Особенности формирования структуры и свойств при выплавке, термической обработке и пластической деформации коррозионно-стойких свариваемых хромоникелевых сталей, легированных азотом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Тонышева, Ольга Александровна

• Тонышева, Ольга Александровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Тонышева, Ольга Александровна

Оглавление

Введение

Глава I Состояние вопроса

§ 1 Коррозионностойкие стали различного структурного состояния

1.1 Аустенитные стали

1.2 Мартенситные стали

1.3 Стали переходного класса

§ 2 Азотосодержащие стали

2.1 Влияние термической и пластической обработки

на структуру и свойства азотосо держащих сталей

2.1.1 Аустенитные азотосодержащие стали

2.2.2 Азотосодержащие коррозионностойкие стали мартенситного класса

§ 3 Стали со сверхравновесным содержанием азота

§ 4 Коррозионностойкие стали, легированные С + N

§ 5 Влияние азота на свариваемость сталей

§ 6 Выплавка азотосодержащих сталей

Постановка и задачи исследования

Глава II Материал и методика исследований

§ 1 Выплавка высокопрочных коррозионностойких сталей

с равновесным и повышенным содержанием азота

1.1 Стали с содержанием азота до 0,10 %

1.2 Стали с повышенным содержанием азота (более 0,10 %)

§ 2 Горячая деформация слитков и термическая обработка полуфабрикатов сталей

§ 3 Получение прутков и листов методом ВТМО

§ 4 Исследование фазового состава

§ 5 Исследование механических и коррозионных свойств

§ 6 Анализ микроструктуры

§ 7 Сварка азотосодержащих сталей

7.1 Сталь ВНС-73 с содержанием азота до 0,10 %

7.2 Сталь ВНС-72 с повышенным содержанием азота

Результаты эксперимента

Глава III Оптимизация химического и фазового состава

при выплавке в открытой печи высокопрочных коррозионностойких сталей с повышенным азотом с целью получения максимально возможного количества азота

§ 1 Выплавка сталей с содержанием азота до 0,10 %

§ 2 Выплавка сталей с повышенным содержанием азота более 0,10 %

2.1 Стали мартенситного и аустенитно-мартенситного класса

2.2 Сталь аустенитного класса

Выводы по главе III

Глава IV Внедрение результатов исследования в промышленность

Выводы по главе IV

Глава V Разработка способов упрочнения

коррозионностойких азотосодержащих сталей

§ 1 Исследование влияние высокотемпературной термомеханической обработки

(ВТМО) на структуру и физико-механические свойства сталей с повышенным содержанием азота

1.1 Влияние ВТМО на свойства высокоазотистой стали аустенитного класса

1.2 Влияние ВТМО на сталь переходного класса ВНС-72

1.3 Влияние ВТМО на сталь переходного класса ВНС-72

промышленного производства

§ 2 Разработка режимов термообработки с целью повышения механических свойств

азотосодержащих сталей промышленных плавок

2.1 Термоциклическая обработка азотосодержащих сталей

2.2 Влияние промежуточного отжига

Выводы по главе V

Глава VI Исследование влияния сварки на структуру,

механические и коррозионные свойства азотосодержащих сталей

§ 1 Исследование свойств сварных соединений стали ВНС-73

§ 2 Исследование свойств сварных соединений стали ВНС-72

Выводы по главе VI

Общие выводы по работе

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности формирования структуры и свойств при выплавке, термической обработке и пластической деформации коррозионно-стойких свариваемых хромоникелевых сталей, легированных азотом»

Введение

Развитие авиации, связанное с ростом скоростей, больших давлений, агрессивных сред, требует расширение научно-исследовательских работ, материаловедческих и технологических решений по увеличению надежности, коррозионной стойкости, эксплуатационной долговечности.

Силовые элементы планера, шасси современных летательных аппаратов - это детали, оказывающиеся под влиянием значительных нагрузок, и их целостность обеспечивает прочность всей конструкции. Помимо этого, влажный воздух, в том числе морской, промышленная атмосфера - все это вызывает образование коррозии даже во время стоянки летательной техники.

Материалы, идущие на изготовление силовых элементов, должны выдерживать циклические нагрузки, обладать высоким запасом прочности, трещиностойкостью и коррозионной стойкостью.

Для обеспечения вышеперечисленных характеристик наиболее подходят высокопрочные коррозионностойкие стали.

Одним из актуальных направлений развития в области разработок сталей и технологий их получения является введение азота в качестве легирующего элемента, что создало новую нишу исследований влияния азота на структуру и свойства таких сталей с возможностью получения высоконадежных материалов.

Легирование азотом оказалось довольно перспективным и вызвало интерес по изучению оптимального с точки зрения свойств количества азота и его способности влиять на фазовые и структурные превращения.

По мере получения экспериментальных и теоретических данных роль азота в стали была определена как частичного заменителя никеля и некоторых дорогостоящих легирующих элементов. Азот, как и углерод, упрочняет сталь, но при этом увеличение количества азота не вызывает сильного охрупчивания, подобно углероду. Легирование совместно углеродом и азотом наиболее эффективно упрочняет сталь. Однако некоторые исследователи предлагают сократить содержание углерода до минимума для придания стали наибольшей вязкости при высокой прочности [1].

В мире азотистые коррозионностойкие стали широко и успешно применяют. В настоящее время в промышленности используются более 200 марок сталей, легированных азотом. Наибольшее количество азотсодержащих нержавеющих сталей выплавляется в Китае и Индии,

в странах с наиболее динамично развивающейся металлургией. Доля азотсодержащих коррози-онностойких сталей в мире постоянно увеличивается и оценивается сейчас примерно в 10 % от общего объема выплавки. В то же время в Азии эта доля достигает ~20 %.

Стали с азотом находят все более широкое применение в различных отраслях промышленности: медицине, в химической и пищевой промышленности, судостроении и авиации.

Получение сталей с азотом сопровождается определенными трудностями, так как при кристаллизации растворимость азота резко снижается, что приводит к образованию газовых пузырей и пористости в слитке. Наибольшая растворимость азота наблюдается в аустенитных сталях, где легирование этим элементом возможно до 0,5-0,6 %. Одним из представителей подобного рода сталей с указанным количеством азота является сталь 04Х21Г11НЗАМФ. В данной работе были исследованы фазовые и структурные изменения при выплавке и термодеформационной обработке азотосодержащей стали 04Х21Г11НЗАМФ аустенитного класса.

В работе также изучены закономерности изменения структуры и свойств при выплавке, термической обработке, пластической деформации и сварки следующих азотосодержащих сталей:

- сталь ВНС-73 мартен ситного класса с прочностью ав > 1370 МПа, содержащей равновесное количество (до 0,10 %) азота, свариваемой в термооупрочненном состоянии;

- стали с повышенным содержанием азота (более 0,10 %) аустенитно-мартенситного класса типа ВНС-72 с пределом прочности ав = 1600-1700 МПа и мартенситного класса ВНС-74 с пределом прочности ав > 1400 МПа

Глава I Состояние вопроса § 1 Коррозионностойкие стали различного структурного состояния

1.1 Аустенитные стали

На начальной стадии разработок коррозионностойких сталей наибольшее развитие получили стали с прочностью до 1150 МПа после обычной термической обработки, как правило, аустенитного класса. Аустенитные коррозионностойкие стали применяют для слабонагружен-ных жаропрочных и жаростойких деталей: роторы, лопатки турбин, используют в криогенной технике. Для повышения жаропрочности и хладостойкости аустенитные стали легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором.

Примером аустенитных сталей является сталь 12Х18Н10 и ее зарубежный аналог AISI 304 с пределом прочности ов > 550 МПа, стали ЭИ 481, ЭИ 696, ЭИ 878 с пределом прочности gb « 1170 МПа и пределом текучести аод « 600-980 МПа.

Недостатками сталей с аустенитной структурой является их высокая стоимость и низкий предел прочности и текучести, компенсируемые увеличением толщины деталей и, соответственно, их массы.

Использование в конструкции авиационной техники тяжелонагруженных деталей, а также актуальность снижения веса самолетов потребовало разработку сталей с более высокими характеристиками прочности, что обеспечивают стали мартенситного и аустенитно-мартенситного (переходного) класса.

1.2 Мартенситные стали

Стали мартенситного класса, разработанные для изготовления тяжелонагруженных деталей, могут обладать пределом прочности более 1500 МПа.

Указанные стали имеют два пути упрочнения: 1) легирование элементами, вызывающими старение стали и 2) легирование углеродом.

Мартенситностареющие коррозионностойкие стали (отечественные стали ВНС-17, ЭП961 (03Х9К14Н6МЗД), 10Х17Н13МЭТ, 09Х15Н8Ю, ВНС-2 и ЭП817; зарубежные стали 17-4РН, РУ 520) характеризуются содержанием углерода не более 0,03 %. Благодаря наличию титана, алюминия, меди при температуре старения образуются высокодисперсные интерметал-лиды, сдерживающие движение дислокаций, упрочняя, таким образом, сталь.

В таблице 1 представлен химический состав некоторых мартенситных сталей, упрочняемых старением, а в таблице 2 - их механические свойства [2, 3].

Мартенситностареющие коррозионностойкие стали весьма чувствительны к различным концентраторам напряжений и наличию неметаллических включений, приводящие к преждевременному разрушению деталей. Увеличение вязкости таких сталей было достигнуто за счет легирования никелем [4], но содержание хрома при этом пришлось снизить до 10-12 % во избежание выхода стали из мартенситного класса.

Таблица 1

Химический состав мартенситностареющих коррозионностойких сталей [2, 3]

Марка стали Содержание элементов, % масс.

С Сг № Мо Т1 М) Си

17-4РН (США) 0,07 17,0 4,0 - - 0,35 4,0

БУ 520 (В) (Англия) 0,05 14,0 5,5 1,8 - 0,4 1,8

ВНС-2 <0,08 13,5-14,8 4,8-5,8 - 0,03-0,15 - 1,7-2,5

ЭП817 0,05-0,08 13,5-14,8 5,4-6,0 1,4-1,7 0,03-0,10 0,25-0,40 1,8-2,5

ВНС-17 <0,05 10,5 9,5 2,0 0,7-1,1 - -

Механические свойства мартенситностареющих коррозионностойких сталей [2, 3]

Марка стали Полуфабрикат Термическая обработка Механические свойства

МПа сто,2, МПа 5,% ч/,% KCU, Дж/см2

17-4РН пруток Закалка 1040 °С + старение 470 °С, 1 ч. 1350 1250 15 47 -

FV520 (В) пруток Закалка 1050 °С + 850 °С старение 450 °С, 1 ч. 1225 1127 20 55 -

Закалка 1050 °С + 750 °С старение 560 °С, 1 ч. 1019 970 23 65 -

Закалка 1050 °С + 750 °С старение 620 °С, 1 ч. 921 554 27 66 -

ВНС-2 пруток Закалка 950 °С + старение 515 °С, 1 ч. 1323 980 17 63 12-14

лист 1372 1274 - -

ЭП817 поковка Закалка 1000 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + отпуск 510 °С, 1 ч. 1225 930 10 55 78

лист 1225 1078 10 - -

ВНС-17 пруток Закалка 860 °С + старение 500 °С, 2 ч. 1548 1499 10 55 70

Выплавка мартенситностареющих сталей проводится в вакуумных печах с последующим вакуумно-дуговым или электронно-лучевым переплавом для удаления вредных примесей: 02, С, N2, Б, Р. [5].

Благодаря малому содержанию остаточного аустенита, мартенситностареющие коррози-онностойкие стали обладают высокой размерной стабильностью при термической обработке, что позволяет изготавливать из этих сталей сложные и точные детали. Однако такие стали являются достаточно дорогими за счет высокого содержания дефицитных легирующих элементов (Со, Мо, № и др.).

Одним из недостатков мартенситостреющих сталей является склонность к перегреву -росту зерна при нагреве, который исправляется многократной закалкой при температуре 900-950 °С [6].

Менее чувствительны к перегреву мартенситные коррозионностойкие стали, упрочняемые 0,20-0,30 % углерода (12X13,20X13,20Х17Н2, 30X13, ЭИ961, ВНС-6, 12МоУ).

Химический состав и механические свойства некоторых углеродистых коррозионно-стойких сталей представлены в таблицах 3 и 4 [2, 3, 7, 8].

Эти стали просты в термообработке, имеют высокий предел текучести и малое количество остаточного аустенита, что обеспечивает стабильность свойств при повышенных температурах, вплоть до 600 °С. Уровень прочности этих сталей характеризуется количеством углерода и температурой отпуска. Мартенситные углеродистые стали, обработанные на высокую прочность, обладают невысокими пластичностью, вязкостью и склонны к хрупкому разрушению [9].

Таблица 3

Химический состав высокопрочных коррозионностойких сталей мартенситного класса, упрочняемых углеродом [2, 3, 7, 8]

Марка стали Содержание элементов, % масс.

С Сг N1 Мо V Мп N

12МоУ (США) 0,25 12 0,7 1,0 0,3 - - - -

ЭИ 961 0,100,16 10,5-12 1,5-1,8 0,350,50 0,18-0,30 1,6-2,0 - - -

ВНС-6 0,230,28 11,5-13,0 1,5-2,0 1,6-2,0 0,18-0,30 1,5-2,0 - - -

20X13 0,160,24 12-14 - - - - <0,6 <0,6 -

ЭИ 268 (14Х17Н2) 0,110,17 16,0-18,0 1,5-2,5 - - - <0,8 <0,8 -

ЭП 479 (15Х16Н2АМ) 0,120,18 15,0-16,5 2,0-2,5 0,90,13 - - <0,6 <0,6 0,03-0,10

Механические свойства высокопрочных коррозионностойких сталей мартенситного класса,

упрочняемых углеродом [2, 3, 7, 8]

Марка стали Вид полуфабриката Термическая обработка Механические свойства

СТв, МПа МПа 5,% м/,% кси, "У Дж/см

12МоУ (США) Закалка (995-1025) °С + отпуск (370-480) °С, 1 ч. 1646 - - - -

ЭИ 961 Пруток Закалка 1000 °С, масло или воздух + отпуск (550-600) °С 1176 980 12 50 69

ВНС-6 Закалка 1050 °С + отпуск (580-600) °С 13721568 10471127 9-13 45-55 39-78

20X13 Пруток Закалка 1050 °С, масло или воздух + отпуск (600-700) °С, масло 833 637 10 50 59

ЭИ 268 (14X17Н2) Пруток, полоса Закалка (975-1040) °С, масло + отпуск (275-350) °С 1078 833 10 30 49

Закалка (1010-1030) °С, масло + отпуск (670-690) °С 833 637 16 30 78

ЭП 479 (15Х16Н2АМ) Пруток Закалка 1040 °С, масло + отпуск (560-600) °С 1078 833 12 50 59

1.3 Стали переходного класса

Альтернативой рассмотренным выше сталям в некоторых случаях могут выступать стали переходного, аустенитно-мартенситного, класса. Это особенно касается тех деталей, которые помимо высокой прочности, должны обладать высокой вязкостью для смягчения ударных нагрузок.

Коррозионностойкие стали переходного класса отличаются содержанием в структуре до 40-50 % аустенита в литом состоянии, количество которого строго регламентируется и контролируется замером магнитности литых проб на приборе ИФСС [10]. После деформации и упрочняющей термической обработки стали аустенитно-мартенситного класса содержат 20-30 % остаточного аустенита, что способствует релаксации напряжений, накопленных в результате термической обработки или воздействия внешних нагрузок, в относительно мягкой фазе -

аустените. Упрочнение мартенситной и аустенитной матрицы этих сталей в основном достигается за счет легирования углеродом, кобальтом, кремнием, а также в результате фазового наклепа при термической и деформационной обработке.

К сталям переходного класса относятся широко применяемые стали 07X16Н6 и ее модификация сталь 07X16Н6М с молибденом с прочностью ав = 1177 МПа, стали ВНС-5 и ВНС-43 с ав= 1470 МПа и ств = 1570 МПа, соответственно, сталь ВНС-65 сов = 1700 МПа [2, 11]. Указанные материалы применены в ответственных, в том числе крупногабаритных деталях: узлах поворота, деталей шасси, крепеже и т. д.

В таблицах 5 и 6 представлены химический состав и механические свойства широко применяемых коррозионностойких сталей переходного класса [2, 12].

После закалки стали переходного класса содержат около 80 % остаточного аустенита. В таком состоянии сталь достаточно легко поддается обработке давлению: штамповке, прокатке, гибке и другим формовочным операциям. Холодная деформация стали превращает часть аустенита в мартенсит, при этом оставшаяся часть аустенита наклёпывается, внося вклад в общее упрочнение стали.

По такому принципу в стали переходного класса ВНС-9, предназначенной для изготовления тонких листов и ленты, достигается предел прочности свыше 1500 МПа. Выплавленная на значения магнитности литых проб 1-3 условных единиц «ткА» по прибору ИФСС сталь ВНС-9 содержит в литом состоянии 1-1,5 % мартенсита. Последующая после изготовления горячекатаного подката холодная деформация со степенью обжатия 17-35 %, инициирует у—>а-превращение и образует структуру, содержащую до 40-48 % мартенсита деформации и 60-52 % наклепанного аустенита [13].

Основной способ повышения характеристик прочности сталей переходного класса -применение сразу после закалки обработки холодом, при которой происходит дальнейшее превращение аустенита в мартенсит [14, с. 168].

Химический состав высокопрочных коррозионностойких сталей переходного класса [2, 12]

Марка стали Содержание элементов, % масс.

С Сг Ni Mo Al Mn Si N Cu

ВНС-5 (ЭП310) 0,11-0,16 14,0-15,5 4,0-5,0 2,3-2,8 - <1,0 <0,7 0,05-0,10 -

ВНС-43 0,16-0,21 13,0-14,5 4,0-4,5 2,3-2,8 - <1,0 <0,7 0,04-0,09 -

СН-2АМ (ЭП 288) 0,05-0,09 15,5-17,5 5-8 0,3-0,6 0,75-1,5 <0,8 <0,4 - < 0,3

СН-3 0,06-0,10 16,0-17,5 4,5-5,5 3,0-3,5 - 0,7 0,7 - -

17-7РН (США) <0,09 16,0-18,0 6,5-7,75 - 0,75-1,50 0,5 0,5 - -

АМ 355 (США) 0,10-0,15 15,0-16,0 4,0-5,0 2,5-3,25 - - - 0,07-0,13 -

Механические свойства высокопрочных коррозионностойких сталей переходного класса [2,12]

Марка стали Вид полуфабриката Термическая обработка Механические свойства

ств, МПа <70,2, МПа ô,% v. % KCU, Дж/см2

ВНС-5 (ЭП310) Прутки, поковки Закалка 1070 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + отпуск 450 °С, 1 ч. 1420 1030 15 55 98

Закалка 1070 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + отпуск 200 °С, 2 ч. 1470 1078 15 50 98

ВНС-43 Прутки, поковки Закалка 1070 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + отпуск 200 °С, 1-3 ч. 1570 1180 15 50 98

СН-2АМ (ЭП 288) Прутки Закалка 1000 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + отпуск 350-450 °С, 1 ч. 1176 980 12 55 88

СН-3 Лист Закалка 950 °С + обработка холодом (-70) °С, 2 ч. + старение 450 °С, 1 ч. 1176 882 9 - -

Пруток 1176 833 12 50 49

17-7РН (США) Плита Закалка 1065 °С + 760 °С, воздух + 565 °С, воздух 1426 1343 9

Закалка 1065 °С + 950 °С, воздух + (-73) °С, 8 час. + 510 °С, 1 ч., воздух 1548 1435 6

Закалка 1065 °С + холодная прокатка с обжатием 60 % + 480 °С, 1 ч., воздух 1823 1788 2

АМ 355 (США) Пруток Закалка 1025 °С + 930 °С, воздух +745 °С, 3 ч., воздух + отпуск 450 °С, 3 ч. 1274 1029 16

Лист Закалка 1065 °С + 930 °С, воздух + (-73) °С, 3 час. + 455 °С, 3 ч. 1480 1240 11

пруток 1480 1240 19

§ 2 Азотосодержащие стали

Упомянутые выше стали ВНС-5, ВНС-43, ВНС-9 и сталь зарубежного производства АМ 355 содержат до 0,10 % азота. Введение этого элемента в качестве легирующего, рассматриваемого ранее как вредная примесь, является перспективным направлением в технологии получения новых высокопрочных коррозионностойких сталей [15]. В данном качестве азот стал рассматриваться после 40-х годов прошлого века, хотя взаимодействие этого элемента со сталью изучалось в течение всего 20 века, первые исследования которого были проведены русскими учеными Н. П. Чижевским [16] и И. И. Жуковым [17].

Частичная замена углерода азотом позволяет несколько снять напряжения, наведенные термической обработкой и деформацией. Такая сталь приобретает повышенные по сравнению с углеродистыми сталями пластические характеристики. Например, высокопрочная коррозион-ностойкая сталь переходного класса ВНС-65 [18] содержит суммарное количество углерода и азота ~0,27 % и имеет фазовый состав, состоящий из 80-85 % мартенсита и 20-15 % остаточного аустенита без дельта-феррита, благодаря чему сталь обладает высокой прочностью 1700 МПа и одновременно высокой трещиностойкостью (^^=145 МПаЛ/ш). Сталь ВНС-65 характеризуется высокой стойкостью к коррозионному растрескиванию в камере солевого тумана КСТ-35, детали из которой могут работать в контакте с деталями из титанового сплава со смазкой [19].

Характер распределения углерода и азота в стали, их влияние на электронную структуру, термическую стабильность различны. Эти эффекты связывают с различным соотношением ко-валентной и металлической составляющих сил связи и с различием механизма переноса заряда [20].

Азот в кристаллической решетке железа проявляет тенденцию к упорядочению, т.е. не склонен к ликвации, тогда как углерод склонен к кластерообразованию [21]. Из-за наличия сильных межатомных связей между хромом и азотом появляется тенденция к равномерному распределению азота в кристаллической решетке железа, а также хрома - основного легирующего элемента в коррозионностойких сталях.

Выдвинуто предположение [21], что уже при нагреве под закалку идет процесс гетероге-низации структуры: атомы углерода неравномерно распределяются в твердом растворе, их концентрация по границам зерен больше, чем в самом зерне; эта разница тем больше, чем выше температура нагрева стали под закалку и больше углерода в стали.

При достаточно быстром охлаждении карбидов хрома не образуется, но твердый раствор уже подготовлен к их быстрому образованию при последующем нагреве или замедленном охлаждении (особенно в крупных деталях и сварных деталях).

Неравномерность распределения углерода в закаленном на твердый раствор образце подтверждается радиографическими исследованиями изотопов С14 в работе [21].

Внедрение азота в сталь позволяет отказаться или сократить содержание дорогих легирующих элементов и повысить механические и коррозионные свойства. Содержание лишь одного углерода до 0,3 % приводит к снижению пластичности и сопротивлению хрупкому разрушению. При суммарном содержании углерода и азота, равном 0,3 %, возможно сохранение характеристик прочности и увеличение пластичности и вязкости одновременно. По сравнению с безазотистыми сталями стали с азотом обладают повышенной на 25-35 % прочностью при сохранении высоких значений пластичности (5 > 50 %, у > 70 %) [22].

Некоторые исследователи [23] полагают, что коррозионностойкие азотосодержащие стали мартенситного класса могут заменить легкие сплавы, отвечая требованиям по нескольким позициям:

1. низкая стоимость, доступность шихтовых материалов, отсутствие вредных факторов при производстве таких сталей;

2. хорошая обрабатываемость и свариваемость;

3. высокие механические свойства (прочность, пластичность, трещиностойкость);

4. долговечность и эксплуатационная надежность и т.д.

В. Г. Гаврилюк и Н. Berns [24] дали объяснение механизмов упрочнения сталей с азотом на физическом уровне на основе исследований электронной структуры, ближнего атомного порядка, энергии дефектов упаковки, распределения дислокаций и их взаимодействия с примесными атомами, фазовых превращений и распада пересыщенных твёрдых растворов, влияния способа, температуры и степени деформации на предел текучести.

В работе [25] показано, что увеличение концентрации свободных электронов за счет легирования стали азотом способствует ближнему упорядочению атомов в твердом растворе, в то время как локализация электронов на атомных узлах приводит к ближнему расслоению и образованию кластеров.

Легирование азотом аустенитных сталей увеличивает прирост прочности при деформации в результате интенсивного двойникования [25]. Замена углерода азотом в аустенитных сталях повышает степень химической однородности аустенита, что позволяет получить стабильные ГЦК твёрдые растворы с повышенным содержанием азота, что не недостижимо в углеродистых сталях из-за выделения карбидов хрома.

Распределение атомов легирующих элементов в аустените наследуется при мартенсит-ном превращении, вызывая стабильность мартенсита к фазовым превращениям при отпуске и, соответственно, сдвиг реакций выделения в область повышенных температур, малый размер выделяющихся частиц и высокую твёрдость отпущенного азотистого мартенсита [25].

Наибольшую трудность при производстве азотистых сталей вызывает получение плотных слитков из-за возможности образования усадочных раковин и пузырей, в связи с чем легирование азотом ограниченно.

Повышенное содержание азота (до 0,5-0,6 %) можно получить при открытой выплавке в коррозионностойких хромоникелевых сталях аустенитного класса. Стали с такой структурой на сегодняшний день наиболее широко изучены и активно применяются в различных отраслях промышленности (авиация, судостроение, медицина и др.).

Примерами аустенитных коррозионностойких сталей является немецкая сталь 1.3964 (03Х20Н16Г5МЗАБ) [26] и сталь разработки ЦНИИчермет им. И.П. Бардина НН-ЗБ (08Х18Н5Г12АБ) [27], которые используются для изготовления гребных валов, крепежа палубных винтов и механизмов и т. д., аустенитная коррозонностойкая сталь США, содержащая 0,2-0,8 % азота [28] и обладающая прочностью 1000 МПа и стойкостью к коррозионному растрескиванию в хлоридных средах.

Сталь 1.3964 характеризуется пределом текучести сто,2 > 430 МПа, ударной вязкостью КСи > 70 Дж/см2 и высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию в морской воде, успешно применяется в корпусном судостроении.

Отечественная сталь НН-ЗБ обладает более высоким пределом текучести стод > 490 МПа, но из-за недостаточно хорошей свариваемости и склонности к межкристаллитной коррозии применение этой стали в судостроительстве ограничено.

Для трубопроводов гидросистем высокого давления летательных аппаратов, работающих во всеклиматических условиях в контакте с авиационными гидрожидкостями при температурах от -70 до 300 °С разработана аустенитная азотосодержащая высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС-53ПД (08Х21Г11АН6) с ств > 980 МПа [29]. Сталь ВНС-53 помимо прочностных характеристик превосходит стали аналогичного назначения 12Х18Н10Т и ВНС-2 по показателям выносливости при сохранении хорошей пластичности и технологичности [15].

Химический состав и механические свойства некоторых азотосодержащих сталей аустенитного класса представлены в таблицах 7 и 8 [26, 27, 29].

Химический состав коррозионностойких азотосодержащих сталей аустенитного класса

[26, 27, 29]

Марка стали Легирующие элементы, масс %

С Сг N1 Мо Мп N N15

1.3964 (03Х20Н16Г5МЗ АБ) <0,03 20,021,5 15,017,0 3,0-3,5 4,0-6,0 <1,0 0,250,35 <0,25

ННЗБ (08Х18Г12Н5АБ) <0,08 18,019,5 4,55,5 - 11,513,5 <0,8 0,450,52 0,81,1

ВНС-53ПД (08Х21Г11АН6) <0,08 20,021,5 5,06,0 - 10,5-1,0 <0,5 0,450,6 -

Таблица 8

Механические свойства высокопрочных коррозионностойких азотосодержащих сталей

аустенитного класса [26,27, 29]

Марка стали Вид полуфабриката Термическая обработка Механические свойства

МПа МПа 5,% кси, Дж/см2

1.3964 (03Х20Н16Г5 МЗ АБ) пруток Закалка с 1020-1050 °С, охлаждение в воде 650880 350550 8-25 -

ННЗБ (08Х18Г12Н5АБ) пруток Закалка с 900-1050°С, охлаждение в воде 735 490 25 58

ВНС-53ПД трубная заготовка Закалка 1000 °С, охлаждение в воде 880 490 40 >294

2.1 Влияние термической и пластической обработки на структуру и свойства

азотосодержащих сталей

2.1.1 Аустенитные азотосодержащие стали

Основные способы упрочнения аустенитных сталей - твердорастворное упрочнение, пластическая деформация, дисперсионное твердение, однако, определено [30], что два последних процесса могут понести за собой снижение ударной вязкости и коррозионной стойкости.

Изучению влияния пластической деформации и дисперсионного твердения на структуру и механические свойства с целью изыскания повышения прочностных характеристик аустенитных сталей с азотом посвящено немало трудов. Так, в работе [31] показана возможность упрочнения аустенитной азотосодержащей стали за счет применения теплой или холодной прокатки. Полученный высокий комплекс механических свойств обусловлен наличием азота в твердом растворе, повышенной плотностью дислокаций, выделением нанокристаллических нитридов размером 2-4 нм.

Исследовано влияние холодного гидропрессования с последующим старением на свойства аустенитной дисперсионно-твердеющей стали Х14АГ10СФ с 0,45 % азота [32]. Установлено, что в зависимости от степени обжатия прочность стали возрастает от ст„ = 950 МПа, сто,2 = 570 МПа после закалки с температуры растворения избыточных фаз -1050 °С - при отсутствии давления и до ств = 1900 МПа, сто,2 = 1835 МПа при степени деформации 85 %.

Аустенитные азотосодержащие стали имеют некоторые особенности деформационного упрочнения: при росте деформации происходит смена механизмов деформации от планарного скольжения к мультиплетному [33]. Эти особенности связаны с количеством типов дефектов в аустенитной матрице и их распределением, интенсивностью процессов двойникования на фоне начальных стадий распада ГЦК-твердого раствора при гидропрессовании и термическом упрочнении [32]. При этом роль азота (а также углерода как межузельного элемента) заключается в инициировании планарного скольжения за счет закрепления дислокаций его атомами, приводя к уменьшению их подвижности и, соответственно, к их размножению, и к торможению поперечного скольжения до более высокого уровня деформаций. Высокая компонента планар-ности в дислокационном скольжении возможна при высокой внутренней энергии и увеличение

количества дислокаций для поддержания деформации. Все это приводит к упрочнению металла в процессе пластической деформации.

Для предотвращения образования в структуре коррозионностойких сталей карбидов типа СггзСб, появление которых сопряжено с обеднением твердого раствора хромом и, соответственно, снижением коррозионной стойкости металла, разработана новая система легирования безуглеродистых сталей Ре-Сг-Ы. Азот в данном случае выступает в качестве более «мягкой» замены углероду, сохраняя, как и последний, функцию упрочнителя твердого раствора, а также способность расширять аустенитную область. В качестве аустенитообразующего элемента азот позволяет отказаться или сократить количество никеля, марганца, углерода, меди, что открывает возможности создания высокопрочных коррозионностойких экономнолегированных сталей с высокими эксплуатационными параметрами [34, 35].

В качестве примера можно привести работу [36], в которой показаны результаты исследования сопротивления износостойкости ряда сталей системы легирования Ре-Сг-К с 0,42-1,28 % азота и 14,9-23,8 % хрома. Указанную группу сталей сравнивали с широко применяемой сталью в качестве износостойкого материала 110Г13Л на основе углеродистого марганцевого аустенита. Показано, что при испытании на абразивное изнашивание образцов из азотосодержащих сталей 0Х18А12, 0Х21А13, 0X24А12 происходит мартенситное превращение на поверхности образцов. Образование мартенсита деформации вносит дополнительный вклад в упрочнение рабочей поверхности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тонышева, Ольга Александровна, 2014 год

Список литературы

1. Berns Н., Ehrhardt R. Carbon or nitrogen alloyed quenched and tempered stainless steel- comparative study //Steel research 67 (1996) 8. P. 343-349.

2. Авиационные материалы. Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы. Справочник. Том 2. М.: ОНТИ. 1975.

3. Barker R. Metallurgia. A met. 1967. № 454. P. 76.

4. Коган Е. С., Потак Я. М., Сачков В. В. Механические свойства нержавеющих сталей со стареющим мартенситом //МиТОМ. 1969 г. № 4. С. 5-9.

5. Маркова Е.С., Якушева H.A., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б. Технологические особенности производства мартенситостреющей стали ВКС-180 //Труды ВИАМ. 2013. №7. Ст. 01 (viam-works.ru).

6. Рыжак С. С., Ревякина О. К., Сачков В. В., Потак Я. М. Термическая обработка мартенсито-стареющей стали ООН 18К9М5Т//МиТОМ. 1968. № 6. С. 20-22.

7. Авиационные материалы. Жаропрочные стали и сплавы. Сплавы на основе тугоплавких металлов. Справочник. Том 3. М.: ОНТИ. 1989.

8. Марочник сталей и сплавов под редакцией Зубченко А. С. М.: Машиностроение.

2003.

9. Береснев Г. А., Вылежнев В. П., Саррак В. И. Склонность к хрупкому разрушению мартенсито-стареющей стали Н18К9М5Т (МС200) и высокопрочной стали мартенситного класса//МиТОМ. 1968. № 6. С. 22-26.

10. Потак Я. М, Сагалевич Е. А. Структурная диаграмма деформируемых нержавеющих сталей //МиТОМ. 1971. № 9. С. 12-16.

11. Высокопрочная коррозионностойкая сталь аустенитно-мартенситного класса: пат. 2164546 Рос. Федерация; опубл. 27.03.2001.

12. Стареющие нержавеющие стали. Под редакцией к.т.н. JI. М. Певзнер. ОНТИ 1964.

13. Вознесенская Н. М., Елисеев Э. А., Капитаненко Д. В., Тонышева О. А. Оптимизация технологических режимов получения тонких листов и ленты из коррозионно-стойкой стали ВНС9-Ш //Металлы. 2014. № 1. С. 46-52.

14. Потак Я. М. Высокопрочные стали. Серия «Успехи современного металловедения». М.: Металлургия. 1972. 208 с.

15. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М., Елисеев Э.А., Шалькевич А.Б. Исследование но-вой высокопрочной экономнолегированной азотосодержащей стали повышенной надежности //Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. №SP2. С. 17-20.

16. Н. П. Чижевский. Железо и азот. Томск. 1914.

17. Изв. Ин-та физ.-хим. анализа. 1926. Т. 3. В. 1. С. 14.

18. Высокопрочная коррозионностойкая сталь аустенитно-мартенситного класса: пат. 2164546 Рос. Федерация; опубл. 27.03.2001.

19. Вознесенская Н.М., Белоус В.Я., Варламова В.Е., Тонышева О.А., Филатов А.А. Исследование стойкости к коррозионному растрескиванию высокопрочной стали ВНС-65 //Коррозия: материалы и защиты. 2014. № 6. С. 1-8.

20. Гриднев В. Н., Гаврилюк В. Г., Ефименко С. JI. Физические основы легирования аустенитных сталей азотом //Вестник АН СССР. Металлы. 1988. Т. 4. С. 38-43.

21. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия. 1967. С. 531.

22. Науменко В. В., Шлямнев А. П., Филиппов Г. А. Азот в аустенитных нержавеющих сталях различных систем легирования //Металлург. № 6. 2011. С. 46-53.

23. Банных О. А. Экономичные нержавеющие азотистые стали как перспективный заменитель легких сплавов //МиТОМ. 2005. № 7. С. 9-13.

24. Gavriljuk V.G., Berns H. High Nitrogen Steels //Springer Verlag. Berlin (1999).

25. Гаврилюк В.Г. Физические основы прочности высокоазотистых сталей как перспективного класса конструкционных материалов. XLII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности». Сборник тезисов докладов. 26-29 мая 2004 г. Калуга. Россия.

26. Davis J. R. The materials information society. ASM Specialty Handbook Stainless Steel/Ed. USA. 1994. P. 201.

27. Приданцев M. В., Талов H. П., Левин Ф. Л. Высокопрочные аустенитные стали. М.: Металлургия. 1969 г. С. 215,219.

28. Austenitic, non-magnetic, stainless steel alloy and articles made therefrom: пат US5308577 A; опубл. 03.05.1994.

29. Григорьев О. И. Эффективность использования стали с высоким содержанием азота для изготовления напорных трубопроводов гидросистем летательных аппаратов: дис. канд. техн. наук: 05.16.01/Григорьев Олег Иванович. - М., 1989. - 167 с.

30. Горынин И.В., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю., Мушникова С.Ю., Банных О.А., Блинов В. М., Костина М. В. Коррозионностойкие высокопрочные аустенитные стали //Вопросы материаловедения. 2009. № 3 (59). С. 7-16.

31. Сагарадзе В. В., Уваров А. И., Печеркина H. JI., Малышевский В. А., Калинин Г. Ю., Ямпольский В. Д. Структура и свойства толстолистовой азотосодержащей аустенитной стали 04Х20Н6Г11АМ2БФ //Физика металлов и металловедение. 2006. Т. 102. № 2. С. 250-256.

32. Блинов В. М., Богданов В. А., Эфрос Б. М. Термомеханическая обработка азото-содержащих аустенитных сталей с использованием метода холодного гидропрессования //Металлы. № 6. 2000. С. 57-62.

33. Эфрос Б. М. Влияние предварительной гидроэкструзии на деформационное упрочнение азотистых аустенитных сталей //Металлы. 1999. № 3. С. 95-102.

34. Аустенитная сталь: пат. 2092606 Рос. Федерация; опубл. 10.10.1997 г.

35. Установщиков Ю. И., Рац А. В., Банных О. А., Блинов В.М., Костина М. В., Морозова Е. И. Структура и свойства высокоазотистых аустенитных сплавов Fe-18 % Сг, содержащих до 2 % никеля //Металлы. 1998. № 2. С. 38-43.

36. Банных О. А., Блинов В. М., Филиппов М. А., Костина М. В., Хадыев М. С., Немировский Ю. Р., Белозерова Т. Ю. О взаимосвязи износостойкости с фазовым составом и механическими свойствами новых высокоазотистых железохромистых сплавов //Металлы. 2000. № 2. С. 57-64.

37. Блинов Е. В., Хадыев М. С. Исследование структуры и механических свойств коррозионностойких высокоазотистых сталей 04Х22АГ15Н8М2Ф и 05Х19АГ10Н7МФБ после горячей деформации //Металлы. № 2. 2012. С. 93-99.

38. Блинов Е. В., Терентьев В. Ф., Просвирин Д. В., Блинов В. М., Бакунова Н. В. Циклическая прочность коррозионностойкой азотосодержащей стали 05Х22АГ15Н8МФ в условиях повторного растяжения //Металлы. № 1. 2012. С. 80-87.

39. Будуров С. В. Ячеистый распад в аустенитных сталях Х18АГ10Ф и Х18АГ20Ф //Изв. по химии. Болг. АН 1980. Т. 3. Кн. 4. С. 466-476.

40. Калинин Г. Ю., Костина М. В., Куницын Б. В., Мушникова С. Ю., Ямпольский В. Д. Влияние термической обработки на структуру и свойства высокопрочной азотсодержащей стали типа 07Х14Н4АД //Металлы. 2000. № 5. С.63-66.

41. Блинов В. М., Банных О. А., Костина М. В., Немировский Ю. Р., Хадыев М. С. Структура и механические свойства нержавеющей азотсодержащей мартенситной стали типа 0Х16Н4АБ //Металлы. № 3. 2000. С. 64-71.

42. G. Stein: EPRI Generator retaining ring workshop. Charlotte. USA. 1987.

43. G. Stein, I. Hucklenbroich, M. Wagner: Material Science Forum. 318-320 (1999). P. 167-174.

44. Аустенитная коррозионностойкая сталь: пат. 2009259 Рос. Федерация; опубл. 15.03.1994 г.

45. Bohler. N360 ISO extra [Электронный ресурс], //http: www.B6hler.de

46. Energietechnik Essen. Cronidur30 [Электронный ресурс], //http: www. Energietech-nik-essen.de.

47. H. Berns, V.G. Gavriljuk, S. Riedner, A. Tyshchenko. High Strength Stainless Austenit-ic CrMnCN Steels - Part I: Alloy Design and Properties.

48. F. Schmalt, H. Berns, V. G. Gavriljuk: Steel Grips, 2 (2004). Suppl. HNS 2004. P. 437-447.

49. Berns H. Gavriljuk V. Shanina B. Intensive interstitial strengthening of Stainlees Steels. Adv. Eng. Mater. 10 (2008) 12, p. 1083-1093.

50. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. М.: Металлургия. 1967. С. 323-328.

51. Holmberg В. Progress on welding of high nitrogen alloyed austenitic stainless steels. Weld World 2002. № 46. P. 3-9.

52. Mrityunjoy Hazraa, Kotipalli Srinivasa Raob, Gankidi Madhusudhan Reddya. Friction welding of a nickel free high nitrogen steel: influence of forge force on microstructure, mechanical properties and pitting corrosion resistance //Journal of materials research and technology. 2014. №3(1). P. 90-100.

53. Алексеев В. И. Перспективы применения конструкционных сталей со сверхравновесным содержанием азота в условиях повышенных температур и давлений водорода //Металлы. 2000. № 4. С. 47-52.

54. Сивка Е. Особенности выплавки высокоазотистой стали с использованием плазмы //МиТОМ. 2000. №> 12. С. 7-10.

55. Костина М. В., Банных О.А., Блинов В. М. Особенности сталей, легированных азотом //МиТОМ. 2000. № 12. С. 3-6.

56. Способ получения механически легированной азотсодержащей стали: пат. 2425166 Рос. Федерация; опубл. 27.07.2011 г.

57. Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь мартенситного класса и изделие, выполненное из нее: пат. 2291912 Рос. Федерация; опубл. 10.11.2005.

58. Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь: пат. 2318068 Рос. Федерация; опубл. 21.11.2005.

59. Высокопрочная коррозионностойкая сталь и изделие, выполненное из нее: пат. 2214474 Рос. Федерация; опубл. 20.10.2003.

60. Певзнер JI. М., Кубышкина Т. Д. Методы контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие. Т. 1. Физические методы исследования металлов. 1971. М.: Машиностроение. С. 446.

61. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. Введ. 1986-01-01. -М.: Стандартинформ, 2008. Изм № 2, 3. 37 с.

62. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах. Введ. 1979-01-01. -М.: Изд-во стандартов. Изм. № 1,2.26 с.

63. ГОСТ 25.506-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. Введ. 1985-27-03. М.: Изд-во стандартов, 1985.

64. ГОСТ 9.901.1-89. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы и сплавы. Общие требования к методам испытаний на коррозионное растрескивание. Переизд. с изм. № 1. Введ. 1991-01-01. Изд-во стандартов. 11 с.

65. Сагарадзе В. В., Уваров А. И. Упрочнение аустенитных сталей. М.: Наука. 1989.

14 с.

66. Георгиева И. Я. Трип-стали - новый класс высокопрочных сталей с повышенной пластичностью//МиТОМ. 1976. № 3. С. 18-26.

67. Братухин А. Г., Демченко О. Ф., Долженков Н. Н., Кривоногое Г. С. Высокопрочные коррозионно-стойкие стали современной авиации. М: МАИ. 2006. С. 292.

68. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. 3-е изд. М.: Металлургия. 1978. 392 с.

69. Woo Insu, Horinouchi Tsutorai, Migano Yasuyuki. // Role of precipitated Cr2N on the HAZ impact toughness of high-nitrogen Ni-free stainless steel. Suppl. High Nitrogen Steels 2004. P. 187-196.

70. Блинов B.M. Прогресс в исследовании высокоазотистых коррозионно-стойких стареющих немагнитных сталей с ванадием //Металлы. 2007. № 2. С .44-54.

71. Банных O.A., Блинов В.М., Костина М.В., Блинов Е.В., Калинин Г.Ю. Влияние режимов горячей прокатки и термической обработки на структуру, механические и технологические свойства аустенитной азотосодержащей стали 05Х22АГ15Н8М2Ф-Ш //Металлы. 2006. №4. С. 33-41.

72. Бернштейн М.Л., Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1968. Т. 1,2. 1172 с.

73. Гудремон Э, Специальные стали. М.: Металлургия. 1966. Т. 1,2. 2-е изд. 1168 с.

74. Прокошкина В.Г. Особенности процессов структурообразования при термомеханической обработке мартенситостареющих сталей: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИСиС. 1981. 23 с.

75. Прокошкина В.Г., Капуткина JIM., Берпггейн M.JL, Кривоногов Г.С., Варганов

B.А. Влияние термомеханической обработки на структуру и свойства мартенситостареющей нержавеющей стали //Термическая обработка и физика металлов. 1979. № 5. С. 71-76.

76. Банных O.A., Блинов В.М., Шалькевич А.Б., Костина М.В., Вознесенская Н.М., Ходыев М.С. Влияние термической обработки на структуру и механические свойства особо высокопрочной коррозионностойкой мартенситно-аустенитной стали //Металлы. 2005. С. 51-61.

77. Прокошкина В.Г., Капуткина JI.M., Мозжухин В.Е. Структура мартенситостареющей стали после ВТМО и повторной закалки //Изв. вузов. Черная металлургия. 1981. №3. С. 126-131.

78. Федюкин В.К. Термоциклическая обработка сталей и чугунов. JL: Машиностроение. 1977. 384 с.

79. Малышев К.А. Упрочнение аустенитных сталей фазовым наклепом. В сб. высокопрочные немагнитные сплавы. М.: Наука. 1973. С. 6.

80. Долотова Е. С., Кучерявый В. И.. Ревякина О. К., Рыжак С. С., Сачков В. В., Ульянова Н. В. Влияние режимов термической обработки на свойства стали 000X11Н10М2Т //МиТОМ. 1973. № 12. С. 9-13.

81. Братухин А. Г., Демченко О. Ф., Долженков Н. Н., Кривоногов Г. С. Высокопрочные коррозионно-стойкие стали современной авиации. М.: МАИ. 2006. С. 185.

82. Садовский В. Д. Структурный механизм перекристаллизации при нагреве стали //МиТОМ. 1977. № 8. С. 26-27.

83. Садовский В. Д. Блочная структура и рекристаллизация аустенита в быстрорежущей стали. МиТОМ //1961. № 1. С. 48-57.

84. Садовский В. Д. Структурная наследственность в стали. М.: Металлургия. 1973.

C. 93.

85. Бирман С.И., Оржеховский Ю.Ф. Измельчение зерна в нержавеющей стали 08X15Н5Д2Т//МиТОМ. 1973. № 2. С. 18-21.

86. Вознесенская Н. М., Изотов В.И., Ульянова Н.В., Попова JI.C., Потак Я.М. Структура и свойства высокопрочной нержавеющей стали переходного класса ЭП310 (ВНС-5) //МиТОМ. 1971. № 1. С. 32-35.

87. Качанов Н. Н. Прокаливаемость стали. М.: Металлургия. 1978. С. 80.

88. Вознесенская Н. М. Исследование нержавеющей высокопрочной стали переходного класса для изготовления тяжелонагруженных узлов самолета: дис. канд. техн. наук: 05.16.01/Вознесенская Наталья Михайловна. - М., 1971. 212 с.

89. Бирман С. И. Разработка и исследование высокопрочной коррозионностойкой мартенситной слабо стареющей стали для изготовления тяжелонагруженных узлов самолета: дис. канд. техн. наук: 05.16.01/Бирман Светлана Ильинична- М. 1978. 152 с.

90. Бирман С. И., Звигинцев Н. В., Петраков А. Ф., Хадыев М. С. Влияние молибдена на свойства высокопрочных нержавеющих сталей типа 14Сг-6№ //Физика металлов и металловедение. 1984. Т. 57. Вып. 4. С. 754-762.