научная статья по теме ПРИЧИНЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА Математика

Текст научной статьи на тему «ПРИЧИНЫ ВЫСОКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Математика»