ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
669.15-194.55
ПРИЧИНЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ
МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА © 2015 г. В. А. Дудко, А. Н. Беляков, Р. О. Кайбышев
Представлено академиком РАН В.М. Счастливцевым 25.12.2014 г.
Поступило 26.03.2015 г.
В работе обсуждены причины высокой жаропрочности мартенситных сталей с 9% Сг на основании результатов исследования эволюции дислокационной структуры мартенсита в стали 10Х9В2МФБР в процессе ползучести при 650°С. Структура стали после отпуска характеризовалась значительными упругими микродеформациями кристаллической решетки, источником которых были дислокации с одинаковым знаком и дальнодействующие напряжения от дисклокационных границ реек. Повышенное сопротивление ползучести в жаропрочных сталях, содержащих 9% Сг, достигается благодаря действию как пороговых напряжений от карбонитридов М(С,К), так и от внутренних упругих напряжений.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 464, № 1, с. 47-50
УДК
Б01: 10.7868/80869565215250131
Уникально высокая жаропрочность современных высокохромистых сталей мартенситного класса типа 10Х9В2МФБР при температурах до 650°С достигается комплексным легированием, которое обеспечивает устойчивость дислокационной структуры мартенсита при отпуске и ползучести благодаря тверд орастворному и дисперсионному упрочнению [1, 2]. При отпуске в фер-ритной матрице сталей этого типа однородно выделяются карбонитриды М(С^), а по границам реек, пакетов и бывших аустенитных зерен — карбиды М23С6 [1—3]. Именно введение карбонитридов размером от 10 до 30 нм в стали мартенситного класса с 9% Сг и 1% Мо позволило повысить температуру их эксплуатации на 100°С [2]. До настоящего времени считали [2, 3], что уникально высокая жаропрочность связана с тем, что карбонитриды подавляют миграцию границ реек. Однако в работе [1] было установлено, что наибольший вклад в суммарную силу, тормозящую миграцию границ, вносят зернограничные карбиды, тогда как зинеровская сила торможения от частиц М(С^) в несколько раз меньше. Соответственно подавление миграции границ реек за счет зернограничных частиц не может быть причиной рекордной жаропрочности стали 10Х9В2МФБР, поскольку их удельный объем такой же, как в стали Р9 (0.1 мас. %С-9Сг-1Мо), которая может экс-
Белгородский государственный национальный исследовательский университет E-mail: dudko@bsu.edu.ru
плуатироваться только до 520°С [2]. Цель настоящей работы — установить роль карбонитридов в ползучести стали 10Х9В2МФБР.
В работе впервые показано, что высокая жаропрочность сталей мартенситного класса типа 10Х9В2МФБР обусловлена тем, что наноразмер-ные частицы М(С,^ эффективно тормозят движение дислокаций при ползучести и предотвращают трансформацию дислокационных границ реек, которые являются источниками дальнодей-ствующих полей упругих напряжений, в субзе-ренные границы. Таким образом, торможение дислокаций при ползучести обеспечивается одновременным действием двух механизмов, связанных с взаимодействием движущихся дислокаций с дисперсными частицами и полями упругих напряжений. До настоящей работы ни в одном материале не наблюдали одновременного действия двух механизмов пороговых напряжений. Именно высокие пороговые напряжения обеспечивают уникальное сопротивление ползучести сталей типа 10Х9В2МФБР. Представленный анализ существенно расширяет современные представления о физических механизмах прочности теплотехнических сталей.
В работе была исследована сталь 10Х9В2МФБР (Бе-0.1 мас. %С-0.178ь0.54Мп-8.75Сг-0.21№-0.51Мо-1.60^г-0.23У-0.07№>). Термическая обработка состояла из нормализации от 1050 ± 10°С и последующего отпуска в течение 3 ч при 720 ± ± 10°С. Детали методик испытаний на ползучесть и микроструктурных исследований описаны в работах [1, 4, 5].
Таблица 1. Параметры микроструктуры стали 10Х9В2МФБР после отпуска при 720°С и после ползучести при 650°С до различных степеней деформации
Фаза, параметр Отпуск Степень деформации
1% 4% 8% 18%
Фаза Лавеса:
размер, нм - 215 ± 32 286 ± 43 313 ± 47 303 ± 47
доля, об. % - 1.17 1.17 1.17 1.17
Ме2зСб:
размер, нм 110 ± 25 140 ± 33 169 ± 39 158 ± 9 195 ± 39
доля, об. % 1.79 1.79 1.79 1.79 1.79
МеХ:
размер, нм 31 ± 15 31 ± 16 42 ± 9 36 ± 8 46 ± 24
доля, об. % 0.23 0.23 0.23 0.23 0.23
Поперечный размер реек (субзерен), нм 330 ± 25 330 ± 25 430 ± 60 710 ± 20 740 ± 50
Плотность дислокаций, 1014 м-2 6.2 ± 0.7 3.6 ± 1.2 2.2 ± 0.7 1.0 ± 0.4 1.0 ± 0.4
Средняя разориентировка границ реек 2.7 2.6 2.1 2.3 2.7
Параметры микроструктуры после отпуска и различных степеней деформации при 650°С и напряжении 118 МПа [1, 4] приведены в табл. 1. Несмотря на постепенный рост поперечного размера реек при ползучести, их средняя разориентировка не изменяется. Следовательно, дислокации, которые захватываются этими границами в процессе ползучести [6], взаимно аннигилируют.
Зависимости скорости деформации от напряжения при 650°С показаны на рис. 1. В интервале
s, с 10-3
10
10
10
200 МПа
160 МПа О .
10
10-/| 140 МПа
10
20
s, %
Рис. 1. Зависимость скорости деформации от степени деформации в стали 10Х9В2МФБР при 650°С.
степеней деформации от 1 до 4% достигается минимальная скорость деформации (é min) при всех напряжениях. Анализ зависимости é min от приложенного напряжения (а) показал, что она подчиняется степенному закону [2]: é min = ^(а — ath)", где ath — пороговое напряжение, n — истинный показатель степени при напряжении. Этот закон описывает поведение при ползучести материалов, в которых пороговые напряжения препятствуют движению дислокаций. Рассчитанные величины n = 5.5 и а th = 88 МПа указывают на то, что сталь эксплуатируется в режиме горячей деформации, а ее высокое сопротивление ползучести обеспечивается исключительно присутствием пороговых напряжений. Величина пороговых напряжений несколько больше допустимых напряжений в этой стали для ресурса 105 ч, что уникально для жаропрочного материала [2].
Обычно источником пороговых напряжений являются дисперсные частицы. В сталях типа 10Х9В2МФБР карбиды М23С6 и фаза Лавеса расположены преимущественно по границам и не могут служить препятствием для подвижных дислокаций. Поэтому источником пороговых напряжений могут быть только частицы М(С, N). Величины теоретических пороговых напряжений, рассчитанные по известным моделям [7], приведены в табл. 2 вместе с экспериментально определенными значениями. Однако в высокохромистых сталях мартенситного класса в отличие от других жаропрочных материалов присутствуют внутренние упругие напряжения [2]. Они также могут тормозить движение дислокаций.
Касательные напряжения (ijath) внутри отдельных реек, которые связаны с упругим искажени-
ПРИЧИНЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
49
Таблица 2. Пороговые напряжения (МПа), рассчитанные по различным моделям, а также величины внутренних напряжений, определенных различными методами
6, % Напряжение Орована Локальное переползание Напряжение отрыва Внутреннее напряжение Экспериментальное пороговое напряжение*, т/й
ПЭМ РСА
0 62 19 51 76 66 -
1 62 19 51 49 47 51
4 62 19 38 43 34 -
8 53 16 44 40 26 -
18 42 13 34 22 22 -
^Приведены касательные напряжения т^ = а^/л/3 .
ем кристаллической решетки, были рассчитаны по уравнению тШк/0 = 0.35/9//т, где / — толщина фольги, 9 — угол разориентировки между двумя точками внутри рейки, определенный методом линий Кикучи в сходящемся электронном пучке на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), и /т — расстояние между точками внутри рейки, в которых определена ориентировка [8]. Средние величины внутренних напряжений после отпуска и деформации до 1, 4, 8, 18% при 650°С и начальном напряжении 118 МПа приведены на рис. 2 вместе с напряжениями, определенными методом рентгеноструктурного анализа (РСА).
Главным источником внутренних напряжений служат отдельные дислокации внутри реек и дислокационные границы реек. При ползучести происходит перестройка дислокаций в границах реек, что приводит к их трансформации в совершенные субзеренные границы, которые имеют низкие дальнодействующие напряжения или не имеют их совсем. Эта трансформация объясняет неизменность их разориентировки с увеличением степени деформации. Одновременно взаимная аннигиляция решеточных дислокаций с противоположными векторами Бюргерса уменьшает их плотность (табл. 1). Развитие этих двух процессов приводит к уменьшению дальнодействующих упругих напряжений (рис. 2). Карбонитриды М(С,К), блокируя движение дислокаций внутри реек и их перераспределение в границах реек, препятствуют этой трансформации, в то время как зернограничные частицы М23С6 и фаза Лавеса могут только сдерживать миграцию субзеренных границ и замедлять перестройку границ реек в субзеренные границы.
Таким образом, главной причиной высокой жаропрочности являются пороговые напряжения, связанные как с наличием в структуре стали карбонитридов М(С, К), так и с внутренними упругими напряжениями. Величины напряжений отрыва и внутренних напряжений, измеренных методами РСА и ПЭМ, близки к пороговым на-
пряжениям т^ (табл. 2). Вероятно, действия напряжений этих двух типов торможения движущихся дислокаций происходят параллельно, внося совместный вклад в жаропрочность. Стали мартенситного класса могут сопротивляться ползучести до тех пор, пока карбонитриды М(С, К) тормозят движение дислокаций и соответственно препятствуют релаксации внутренних напряжений из-за перестройки дислокаций в границах реек и уменьшения плотности решеточных дислокаций.
Авторы выражают благодарность центру коллективного пользования "Диагностика структуры и свойств наноматериалов" НИУ БелГУ за оборудование, предоставленное для проведения структурных исследований.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (проект 14—29—00173).
т, МПа 80
60
40 -
20 -
20
8, %
Рис. 2. Зависимость внутренних напряжений от степени деформации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Dudko V., Belyakov A., Molodov D., Kaibyshev R. Microstructure Evolution and Pinning of Boundaries by Precipitates in a 9 pct. Cr Heat Resistant Steel During Creep // Metal. Mat. Trans. A. 2013. V 44. P. 162— 172.
2.
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.