Тема: ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АУСТЕНИТНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 13
1.1. Система легирования аустенитных коррозионностойких сталей
(АКСС) 13
1.2. Промышленные АКСС и их назначение 17
1.3. Высокоазотистые аустенитные стали (ВАС) 20
1.3.1. Новый класс АКСС 20
1.3.2. Достоинства и недостатки ВАС 22
1.4. Характеристика ВАС 26
1.4.1. Краткая история создания 26
1.4.2. Химический и фазовый состав 27
1.4.3. Структура 31
1.4.4. Механические свойства 34
1.4.5. Взаимосвязь механических свойств и химического состава ... 42
1.4.6. Коррозионные свойства 44
1.5. Применение и перспективы использования ВАС 53
1.6. Постановка задачи исследования 54
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 56
2.1. Химический состав исследованных сталей 56
2.2. Методика испытаний и исследований 56
2.2.1. Равноканальное угловое прессование (РКУП) 56
2.2.2. Электрохимические исследования 58
2.2.3. Механические испытания 65
2.2.4. Металлографический анализ 66
2.2.5. Растровая электронная микроскопия и МРСА 67
2.2.6. Просвечивающая электронная микроскопия 67
2.2.7. Рентгеноструктурный анализ 68
2.2.8. Магнитные исследования 68
2.2.9. ЕВЗБ - анализ 68
ГЛАВА 3. ПИТТИНГОСТОЙКОСТЬ АКСС 70
3.1. Сравнительная характеристика ПК сталей 70
3.2. Влияние химического состава на ПК АКСС (0,035-0,169% К) 77
3.3. Влияние химического состава на ПК АКСС (0,035-0,820% К) 79
3.4. Регрессионный анализ 80
3.5. Влияние С+К и С/К на питтингостойкость АКСС 86
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 88
ГЛАВА 4. ПИТТИНГОВАЯ КОРРОЗИЯ АКСС С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ АЗОТА (ВАС) 89
4.1. Влияние ТО на питтингостойкость стали 06Х18АГ19М2 89
4.2. Металлография питтинговой коррозии 102
4.3. Влияние ТО на микроструктуру стали 06Х18АГ19М2 104
4.4. Формирование структуры стали 06Х18АГ19М2 при ТО 105
4.5. Фазовые превращения в стали 06Х18АГ19М2 120
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 125
ГЛАВА 5. ПК И СТРУКТУРА ВАС ПОСЛЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ (МПД) 126
5.1. Влияние РКУП на питтингостойкость стали 06Х18АГ19М2 126
5.2. Металлография РКУП 126
5.3. Структура стали 06Х18АГ19М2 после РКУП 128
5.4. Дефекты кристаллического строения аустенита 131
5.5. Результаты ЕБЗИ исследований 134
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 5 137
ГЛАВА 6. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФРАКТОГРАФИЯ ВАС
ПОСЛЕ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ 138
6.1. Механические свойства при растяжении 138
6.2. Фрактографические исследования после испытаний на растяжение140
6.3. Влияние коррозионной среды на механические свойства стали 142
6.4. Фрактографические исследования после испытаний на изгиб 145
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 6 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 148
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акт внедрения результатов исследования 167
📖 Введение
Одним из примеров применения высокоазотистых аустенитных сталей (ВАС) типа Р900 в настоящее время является производство бандажных колец турбогенераторов высокой мощности с водяным охлаждением, к которым, помимо коррозионной стойкости, предъявляются требования высокого предела текучести с0,2=1450 МПа, а также сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН). Выполнение этих требований может быть достигнуто путем использования механизмов твердорастворного, зернограничного, дисперсионного и деформационного упрочнения при соответствующем регулировании состава, правильного выбора термопластической обработки ВАС и контроля коррозионных свойств.
Как известно, одной из проблем использования АКСС является их склонность к питтинговой коррозии (ПК) в хлоридсодержащих водных растворах. В последнее время показано, что азот повышает сопротивление АКСС этому виду локальной коррозии, однако о влиянии других легирующих элементов, присутствующих в сталях аустенитного класса, пока нет четкого представления.
В работах многих исследователей сопротивление ПК оценивается путем использования эквивалента PREN (Pitting Resistance Equivalent for steels with N), который рассчитывается по химическому составу стали и является безразмерной величиной, не имеющей физического смысла. Однако на сегодняшний день нет единого мнения авторов о величине коэффициента перед содержанием азота в выражении для PREN, так как уравнение видоизменяется, включаются в число значимых новые легирующие элементы, предлагаются другие показатели. Среди них MARC (Measure of Alloying for Resistance to Corrosion), который также не имеет физического смысла, но показывает, в отличие от PREN, положительное влияние углерода и отрицательное влияние никеля и марганца на ПК сталей. Вопросы использования тех или иных коэффициентов в уравнении для PREN, а также роль разных химических элементов в питтингостойкости АКСС в последнее время изучаются многими исследователями. Исследование же влияния химического состава на граничный потенциал питтингообразования (Еь) с целью получения на этой основе аналитической зависимости в литературе до настоящего времени не рассматривалось. А систематическое исследование влияния структурного состояния азотистых сталей в результате использования различных видов упрочняющей обработки, термической и в комбинации с деформационной обработкой, позволяющей максимально использовать различные механизмы упрочнения стали, на Еь, механические свойства и КРН вообще не проводилось. С учетом этого данная диссертационная работа является актуальной и полезной для практики использования азотистых сталей.
Степень разработанности темы исследования. Проведенные ранее исследования аустенитных азотистых Cr-N- [3], Cr-Mn-N- [4] и Cr-Mn-Ni-N- сталей [5, 6] показали, что в закаленном состоянии стали первой группы с 1% N более прочны, но менее пластичны (с0,2 = 1050 МПа, S = 12%) и подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению со сталями второй с 0,8%N (Q0,2= 600 МПа, у = 75%) и третьей с 0,4%N (с0,2= 600 МПа, у =70%) групп, что связано с разным содержанием азота и стабильностью у- твердого раствора. Установлено существенное снижение сопротивления общей коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением высокоазотистых аустенитных Cr-N- и Cr-Ni-N-сталей в результате распада пересыщенного у- твердого раствора на начальных стадиях старения и образования мартенсита напряжений [4]. За счет повышения стабильности аустенита к у^а- мартенситному превращению (Мн<0°С) в Сг-Мн-К- и Сг-Мн-№-К-сталях существенно повышаются коррозионные свойства [7]. Старение при 500оС вызывает дополнительное повышение прочности (с0;2 на 80 МПа) сталей при сохранении высокой вязкости, а в случае Сг-Мн-К-сталей [6] при ее повышении, без ухудшения стойкости к общей коррозии [5]. Однако, в этом структурном состоянии по сравнению с закаленным в Сг-Мн-№-К-сталях наблюдается более низкое сопротивление коррозионному растрескиванию под напряжением. Путем использования комбинированной упрочняющей обработки, включающей старение с последующей холодной пластической деформацией, был выявлен значительный резерв повышения коррозионной стойкости и сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением Сг-К- и Сг-№-К-сталей [8, 9]. Образующаяся в этом случае структура сталей состояла в основном из аустенита с высокой плотностью дислокаций и гомогенно зародившихся в матрице наноразмерных нитридов СгЫ.
Полученные результаты показали, что наиболее высокий комплекс механических и коррозионных свойств достигается в Сг-Мн-К-сталях, однако не были систематически изучены структурные превращения, протекающие в них в результате упрочняющих обработок, в том числе включающих равноканальное угловое прессование, не установлена взаимосвязь формирующейся структуры с физико-механическими свойствами и питтинговой коррозией сталей. Кроме того, представляло интерес установить влияние химического состава аустенитных азотистых сталей на питтингостойкость, что важно для практики использования аустенитных сталей.
Целью работы было исследование взаимосвязи химического состава и структуры со свойствами азотсодержащих сталей и оптимизация состава и режимов комбинированной упрочняющей обработки, позволяющих получить комплекс высоких физико-механических и коррозионных свойств.
Задачи исследования:
1. Электрохимические исследования промышленных аустенитных коррозионностойких сталей разного химического состава с азотом (0,035-0,82 % ) для определения параметров питтинговой коррозии и установления характера влияния на них легирующих элементов.
2. Множественный регрессионный анализ результатов электрохимических исследований с целью получения математической зависимости параметров питтинговй коррозии от химического состава аустенитных коррозионностойких сталей с целью прогнозирования их питтингостойкости.
3. Комплексное исследование структуры на примере высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2, формирующейся в процессе упрочняющей термической обработки, и сопоставление полученных результатов с равновесной фазовой диаграммой.
4. Исследование особенностей мегапластической деформации (МПД) и формирования наноструктуры в стали 06Х18АГ19М2 при равноканальном угловом прессовании (РКУП).
5. Установление взаимосвязи структурного состояния, полученного в процессе упрочняющей обработки, включающей термическую обработку и сочетание термической обработки и равноканального углового прессования, с питтингостойкостью и механическими свойствами высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2.
6. На основе проведенного комплексного исследования обоснование режимов оптимальной упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 для получения высоких физико-механических и коррозионных свойств.
Научная новизна и теоретическая ценность работы:
1. Впервые показано, что высокую степень влияния на питтингостойкость аустенитных коррозионностойких сталей оказывают атомы внедрения. При суммарном содержании (С+Ы) выше и при их соотношении С/Ы ниже критического значения сопротивление питтинговой коррозии повышается.
2. Проведено систематическое исследование структуры стали 06Х18АГ19М2 в широком интервале температур, определены фазовые области и особенности фазовых превращений в стали при нагреве.
3. Установлено, что более высокими коррозионными свойствами сталь 06Х18АГ19М2 обладает в структурном состоянии аустенита и образовавшихся по гомогенному механизму зарождения нанодисперсных нитридов СгЫ. Наличие на границах зерен аустенита выделений легированного хромом нитрида молибдена, а-, /-фазы и/или неоднородности химического состава после их растворения приводит к понижению коррозионных свойств стали.
4. Показано, что при равноканальном угловом прессовании наноструктурирование стали 06Х18АГ19М2 происходит преимущественно за счет образования деформационных двойников наноразмерного масштаба без образования продуктов мартенситного превращения и других фаз.
Практическая значимость работы:
1. Предложен подход к оценке питтингостойкости и уравнение зависимости граничного потенциала (Еь) от химического состава аустенитных коррозионностойких сталей с азотом, позволяющие прогнозировать коррозионные свойства и оптимизировать состав сталей.
2. Получены высокие механические свойства стали 06Х18АГ19М2 при испытании на изгиб в закаленном и состаренном состояниях (аВ=2040 и 2130 МПа, а0,2=1030 МПа, 5=42%). В коррозионной среде наблюдается разупрочнение стали (АаВ/аВ<15%), однако пластичность и механизм ямочного разрушения сохраняются, что дает основание считать исследованную сталь в изученных структурных состояниях не подверженной коррозионному растрескиванию под напряжением.
3. Оптимизированы режимы комплексной упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 путем закалки от 1100-
1150оС (1 ч) и старения при 500оС (2 ч). Разработаны практические рекомендации по использованию оптимального режима упрочняющей обработки стали 06Х18АГ19М2 (Р900К+Мо), использующейся для бандажных колец ВКИА 711¬171-015 турбогенератора ТФ-80-2 УХЛ3 на предприятии ОАО «Уралэнергоремонт», в результате чего эксплуатационная стойкость изделий повысилась на 30%.
4. Установлено, что при увеличении степени деформации методом РКУП параметры питтинговой коррозии по сравнению с исходно закаленным состоянием снижаются, но остаются более высокими, чем у стали 09Х18Н10Т. Кроме того РКУП приводит к повышению прочности исследованной стали по сравнению с закаленным состоянием до св=5220МПа, ае 4000 МПа при е=3,6 на воздухе и до св=5970МПа, с0,2=3800 МПа при е=7,2 в коррозионной среде без склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением.
5. Результаты работы использованы в учебно-методическом пособии «Питтинговая коррозия сталей» по курсу «Теория коррозии, коррозионностойкие материалы и покрытия» для студентов, обучающихся по направлению «Материаловедение и технологии материалов» ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина».
Методология и методы исследования. Научные труды ведущих ученых в области металловедения аустенитных сталей, теоретические основы термической обработки, механизмов деформационного упрочнения и распада пересыщенных твердых растворов, а также электрохимической коррозии послужили методологической основой данного исследования. При этом существенное внимание уделялось комплексному подходу в изучении особенностей структуры во взаимосвязи с питтинговой коррозией и коррозионно-механическим разрушением высокоазотистых аустенитных сталей после различных упрочняющих обработок.
Для решения поставленных задач в диссертационной работе использованы следующие методы: металлография, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеноспектральный (МРСА), рентгеноструктурный и ББЗВ анализ и др., а также испытания механических свойств на одноосное растяжение и трехточечный изгиб и электрохимические исследования.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Результаты электрохимических исследований питтингостойкости аустенитных коррозионностойких сталей с азотом.
2. Закономерности формирования структуры высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 в процессе термической обработки.
3. Взаимосвязь структурного состояния стали 06Х18АГ19М2 с
питтинговой коррозией.
4. Особенности формирования наноструктуры при равноканальном угловом прессовании стали 06Х18АГ19М2.
5. Результаты исследования влияния коррозионной среды на механические свойства стали 06Х18АГ19М2.
6. Оптимизация режимов упрочняющей обработки стали 06Х18АГ19М2 для получения комплекса высоких физико-механических свойств.
Достоверность результатов исследования обеспечивается воспроизводимостью результатов опытов, согласованием их с литературными данными, применением комплекса современных методов исследования и использованием современных приборов анализа фазового состава, структуры и свойств.
Личный вклад автора. На каждом из этапов работы автор принимал непосредственное участие: осуществлял постановку задач, проводил исследования с применением комплекса современных методов исследования структуры и свойств металлических материалов с использованием современных приборов, анализировал и обобщал результаты исследований, участвовал в подготовке статей и докладов по результатам исследований.
Апробация диссертационной работы. Основные положения работы доложены на 17 международных конференциях: Уральская школа-семинар металловедов-молодых ученых (8-12 ноября 2010, 14-18 ноября 2011, 12-16 ноября 2012, 11-15 ноября 2013, 8-12 декабря 2014, 7-11 декабря 2015.
Екатеринбург); The 1-st International Conference On High Manganse Steels. Seoul, Korea. 15-17 May 2011; XXI-XXIII Уральские школы металловедов-термистов «Актуальные проблемы физического металловедения сталей и сплавов» (06-10 февраля 2012. Магнитогорск; 2-6 февраля 2014. Оренбург; 31 января - 5 февраля 2016. Тольятти); Интерактивная научно-практическая конференция «Инновации в металловедении и металлургии» (2012, 2013, 2015); Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Инновации в материаловедении» (2013, 2015); 54-ая Международная конференция «Актуальные проблемы прочности». 11-15 ноября 2013. Екатеринбург; «High Nitrogen Steels and Interstitial Alloys». 27-29 September 2012. Chennai, India; 12-th International Conference «High Nitrogen Steels 2014». 16-19 September 2014. Hamburg, Germany. XIX Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов». 8-11 июня 2015. Самара; VIII Международная конференция “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (MPFP- 2016). 27 июня - 1 июля 2016. Тамбов; а также на 2-х региональных: XIV областной конкурс научно-исследовательских работ «Научный Олимп». 2011. Екатеринбург; «Создание высокоэффективных производств на предприятиях горно-металлургического комплекса». 3-4 сентября 2013. Верхняя Пышма.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 74 рисунка, 14 таблиц и список литературы из 128 наименований.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 33 научных работах, в том числе в 4 статьях, опубликованных в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 6 статьях, опубликованных в научных журналах, входящих в базу данных WOS и SCOPUS.
✅ Заключение
2. Комплексные структурные исследования стали 06Х18АГ19М2 показали, что после горячей пластической деформации и закалки от температур 1050-1150°С (1 ч), а также после закалки с последующим старением при 300 и 500ОС структура состоит из аустенита и наноразмерных нитридов СгН, образовавшихся по гомогенному механизму зарождения. По-видимому, в аустените также присутствует и упорядоченная фаза 1;с4Н, когерентно связанная с матрицей, которая в присутствии хрома не наблюдается как самостоятельная фаза, а является промежуточной при образовании нитрида СгН. Тепловая выдержка закаленной стали при 750ОС вызывает распад аустенита с образованием нитридов Мо2Н по границам зерен, при 800°С - распад аустенита по прерывистой реакции 7^7обедн.+-а с образованием /-фазы при длительных (50 ч) выдержках.
3. Максимальной питтингостойкостью она обладает после закалки от 1050-1150°С и старения при 300 и 500°С (£¿=1,379-1,390 В, Л£ф=1,393-1,637 В), присутствие пограничных выделений нитрида Мо2Н, а- и/или /-фаз, а также химической неоднородности аустенита вблизи границ зерен после их растворения снижает сопротивление образованию питтингов (Еь= -0,038-0,472 В). Следует отметить, что после закалки от 1100-1150°С исследованная сталь показала и минимальную скорость коррозии Кт в отличие от состояния после закалки от 1050°С, что могло быть связано с недостаточной гомогенизацией аустенита для создания совершенного пассивного слоя на поверхности стали.
4. Мегапластическая деформация методом РКУП стали 06Х18АГ19М2, закаленной от 1150оС, сопровождается скольжением дислокаций и интенсивным двойникованием аустенита без образования а- или 8-мартенсита деформации, пограничного выделения фаз и других продуктов распада аустенита. Наноструктурное состояние стали достигается в основном за счет двойникования: при е 7,2 ширина двойников составляет 50 нм при среднем размере дислокационных фрагментов 400 нм с углом разориентировки 2-3°.
5. Потенциал Еь стали 06Х18АГ19М2 с повышением степени деформации при РКУП понижается до 1,221, 1,122 и 0,930 В соответственно при е=1,8, 3,6 и 7,2, оставаясь более высоким, чем у стали 09Х18Н10Т. Образование питтингов происходит преимущественно в местах локализации деформации и разрушения пассивного слоя на поверхности стали.
6. Исследованная сталь показала высокий уровень механических свойств при испытаниях на изгиб (%0_2 1030 МПа, аВ 2040 МПа, 5=42%), который повышается после старения при 500ОС (аВ=2130 МПа) при сохранении пластичности на исходном уровне. Коррозионная среда вызывает разупрочнение стали (ДоВ/оВ<15%), что связано с растворением металла в зоне концентрации напряжений в вершине надреза образца, при этом характер разрушения стали во всех исследованных структурных состояниях остается вязким ямочным, как на воздухе. На основании полученных результатов исследованную сталь можно считать не подверженной коррозионному растрескиванию под напряжением.
7. Деформация методом РКУП вызывает резкое повышение прочности исследованной стали (аВ в ~2,5 раза; а0,2 в ~3,5 раза) и снижение пластичности (5 в ~5 раз) в среде и на воздухе. Разрушение стали на воздухе и в коррозионной среде происходит по механизму квазискола, дисперсность которого увеличивается по мере повышения числа циклов прессования.
8. Оптимальными режимами термической и комбинированных обработок стали 06Х18АГ19М2 в зависимости от условий ее эксплуатации следует считать следующие: а) для использования в качестве конструкционного коррозионностойкого материала в морской воде без дополнительной нагрузки - закалка от 1100-1150ОС (1 ч, вода) или закалка от 1150ОС со старением при 500ОС (2 ч); б) при значительных нагрузках в данной среде - закалка от 1150ОС с последующей мегапластической деформацией при е < 1,8; в) для сохранения парамагнитности допускаются все из исследованных обработок стали, кроме закалки от 1200ОС.
Перспективы дальнейшей разработки темы исследования. Для успешного решения основной задачи исследований - оптимизации структурного состояния ВАС, обеспечивающего им комплекс высоких функциональных свойств, таких как прочность, коррозионная стойкость, парамагнитность, необходимо иметь четкое представление о структурном состоянии сталей и механизме фазовых превращений, протекающих при различных внешних воздействиях.
Проведенное в данной работе исследование структуры сталей под действием комбинированных упрочняющих обработок, включающих горячую пластическую деформацию, закалку на пересыщенный твердый раствор, старение и холодную пластическую деформацию путем РКУП предполагает в дальнейшем углубленное изучение причин стабилизации пересыщенного у-твердого раствора и механизма его распада при тепловых выдержках в широком температурном интервале.



