научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРСПЕКТИВНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ ПРИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРСПЕКТИВНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ ПРИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 539.412:537.622.4

ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРСПЕКТИВНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ ПРИ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

© 2015 г. Э. С. Горкунов*, Е. А. Путилова*, С. М. Задворкин*, А. В. Макаров*, **, Н. Л. Печеркина**, Г. Ю. Калинин***, С. Ю. Мушникова***, О. В. Фомина***

*Институт машиноведения УрО РАН, 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34 **Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 ***ФГУП "ЦНИИ КМ "ПРОМЕТЕЙ", 191015 Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

e-mail: tuevaevgenya@mail.ru Поступила в редакцию 29.12.2014 г.; в окончательном варианте — 27.02.2015 г.

Приведены результаты исследования влияния приложенных нормальных и касательных напряжений, а также их комбинации на структуру, фазовый состав и магнитные свойства трех марок высокоазотистых сталей (ВАС). Две из исследованных сталей в исходном состоянии обладали аустенит-ной структурой и проявляли диамагнитные свойства. Третья сталь по данным рентгеноструктурного и металлографического анализа имела в своем составе 7% S-феррита, что обуславливало ее ферромагнитные свойства. Исследованные в работе азотсодержащие стали продемонстрировали стабильность фазового состава, а также магнитных свойств при различных условиях нагружения, следовательно, могут быть использованы для изготовления деталей и элементов конструкций, требующих низкой намагниченности и высокой стабильности магнитных характеристик при силовом воздействии. Установлены параметры, которые могут быть использованы в качестве информативных при оценке изменений, происходящих при изготовлении и эксплуатации деталей и элементов конструкции из ВАС с небольшим содержанием S-феррита.

Ключевые слова: высокоазотистая коррозионностойкая сталь, стабильность магнитных характеристик, нормальные и касательные напряжения.

DOI: 10.7868/S0015323015080057

ВВЕДЕНИЕ

Потребности промышленности РФ в коррози-онностойких сталях в настоящее время удовлетворяются в основном за счет использования широко известных сталей типа Х18Н10Т, для которых характерны не очень высокие значения предела текучести (250—300 МПа), а также деформационно-нестабильная структура [1, 2]. Постоянно повышающиеся требования к современным конструкционным материалам, обусловленные необходимостью снижения риска техногенных катастроф, ставят перед материаловедами задачи по созданию сталей и сплавов, обладающих одновременно высоким уровнем прочностных и пластических характеристик и коррозионной стойкостью. В последние десятилетия ведется интенсивная разработка и использование азотсодержащих коррозионностойких сталей, обладающих многими из вышеперечисленных свойств [3]. Интерес к этим сталям вызван возможностью добиться требуемого уровня свойств без введения дополни-

тельного количества дорогостоящих легирующих элементов, таких как никель, молибден и др. [2].

Легирование азотом позволяет в значительной степени повысить уровень прочностных характеристик стали при сохранении пластичности и ударной вязкости на высоком уровне. Азот также способствует повышению ряда специальных и служебных характеристик (коррозионной, кави-тационной и эрозионной стойкости) и снижению магнитной проницаемости материала. Введение в сталь азота ведет к снижению количества дорогостоящих и дефицитных элементов, себестоимости производимого материала, а следовательно, и конечного продукта [4—7]. Являясь, аналогично углероду, элементом внедрения, азот благотворно влияет на формирование структуры и свойств стали. В работах [4, 8] проведен анализ поведения этих двух элементов в твердых растворах железа. Основным практическим результатом описанных в этих работах эффектов является способность азота участвовать в различных механизмах упрочнения (твердорастворном, дисперсионном, де-

Таблица 1. Химический состав исследованных сталей, ат. %

Марка стали С Мп Р 8 Сг N1 Мо Си И Nb + V N

04Х20Н14Г6М2АСБ 0.04 0.18 5.09 0.03 0.02 19.13 14.05 2.38 0.13 0.01 0.21 0.33

04Х20Н6Г11М2АФБ-1 0.04 0.34 10.58 0.02 0.01 19.94 6.24 1.58 0.09 0.01 0.40 0.37

04Х20Н6Г11М2АФБ-2 0.04 0.15 10.14 0.02 0.01 18.97 6.70 1.34 0.10 0.01 0.31 0.47

формационном, зернограничном) аустенитных сталей без снижения их пластических свойств.

Освоение производства и применение азотсодержащих сталей проводилось одновременно в странах Европы, США, Японии и России [3, 9, 10]. Примерами применения сталей подобного класса являются неферромагнитная корпусная сталь марки 1.3964, разработанная в Германии в 1970-х годах, а также сталь аустенитного класса повышенной прочности НН3Б (08Х18Г12Н5АБ), разработанная ЦНИИЧЕРМЕТ и используемая для изделий судового машиностроения (гребных валов, шестерен и крепежа палубных механизмов и винтов) [3, 9—11]. Однако наряду с повышенной прочностью (предел текучести более 490 МПа) сталь НН3Б обладает недостаточно хорошей свариваемостью и низкой стойкостью к межкристаллитной коррозии, что ограничивает ее применение для изготовления листового проката для корпусного судостроения [11]. В начале 80-х годов ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей" совместно с ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН с участием ИФМ УрО РАН, учитывая все основные мировые тенденции, приступили к разработке новых аустенитных высокопрочных сталей. За основу при создании новых корпусных неферромагнитных судостроительных сталей была принята концепция легирования азотом не в качестве дополнительного, а в качестве основного легирующего элемента внедрения [11].

Результатом этих разработок явилось создание сталей 04Х20Н14Г6М2АСБ и 04Х20Н6Г11М2АФБ, в которых высокая прочность сочетается с пластичностью и коррозионной стойкостью. Структура, фазовые превращения и механические свойства данных сталей были подробно изучены и описаны в работах [3, 9—18]. Однако влияние упругопластической деформации на их структуру и свойства изучено недостаточно, хотя одним из важнейших требований к изделиям из ВАС является стабильность фазового состава и, во многих случаях, магнитных характеристик при силовом воздействии. В связи с этим возникает необходимость диагностики изменений, происходящих в изделиях из подобных материалов в процессе изготовления и эксплуатации. Актуальна также задача разработки методик неразрушающего контроля для оценки текущего состояния деталей машин и элементов конструкций из высокоазотистых сталей.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Исследования проводили на образцах, вырезанных из листовых заготовок (толщиной 20 и 30 мм) двух марок горячекатаных азотсодержащих сталей, предоставленных ФГУП ЦНИИ КМ "Прометей", 04Х20Н14Г6М2АСБ и 04Х20Н6Г11М2АФБ. Сталь 04Х20Н6Г11М2АФБ была представлена двумя плавочными составами, далее по тексту 04Х20Н6Г11М2АФБ-1 и 04Х20Н6Г11М2АФБ-2. Химический состав исследованных сталей приведен в табл. 1. Химический состав определяли при помощи эмиссионного спектрометра 8РЕСТЯОМАХх и анализатора кислорода и угле-1

рода 0М-900 . Легирование обеих сталей хромом необходимо для обеспечения высокого уровня коррозионных свойств, также хром и марганец улучшают растворимость азота, а введение никеля способствует стабилизации аустенитной структуры. Молибден в небольшом количестве вводят для повышения стойкости к питтинговой коррозии [11]. Введение ванадия и ниобия в сталь, как известно [11, 19], способствует измельчению аусте-нитного зерна, дополнительному повышению прочностных характеристик в результате выделения дисперсных нитридных частиц, а также предотвращению межкристаллитной коррозии. Разница в легировании этих двух сталей заключается в основном в различном соотношении никеля и марганца. Изначально сталь 04Х20Н14Г6М2АСБ разрабатывалась как сталь с пределом текучести не менее 400 МПа, а сталь 04Х20Н6Г11М2АФБ - как более высокопрочная сталь, с пределом текучести 500 МПа и выше [11]. Поскольку хромомарганце-вый азотистый аустенит при пластической деформации упрочняется в большей степени, чем хромо-никелевый [20, 21], то для второй стали разработчики выбрали систему легирования Сг—Мп—М

В литературе [3—5] обе марки стали позиционируются как неферромагнитные стали с аустенитной структурой. Однако по данным рентгеноструктур-ного и металлографического анализов в стали 04Х20Н6Г11М2АФБ-1 наряду с аустенитом присутствует 8-феррит в количестве в среднем 7%. Стали 04Х20Н14Г6М2АСБ и 04Х20Н6Г11М2АФБ-2 являются однофазными и содержат только аустенит.

1 Химический анализ был выполнен в Испытательном центре "Ставан-Тест", ОАО "Уральский Институт металлов".

Испытания на одноосное растяжение проводили на десятикратных цилиндрических образцах с головками по ГОСТ 1497-84 с диаметром рабочей части 7 мм. Для испытаний на кручение и комбинированное нагружение использовали полые цилиндрические образцы, внешний диаметр Б = 12 мм, а внутренний — 9 мм. Использование полых образцов позволило уменьшить неоднородность распределения деформации по сечению образца при кручении. Образцы были вырезаны как вдоль, так и поперек направления прокатки исходного листа. В дальнейшем было установлено, что направление вырезки образцов практически не влияет на механические и магнитные свойства материалов. Испытания на растяжение, сжатие и кручение проводили до разрушения образца, при комбинированном нагружении (растяжение (сжатие) — кручение) только в упругой области деформирования.

Испытания проводили при комнатной температуре на универсальной испытательной машине с максимальным усилием растяжения (сжатия) 50 кН и максимальным крутящим моментом 200 Н м. По достижении определенной степени деформации процесс нагружения приостанавливали без разгрузки образца, и при помощи магнитно-измерительного комплекса Яеша§гарИ С-500 регистрировали петли магнитного гистерезиса. Измерения проводили по схеме пермеаметра. Магнитное поле напряженностью до 500 А/см прикладывали вдоль оси образца. Из петель магнитного гистерезиса определяли значения коэрцитивной силы Нс, остаточной индукции Вг и намагниченности в максимальном приложенном поле ^0Ммакс (ц0 = = 4я х 10-7 Гн/м — магнитная постоянная). Погрешность измерения поля и индукции не превышала 3%. Из основной кривой намагничивания определяли максимальную магнитную прони

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»