ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АУСТЕНИТНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕТРАЦИИ
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕТРАЦИИ
Актуальность исследования. Требования повышенной прочности и экономичности, предъявляемые к нержавеющим сталям разного применения, привели к разработке коррозионностойких сталей с высоким содержанием азота (ВАС) и полной заменой никеля марганцем. Это обеспечило им такие преимущества, как высокая прочность на разрыв, хорошая пластичность, повышенная устойчивость к мартенситным превращениям, высокий коэффициент упрочнения, высокая стойкость к точечной и щелевой коррозии, отсутствие ферромагнитных свойств.
Одной из проблем использования всех аустенитных коррозионностойких сталей (АКСС) является их склонность к питтинговой коррозии 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. Исследование влияния химического состава на потенциал питтингообразования (Еь) с целью получения на этой основе аналитической зависимости в литературе до настоящего времени не рассматривалось. Систематического исследования влияния структурного состояния азотистых сталей на потенциал питтингообразования, механические свойства и коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) не проводилось. С учетом этого данная диссертационная работа является актуальной и полезной для практики использования азотистых 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 АКСС 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 питтинговой коррозии от химического состава аустенитных коррозионностойких сталей с целью прогнозирования их питтингостойкости.
3. Комплексное исследование структуры, формирующейся в процессе упрочняющей термической обработки, и сопоставление полученных результатов с равновесной фазовой диаграммой на примере высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2.
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 РКУП, с питтингостойкостью, механическими свойствами и КРН высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2.
6. На основе проведенного комплексного исследования оптимизация упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 для получения высоких физико-механических и коррозионных свойств.
Научная новизна и теоретическая ценность работы
1. Определены соотношения концентраций углерода и азота в аустенитных коррозионностойких сталях, при которых сопротивление питтинговой коррозии повышается: (С+И)>0,5 %, С/И>1/2.
3. Установлено, что для высокоазотистой стали 06Х18АГ19М2 более
высокими коррозионными свойствами обладает структура аустенита с нанодисперсными нитридами СгУ Наличие на границах зерен аустенита выделений легированного хромом нитрида молибдена, с-, /-фаз и/или
неоднородности химического состава после их растворения приводит к понижению коррозионных свойств.
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.
5. 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=5220 МПа, с0,2=4ООО МПа при е=3,6 на воздухе и до св=5970МПа, со,2=38ОО МПа при е=7,2 в коррозионной среде без склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Практическая значимость
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. Разработан режим упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 путем закалки от 1100-1150оС и старения при 500ОС. Даны практические рекомендации по использованию оптимального режима упрочняющей обработки стали 06Х18АГ19М2 (Р900У+Мо), применяемой 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%.
3. 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. Использованы разные методы физического металловедения: металлография, дилатометрия, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеноспектральный (МРСА), рентгеноструктурный и БВЗИ анализ под контролем механических и электрохимических свойств.
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.
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.
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 публикациях, входящих в базы данных WOS и SCOPUS.
Личный вклад автора. На каждом из этапов работы автор принимал непосредственное участие: проводил испытания коррозионных и механических свойств на современном оборудовании, участвовал в постановке задачи эксперимента, приготовлении образцов для проведения комплексных исследований структуры и свойств сталей с применением современных методов физического металловедения, анализе результатов испытаний, а также в подготовке и написании статей и докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка и приложения. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 72 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 128 наименований.
Одной из проблем использования всех аустенитных коррозионностойких сталей (АКСС) является их склонность к питтинговой коррозии 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. Исследование влияния химического состава на потенциал питтингообразования (Еь) с целью получения на этой основе аналитической зависимости в литературе до настоящего времени не рассматривалось. Систематического исследования влияния структурного состояния азотистых сталей на потенциал питтингообразования, механические свойства и коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) не проводилось. С учетом этого данная диссертационная работа является актуальной и полезной для практики использования азотистых 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 АКСС 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 питтинговой коррозии от химического состава аустенитных коррозионностойких сталей с целью прогнозирования их питтингостойкости.
3. Комплексное исследование структуры, формирующейся в процессе упрочняющей термической обработки, и сопоставление полученных результатов с равновесной фазовой диаграммой на примере высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2.
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 РКУП, с питтингостойкостью, механическими свойствами и КРН высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2.
6. На основе проведенного комплексного исследования оптимизация упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 для получения высоких физико-механических и коррозионных свойств.
Научная новизна и теоретическая ценность работы
1. Определены соотношения концентраций углерода и азота в аустенитных коррозионностойких сталях, при которых сопротивление питтинговой коррозии повышается: (С+И)>0,5 %, С/И>1/2.
3. Установлено, что для высокоазотистой стали 06Х18АГ19М2 более
высокими коррозионными свойствами обладает структура аустенита с нанодисперсными нитридами СгУ Наличие на границах зерен аустенита выделений легированного хромом нитрида молибдена, с-, /-фаз и/или
неоднородности химического состава после их растворения приводит к понижению коррозионных свойств.
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.
5. 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=5220 МПа, с0,2=4ООО МПа при е=3,6 на воздухе и до св=5970МПа, со,2=38ОО МПа при е=7,2 в коррозионной среде без склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Практическая значимость
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. Разработан режим упрочняющей обработки высокоазотистой аустенитной стали 06Х18АГ19М2 путем закалки от 1100-1150оС и старения при 500ОС. Даны практические рекомендации по использованию оптимального режима упрочняющей обработки стали 06Х18АГ19М2 (Р900У+Мо), применяемой 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%.
3. 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. Использованы разные методы физического металловедения: металлография, дилатометрия, просвечивающая и растровая электронная микроскопия, микрорентгеноспектральный (МРСА), рентгеноструктурный и БВЗИ анализ под контролем механических и электрохимических свойств.
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.
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.
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 публикациях, входящих в базы данных WOS и SCOPUS.
Личный вклад автора. На каждом из этапов работы автор принимал непосредственное участие: проводил испытания коррозионных и механических свойств на современном оборудовании, участвовал в постановке задачи эксперимента, приготовлении образцов для проведения комплексных исследований структуры и свойств сталей с применением современных методов физического металловедения, анализе результатов испытаний, а также в подготовке и написании статей и докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка и приложения. Объем диссертации составляет 167 страниц, включая 72 рисунка, 13 таблиц и список литературы из 128 наименований.
1. Установлено, что для повышения коррозионных свойств АКСС с азотом (0,035-0,820%) целесообразным следует считать совместное легирование углеродом и азотом при их суммарном содержании (С+К) выше 0,5 и соотношении концентрации С/К ниже 1/2.
2. Показано, что после горячей пластической деформации и закалки от
температур 1050-1150°С (1 ч), а также после закалки с последующим старением при 300 и 500°С структура состоит из аустенита и наноразмерных нитридов СгЫ. Тепловая выдержка закаленной стали при 700-750°С вызывает распад аустенита с образованием нитридов Мо2К по границам зерен, при 800°С - распад аустенита по прерывистой реакции у^уобедн.+п с образованием /-фазы при длительных (50 ч) выдержках.
3. Установлено, что максимальной питтингостойкостью сталь 06Х18АГ19М2 обладает после закалки от 1050-1150°С и старения при 300 и 500°С (£¿=1,379-1,394 В, Л£ф=1,390-1,407 В). В присутствии пограничных выделений нитрида Мо2К, п- и/или /-фазы, а также химической неоднородности аустенита вблизи границ зерен после их растворения сопротивление образованию питтингов снижается (Еь= -0,038-0,472 В).
4. Экспериментально показано, что метапластическая деформация методом РКУП стали 06Х18АГ19М2, закаленной от 1150оС, сопровождается скольжением дислокаций и интенсивным двойникованием аустенита без образования а- или 8-мартенсита и других фаз. 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 утлом разориентировки 2-3°.
5. Установлено, что питтинтостойкость 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 высокой, чем у стали 09Х18Н10Т (0,177 В). Образование питтингов происходит преимущественно в местах локализации деформации и разрушения пассивного слоя на поверхности стали.
6. Показан высокий уровень механических свойств при испытаниях на изгиб (со,2=1030 МПа, сВ=2040 МПа, 5=42%), после старения при 500ОС прочность повысилась (Ни 2130 МПа) при сохранении с0,2 и 5 на исходном уровне. Коррозионная среда вызвала разупрочнение стали (ДоВ/оВ<15%), связанное с растворением металла в зоне концентрации напряжений в вершине надреза образца. Характер разрушения стали во всех исследованных структурных состояниях на воздухе и в коррозионной среде остался вязким ямочным, что доказывает отсутствие склонности стали к коррозионному растрескиванию под напряжением.
7. Получено значительное повышение прочности исследованной стали (аВ и с0,2 в ~2,5-3,5 раза) и снижение пластичности (5 в ~5 раз) в среде и на воздухе после деформации методом РКУП. Разрушение стали на воздухе и в коррозионной среде при этом происходит по механизму квазискола, дисперсность которого увеличивается по мере повышения числа циклов прессования.
8. Оптимальным режимом термической обработки стали 06Х18АГ19М2 для использования в морской воде в качестве высокопрочного конструкционного материала следует считать закалку от 1100-1150оС со старением при 500оС.
2. Показано, что после горячей пластической деформации и закалки от
температур 1050-1150°С (1 ч), а также после закалки с последующим старением при 300 и 500°С структура состоит из аустенита и наноразмерных нитридов СгЫ. Тепловая выдержка закаленной стали при 700-750°С вызывает распад аустенита с образованием нитридов Мо2К по границам зерен, при 800°С - распад аустенита по прерывистой реакции у^уобедн.+п с образованием /-фазы при длительных (50 ч) выдержках.
3. Установлено, что максимальной питтингостойкостью сталь 06Х18АГ19М2 обладает после закалки от 1050-1150°С и старения при 300 и 500°С (£¿=1,379-1,394 В, Л£ф=1,390-1,407 В). В присутствии пограничных выделений нитрида Мо2К, п- и/или /-фазы, а также химической неоднородности аустенита вблизи границ зерен после их растворения сопротивление образованию питтингов снижается (Еь= -0,038-0,472 В).
4. Экспериментально показано, что метапластическая деформация методом РКУП стали 06Х18АГ19М2, закаленной от 1150оС, сопровождается скольжением дислокаций и интенсивным двойникованием аустенита без образования а- или 8-мартенсита и других фаз. 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 утлом разориентировки 2-3°.
5. Установлено, что питтинтостойкость 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 высокой, чем у стали 09Х18Н10Т (0,177 В). Образование питтингов происходит преимущественно в местах локализации деформации и разрушения пассивного слоя на поверхности стали.
6. Показан высокий уровень механических свойств при испытаниях на изгиб (со,2=1030 МПа, сВ=2040 МПа, 5=42%), после старения при 500ОС прочность повысилась (Ни 2130 МПа) при сохранении с0,2 и 5 на исходном уровне. Коррозионная среда вызвала разупрочнение стали (ДоВ/оВ<15%), связанное с растворением металла в зоне концентрации напряжений в вершине надреза образца. Характер разрушения стали во всех исследованных структурных состояниях на воздухе и в коррозионной среде остался вязким ямочным, что доказывает отсутствие склонности стали к коррозионному растрескиванию под напряжением.
7. Получено значительное повышение прочности исследованной стали (аВ и с0,2 в ~2,5-3,5 раза) и снижение пластичности (5 в ~5 раз) в среде и на воздухе после деформации методом РКУП. Разрушение стали на воздухе и в коррозионной среде при этом происходит по механизму квазискола, дисперсность которого увеличивается по мере повышения числа циклов прессования.
8. Оптимальным режимом термической обработки стали 06Х18АГ19М2 для использования в морской воде в качестве высокопрочного конструкционного материала следует считать закалку от 1100-1150оС со старением при 500оС.
Подобные работы
- ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ АУСТЕНИТНЫХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СТАЛЕЙ С КОРРОЗИОННЫМИ И МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
Диссертации (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 4300 р. Год сдачи: 2016