нагрева. Толщина листового проката 35 мм Высокотемпературная закалка от 1200°С (1.5 ч), охлаждение в воде
2.1 Тнп ~ 925°С, Т^ ~ 1000°С с промежуточным подогревом в ходе прокатки. Закалка в воде с прокатного нагрева. Толщина листового проката 25 мм Высокотемпературная закалка в воде от 1200° С ( выдержка 2 ч) + старение при 700°С (2 ч) + охлаждение на воздухе
2.2 Тнп ~ 925°С, Ткп ~ 1000°С с промежуточным подогревом в ходе прокатки. Закалка в воде с прокатного нагрева Толщина листового проката 25 мм Высокотемпературная закалка в воде от 1200° С (выдержка 2 ч) + старение при 700°С (10 ч) + охлаждение на воздухе
рост аустенитного зерна при высоких температурах, но не допустить интенсивного выделения приграничных нитридов и снижения сопротивления КРН.
Сопротивление КРН азотистой аустенитной нержавеющей стали после разного времени старения при 650—700°С необходимо знать и потому, что этой сталью можно плакировать среднелегирован-ную конструкционную сталь для корпусов ледоколов с целью повышения коррозионно-механиче-ской и абразивной стойкости корпусов в ледовых условиях Арктики. Окончательная термическая обработка плакированного двухслойного материала обычно осуществляется по режиму упрочнения основной корпусной стали, который включает закалку и высокий отпуск при 650—700°С. Высокая температура отпуска лежит в области провоцирующих нагревов, приводящих к межкристаллит-ной коррозии азотистой нержавеющей стали (особенно при повышенном содержании углерода), а при наличии напряжений — и к межкри-сталлитному коррозионному растрескиванию, что является причиной необходимости изучения стресс-коррозионных характеристик состаренной аустенитной стали.
В настоящей работе выполнено исследование КРН малолегированной V и МЪ азотсодержащей аустенитной стали с разным содержанием углерода в 3.5%-ном водном растворе №С1 с фиксацией сигналов акустической эмиссии (АЭ) после различных обработок, включающих закалку, старение и термомеханическое воздействие.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследованию подвергали образцы аустенитных азотистых сталей 09Х20Н6Г11М2АФБ открытой выплавки (с 0.09 мас. % С) и 04Х20Н6Г11М2АФБ после электрошлакового переплава — ЭШП (с 0.04% мас. % С). Химический состав плавок приведен в табл. 1. В табл. 2 представлены режимы прокатки и последующей термической обработки сталей 09Х20Н6Г11М2АФБ и 04Х20Н6Г11М2АФБ. Сталь 04Х20Н6Г11М2АФБ-ЭШП испытывали в состоянии как после термомеханической обработки, так и последующей закалки от 1200°С. Закаленную на аустенит сталь открытой выплавки 09Х20Н6Г11М2АФБ подвергали высокотемпературному старению при 700°С (2 и 10 ч).
Для исследования сопротивления КРН использовали вырезанные поперек направления прокатки стандартные образцы размером 60 х 11 х 10 мм, имеющие острый надрез глубиной 1.5 мм (со стороны поверхности листа вдоль направления прокатки). Далее на виброустановке выращивали усталостную трещину глубиной 1.5 мм (при этом суммарная глубина концентратора напряжений составляла 3 мм). Испытания на КРН проводили по методу Брауна [9] на стандартной рычажной установке при консольном изгибе образца (ГОСТ 9903-81, метод 1). Номинальное напряжение а, действующее в устье трещины образца, рассчитывали по формуле а = РХ/Ж, где V — момент сопротивления образца, Р — усилие, вызванное
Таблица 3. Механические свойства сталей 04Х20Н6Г11М2АФБ (варианты 1.1 и 1.2) и 09Х20Н6Г11М2АФБ (варианты 2.1 и 2.2) после различных обработок
№ варианта; обработка а02, МПа аВ, МПа 5, % V, % KCV+20, Дж/см2
1.1; Закалка (З) с прокатного нагрева 750-760 930-930 40-40 70-69 300-342
12; З от 1200°С (1.5 ч) 455-466 818-842 56-61 79-81 300-320
2.1; З от 1200°С (2 ч) + старение -700°С (2 ч) 459-476 810 59 63-68 232-248
2.2; З от 1200°С (2 ч) + старение -700°С (10 ч) 470-484 821 48-50 38-41 57-62
массой расчетного груза, L - расстояние между трещиной и точкой подвеса груза. Момент сопротивления образца находили по формуле W = bh2/6, где Ь - ширина, h - высота эффективного сечения образца. В процессе испытания образец находился в ячейке с коррозионной средой, в качестве которой использовали 3.5% водный раствор NaCl, обновляемый через каждые 24 ч. Температура испытаний составляла 17—19°С. Деформацию образца регистрировали по углу изгиба образца, измеряя оптическим катетометром величину опускания метки на рычаге нагружения.
Сопротивление КРН или коррозионно-меха-ническую стойкость определяли по пороговому напряжению в коррозионной среде ст8СС, ниже которого (за базовое время ~2000 ч) разрушения образца не происходило. Относительную величину коррозионно-механической стойкости определяли по отношению напряжения в среде к разрушающему напряжению на воздухе ст8СС/стС. Значения стС определяли на воздухе в процессе постепенного увеличения нагрузки через каждые 10 мин до разрушения образца с заранее нанесенной трещиной. Следует отметить, что значения прочностных характеристик при консольном изгибе образцов с трещиной существенно отличаются от прочностных свойств, определенных при растяжении гладких образцов.
Удельную работу зарождения трещины АЗТ и работу распространения трещины А^ на воздухе (отнесенную на 1 см2 живого сечения испытуемого образца) вычисляли при 20°С по значениям ударной вязкости образцов с трещиной и без нее. Структуру
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.