научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ С РАЗНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА В ХЛОРИДНЫХ И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ Физика

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ С РАЗНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА В ХЛОРИДНЫХ И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ»

^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.15-194.56:539.4

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ С РАЗНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА В ХЛОРИДНЫХ И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ СРЕДАХ

© 2015 г. С. Ю. Мушникова**, В. В. Сагарадзе*, Ю. И. Филиппов*, Н. В. Катаева*, В. А. Завалишин*, В. А. Малышевский**, Г. Ю. Калинин**, С. К. Костин**

*Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **ФГУП "ЦНИИКМ "Прометей", Санкт-Петербург e-mail: vsagaradze@imp.uran.ru Поступила в редакцию 23.10.2014 г.; в окончательном варианте — 10.12.2014 г.

На образцах с выращенной трещиной определено структурное состояние и сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) при постоянных нагрузках методом консольного изгиба закаленных аустенитных нержавеющих сталей типа 20Cr—6Ni—11Mn—2Mo—N—V—Nb (Х20Н6Г11М2АФБ) с разным содержанием азота (0.17; 0.34; 0.43 и 0.50 мас. % N). Испытания проводили в 3.5% водном растворе NaCl (без поляризации) и в таком же растворе при наложении катодной поляризации, вызывающей образование водорода. Показано, что в хлоридном растворе без поляризации стали не подвергаются КРН в течение 2000 ч. При значительной катодной поляризации магниевым протектором обнаружен хрупкий характер изломов при КРН во всех сталях. Показано, что сталь с содержанием азота 0.43 мас. % обладает максимальными абсолютными значениями разрушающих напряжений в условиях катодной поляризации.

Ключевые слова: азотсодержащие аустенитные стали, нитриды, коррозионное растрескивание, водородное охрупчивание, электронная микроскопия.

DOI: 10.7868/S0015323015060054

1. ВВЕДЕНИЕ

Аустенитные парамагнитные нержавеющие стали с 0.3—0.5 мас. % азота обладают достаточно высокими характеристиками прочности, пластичности, ударной вязкости, износостойкости и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) в агрессивных средах [1—8]. Поэтому азотсодержащие аустенитные стали могут использоваться в качестве неферромагнитных материалов для высоконагруженных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, в том числе в морской воде. Данные стали целесообразно применять в качестве плакирующего материала корпусов арктических ледоколов, так как они имеют не только абразивную стойкость и высокое сопротивление КРН, но и достаточную устойчивость против питтинговой коррозии.

Основным результатом коррозионно-механи-ческого воздействия на подобные аустенитные стали является коррозионное растрескивание под напряжением, которое зависит от состава коррозионной среды, исходной структуры металла и приложенных напряжений. Получение повышенных прочностных характеристик в азотсодержащих сталях обычно связано [8—10] с осуществлением твердорастворного упрочнения азотом, с

дисперсионным твердением за счет частичного выделения нанонитридов, а также с сохранением субзеренной структуры с повышенной плотностью дислокаций после высокотемпературной прокатки. В зависимости от реализации каждого из перечисленных методов упрочнения или комплексного воздействия может фиксироваться разное сопротивление КРН. Различают два основных механизма коррозионного растрескивания: анодный механизм, обусловленный локальным растворением металла, и водородный механизм, связанный с проникновением водорода, если обеспечено его образование в коррозионной среде [11]. Одни и те же стали могут вести себя по-разному в различных коррозионных условиях.

В настоящей работе исследовано влияние двух типов коррозионно-механического воздействия на сопротивление КРН аустенитных нержавеющих сталей с разным содержанием азота (без поляризации и с высокой катодной поляризацией, обеспечивающей образование водорода).

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В условиях опытного производства ЦНИИ КМ "Прометей" были выплавлены четыре аустенитные

Таблица 1. Химический состав исследованных азотсодержащих аустенитных нержавеющих сталей А, В, С, D (мас. %)

Сталь С N Cr Ni Mn Mo Nb V Si S P

А 0.06 0.50 19.90 7.30 11.65 1.27 0.19 0.22 0.34 0.007 0.006

В 0.05 0.17 18.50 7.19 11.65 1.32 0.16 0.21 0.40 0.010 0.006

С 0.05 0.34 19.65 6.94 11.70 1.28 0.16 0.24 0.38 0.009 0.006

D 0.05 0.43 18.80 7.05 11.60 1.39 0.18 0.21 0.44 0.009 0.006

нержавеющие стали (А, В, C, D) с практически постоянным базовым составом типа 20Cr— 6Ni— 11 Mn—2Mo—N—V—Nb (Х20Н6Г11М2АФБ) и разным содержанием азота (от 0.17 до 0.50 мас. %). Химический состав сталей приведен в табл. 1.

Слитки массой 40 кг проковывали на заготовки и прокатывали на пластины толщиной 13—20 мм по технологии — закалка с прокатного нагрева (ЗПН). Полученные пластины разрезали на заготовки под образцы, которые подвергали закалке от 1250°С (выдержка 1 ч) с охлаждением в воде.

Испытания на КРН проводили по методу Брауна [12] на стандартной рычажной установке при консольном изгибе образца с постоянной нагрузкой (ГОСТ 9903-81, метод 1). Базой коррозион-но-механических испытаний было выбрано время не менее 2000 ч. Номинальное напряжение а, действующее в устье трещины образца, рассчитывали по формуле а = PL/W, где W— момент сопротивления образца; P — усилие, вызванное массой расчетного груза; L — расстояние между трещиной и точкой подвеса груза. Момент сопротивления образца находили по формуле W = bh2/6, где b — 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°C. При испытании на КРН использовали прямоугольные образцы (размером 60 х 11 х 10 мм) с острым надрезом-концентратором Шарпи глубиной 1.5 мм и выращенной на виброустановке усталостной трещиной глубиной 1.5 мм (рабочее сечение образца составляло ~8 х 10 мм). Сначала на испытательной машине FP-100 в условиях консольного изгиба образцов с трещиной определяли разрушающее напря-

возд п и

жение на воздухе аразр. По диаграмме нагрузка-прогиб" определяли максимальную нагрузку и пересчитывали ее на условное значение разрушающего напряжения стр^, учитывая исходное рабочее сечение образца.

Испытания на КРН в коррозионной среде (3.5% NaCl) проводили на таких же образцах с трещиной при консольном изгибе без катодной поляризации и с использованием протектора. В

первом случае образец помещали в ячейку, заполненную раствором хлористого натрия. Во втором случае в ячейку с раствором помещали протектор из магния, который соединяли с испытуемым образцом металлическим проводником. При растворении магниевого протектора на поверхности металла (испытуемого образца) происходило выделение водорода по реакции Mg + 2H2O ^ Mg2+ + + H2 + 2(OH)-.

Приложенные напряжения в коррозионной среде должны были по расчету составлять ~0.7; 0.8;

0п возд

.9 от разрушающего напряжения на воздухе а разр.

Структуру стали исследовали с помощью светового микроскопа Neophot-21 и трансмиссионного электронного микроскопа JEM-200CX с анализом микродифракций и темнопольных изображений в Испытательном центре нанотехнологий и перспективных материалов ИФМ УрО РАН. Изломы изучали на растровом электронном микроскопе Quanta 200 с системой PEGASUS, которая позволяет получать изображение и анализировать химический состав интересующего микроучастка.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Структура закаленных аустенитных сталей с разным содержанием азота

На рис. 1 представлена зеренная структура исследованных образцов. Стали после закалки от высокой температуры имеют близкую к равноосной зеренную аустенитную структуру без признаков ВТМО. Наблюдаются двойники отжига. Преобладающий размер зерен в сталях А, C, D 300— 400 мкм. Сталь плавки В с 0.17 мас. % азота (рис. 1б) содержит темные строчки ферромагнитного S-фер-рита (около 4%) и имеет существенно меньший размер зерен (~50—100 мкм). Замедление роста зерна в этой стали при 1250°C и выдержке 1 ч объясняется наличием S-феррита, который, как и в сталях с дуплекс структурой, сдерживает рост зерна. Каких-либо крупных нитридов и включений по границам зерен не обнаружено.

В табл. 2 представлены значения ударной вязкости KCV+20, а также определенные при растяжении на гладких образцах значения пластично-

Рис. 1. Структура закаленных от 1250°С аустенитных сталей типа 20Сг— 6№— 11Мп— 2Мо—К—V—КЪ (Х20Н6Г11М2АФБ) с 0.50, 0.17, 0.34, 0.43 мас. % азота (соответственно плавки А (а), В (б), С (в) и D (г)).

сти (8, у) и прочностные характеристики (ст0.2, ств). Прочностные характеристики всех сталей при растяжении различаются мало, незначительно увеличиваясь с повышением содержания азота. Несколько повышенные значения предела текучести ст02 (444 и 474 МПа) и временного сопротивления ств (810 и 866 МПа) имеют стали с 0.43 и 0.50 мас. % азота соответственно. Меньшие значения ст02 и ств наблюдаются в стали с 0.34 мас. % азота. Достаточно высокие значения прочностных характеристик в стали с 0.17 мас. % азота можно объяснить

малым размером аустенитного зерна и наличием мелких включений 8-феррита. Относительное удлинение 8 и относительное сужение у во всех сталях находятся на близком уровне. Значения ударной вязкости при 20°С превышают 100 Дж/см2. Наиболее низкое значение ударной вязкости наблюдается в стали с максимальным содержанием азота.

Тонкая структура закаленных от 1250°С сталей А, В, С и Б представлена на рис. 2. Наблюдаются практически свободные от дислокаций крупные

Таблица 2. Механические свойства аустенитных сталей А, В, С, Б с разным содержанием азота

Сталь К, мас. % ст0.2, МПа ств, МПа 5, % % КСУ+20, Дж/см2

А 0.50 474 866 58.7 68.3 117

в 0.17 433 702 56.7 75.3 169

С 0.34 440 755 57.8 72.2 146

Б 0.43 444 810 60.4 70.1 207

Рис. 2. Темнопольные изображения (а, в, г, д) нитридов УК(СгЫ) в рефлексах (200)-ы и соответствующие электроно-граммы (б, е) закаленных сталей А(а, б), В(в), С(г), D(д, е) с содержанием азота 0.50, 0.17, 0.34, 0.43 мас. % соответственно.

рекристаллизованные аустенитные зерна с дисперсными выделениями нитридов типа УЫ или СгЫ размером менее 5 нм, которые равномерно распределены по всему объему. Соответствующие микродифракции и т

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