ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК НА МИКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
|
Реферат 2
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Особенности микроструктуры и возможности упрочнения аустенитных сталей 7
1.1 Стали аустенитного класса 7
1.2 Легирование сталей 9
1.3 Термомеханические обработки 12
1.4 Влияние термомеханической обработки на высокоазотистые стали 17
2 Постановка задачи и методика эксперимента 22
2.1 Постановка задачи 22
2.2 Выбор материала и методика эксперимента 23
3 Влияние режимов обработки на структуру и механические свойства высокоазотистых
аустенитных сталей 26
3.1 Исследования зеренной структуры и микроструктуры высокоазотистых
аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М в исходном состоянии 26
3.2 Влияние режимов термической обработки на особенности структурного состояния и
механические свойства и микроструктуры высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М 30
3.3 Влияние режимов термомеханической обработки на структуру и механические
свойства сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М 36
3.4 Влияние режимов теплой и горячей пластической деформации на зеренную
структуру, микроструктуру и механические свойства стали ВНС-53-Ш 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Особенности микроструктуры и возможности упрочнения аустенитных сталей 7
1.1 Стали аустенитного класса 7
1.2 Легирование сталей 9
1.3 Термомеханические обработки 12
1.4 Влияние термомеханической обработки на высокоазотистые стали 17
2 Постановка задачи и методика эксперимента 22
2.1 Постановка задачи 22
2.2 Выбор материала и методика эксперимента 23
3 Влияние режимов обработки на структуру и механические свойства высокоазотистых
аустенитных сталей 26
3.1 Исследования зеренной структуры и микроструктуры высокоазотистых
аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М в исходном состоянии 26
3.2 Влияние режимов термической обработки на особенности структурного состояния и
механические свойства и микроструктуры высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М 30
3.3 Влияние режимов термомеханической обработки на структуру и механические
свойства сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М 36
3.4 Влияние режимов теплой и горячей пластической деформации на зеренную
структуру, микроструктуру и механические свойства стали ВНС-53-Ш 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 54
Актуальность работы. Более 60 % производства коррозионностойких сталей приходится на стали аустенитного класса. Спектр применения аустенитных коррозионностойких сталей включает в себя обширную часть отраслей промышленности - от конструкционных сталей для бытовых приборов, медицинских имплантатов, элементов конструкции летательных аппаратов до материалов современных ядерных реакторов.
Наиболее распространены среди сталей аустенитного класса - хромоникелевые низкоуглеродистые стали с содержанием никеля от 8 %, отличающиеся рядом
примечательных свойств, такими как вязкость разрушения, повышенная структурно¬фазовая стабильность, низкая магнитная проницаемость, жаропрочность, высокая пластичность в закаленном состоянии и высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах. Однако, такие стали имеют невысокий (200 - 300 МПа) предел текучести в закаленном состоянии и низкую износостойкость. Возможности повышения их конструкционной прочности связаны с повышением эффективности различных механизмов упрочнения: твердорастворного, зернограничного, дислокационного и дисперсионного.
Прочностные свойства аустенитных сталей, легированных азотом в содержании более 0,3 %, в состоянии после обработки на твердый раствор в 2 - 3 раза выше чем у традиционных аустенитных сталей. Перспективность использования высокоазотистых сталей (ВАС) обусловлена тем, что азот, являясь элементом внедрения, позволяет в значительной степени повысить прочностные свойства стали при сохранении пластичности и ударной вязкости на высоком уровне, он способствует повышению ряда специальных свойств и служебных характеристик (коррозионной, эрозионной и кавитационной стойкости) и снижению магнитной проницаемости [1 - 3]. Помимо этого, легирование азотом является экономной альтернативой для уменьшения легирования дорогостоящим и дефицитным никелем с целью повышения стабильности аустенита в температурном диапазоне эксплуатации коррозионностойких сталей.
Использование различных режимов термических и термомеханических обработок на высокоазотистых сталях является одним из перспективных способов повышения прочностных свойств аустенитных сталей при сохранении достаточного уровня их пластичности. В нашей стране были проведены исследования по разработке высокоазотистых сталей, изучению влияния на их структуру и механические свойства термических и термомеханических обработок [4 - 6]. В настоящее время разработаны новые составы [7] таких сталей, имеющие перспективы использования в различных отраслях промышленности, в частности, в авиации, при изготовлении деталей трубопроводов высокого давления. Однако влияние термомеханических обработок (ТМО) на микроструктуру и механические свойства таких сталей в настоящее время остаются малоизученными.
В связи с этим, целью настоящей работы является исследование влияния термической и термомеханической обработок на зеренную и дефектную микроструктуру и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М путем испытаний на растяжение при различных температурах в структурных состояниях после различных термомеханических обработок;
2. Исследовать особенности микроструктуры сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш- М после различных термомеханических обработок методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, в том числе, с использованием дифракции обратно рассеянных электронов и просвечивающей электронной микроскопии;
3. Выявить взаимосвязь особенностей микроструктуры с механическими свойствами сталей после указанных выше обработок.
Апробация работы. Основные результаты магистерской диссертации были представлены на 7-ти конференциях: XXII-я Всероссийская школа - семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества памяти М.И. Куркина «СПФКС-22» (Екатеринбург, 2022); XI-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2023" (Москва, 2023); XX-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2023); Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (Томск, 2023); Международная конференция «Физика и технология перспективных материалов - 2023» (Уфа, 2023); XXI-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2024); XIX-я Российская студенческая конференция по физике твердого тела «ФТТ-2024» (Томск, 2024).
Публикации. По теме магистерской диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в базы данных Scopus и Web of Science (Letters on Materials и Russian Physics Journal) и 7 публикаций в сборниках научных трудов и материалов научных конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 3 основных разделов, заключения и списка литературы, который включает 68 наименований. Работа содержит 59 страниц текста, 30 рисунков, 7 таблиц и 2 формулы.
Во введении представлена актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи выпускной квалификационной работы магистра.
Литературный обзор включает в себя четыре подраздела. Описаны основные особенности сталей аустенитного класса, влияние легирования на конструкционные материалы, основные особенности влияния термомеханической обработки на механические свойства и результаты исследований влияния различных видов термической и термомеханической обработки на структуру и свойства высокоазотистых сталей с различным легированием.
Во втором разделе представлены постановка задачи и методика эксперимента. В оригинальной части работы представлены результаты исследований влияния различных видов термической и термомеханической обработок на структуру и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М.
Заключение работы содержит основные результаты, полученные в ходе проведённых исследований. Работа заканчивается списком использованных источников и литературы.
Наиболее распространены среди сталей аустенитного класса - хромоникелевые низкоуглеродистые стали с содержанием никеля от 8 %, отличающиеся рядом
примечательных свойств, такими как вязкость разрушения, повышенная структурно¬фазовая стабильность, низкая магнитная проницаемость, жаропрочность, высокая пластичность в закаленном состоянии и высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах. Однако, такие стали имеют невысокий (200 - 300 МПа) предел текучести в закаленном состоянии и низкую износостойкость. Возможности повышения их конструкционной прочности связаны с повышением эффективности различных механизмов упрочнения: твердорастворного, зернограничного, дислокационного и дисперсионного.
Прочностные свойства аустенитных сталей, легированных азотом в содержании более 0,3 %, в состоянии после обработки на твердый раствор в 2 - 3 раза выше чем у традиционных аустенитных сталей. Перспективность использования высокоазотистых сталей (ВАС) обусловлена тем, что азот, являясь элементом внедрения, позволяет в значительной степени повысить прочностные свойства стали при сохранении пластичности и ударной вязкости на высоком уровне, он способствует повышению ряда специальных свойств и служебных характеристик (коррозионной, эрозионной и кавитационной стойкости) и снижению магнитной проницаемости [1 - 3]. Помимо этого, легирование азотом является экономной альтернативой для уменьшения легирования дорогостоящим и дефицитным никелем с целью повышения стабильности аустенита в температурном диапазоне эксплуатации коррозионностойких сталей.
Использование различных режимов термических и термомеханических обработок на высокоазотистых сталях является одним из перспективных способов повышения прочностных свойств аустенитных сталей при сохранении достаточного уровня их пластичности. В нашей стране были проведены исследования по разработке высокоазотистых сталей, изучению влияния на их структуру и механические свойства термических и термомеханических обработок [4 - 6]. В настоящее время разработаны новые составы [7] таких сталей, имеющие перспективы использования в различных отраслях промышленности, в частности, в авиации, при изготовлении деталей трубопроводов высокого давления. Однако влияние термомеханических обработок (ТМО) на микроструктуру и механические свойства таких сталей в настоящее время остаются малоизученными.
В связи с этим, целью настоящей работы является исследование влияния термической и термомеханической обработок на зеренную и дефектную микроструктуру и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М путем испытаний на растяжение при различных температурах в структурных состояниях после различных термомеханических обработок;
2. Исследовать особенности микроструктуры сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш- М после различных термомеханических обработок методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, в том числе, с использованием дифракции обратно рассеянных электронов и просвечивающей электронной микроскопии;
3. Выявить взаимосвязь особенностей микроструктуры с механическими свойствами сталей после указанных выше обработок.
Апробация работы. Основные результаты магистерской диссертации были представлены на 7-ти конференциях: XXII-я Всероссийская школа - семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества памяти М.И. Куркина «СПФКС-22» (Екатеринбург, 2022); XI-я Евразийская научно-практическая конференция "Прочность неоднородных структур ПРОСТ-2023" (Москва, 2023); XX-я международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2023); Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (Томск, 2023); Международная конференция «Физика и технология перспективных материалов - 2023» (Уфа, 2023); XXI-я Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2024); XIX-я Российская студенческая конференция по физике твердого тела «ФТТ-2024» (Томск, 2024).
Публикации. По теме магистерской диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в базы данных Scopus и Web of Science (Letters on Materials и Russian Physics Journal) и 7 публикаций в сборниках научных трудов и материалов научных конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 3 основных разделов, заключения и списка литературы, который включает 68 наименований. Работа содержит 59 страниц текста, 30 рисунков, 7 таблиц и 2 формулы.
Во введении представлена актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи выпускной квалификационной работы магистра.
Литературный обзор включает в себя четыре подраздела. Описаны основные особенности сталей аустенитного класса, влияние легирования на конструкционные материалы, основные особенности влияния термомеханической обработки на механические свойства и результаты исследований влияния различных видов термической и термомеханической обработки на структуру и свойства высокоазотистых сталей с различным легированием.
Во втором разделе представлены постановка задачи и методика эксперимента. В оригинальной части работы представлены результаты исследований влияния различных видов термической и термомеханической обработок на структуру и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М.
Заключение работы содержит основные результаты, полученные в ходе проведённых исследований. Работа заканчивается списком использованных источников и литературы.
Впервые исследованы особенности зеренной структуры, микроструктуры и механические свойства в условиях испытаний на растяжение высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М в закаленном состоянии, после отжигов закаленного состояния, после холодной прокатки и отжигов, а также после всесторонней изотермической ковки и горячей прокатки (на стали ВНС-53-Ш). Основные результаты исследований заключаются в следующем.
1. В закаленном состоянии структура высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М качественно подобна. В стали ВНС-53-Ш средний размер зерна составляет ~ 42,4 мкм, в модифицированной ~ 31,7 мкм. Для сталей характерна разнозернистость - наличие значительного количества мелких зерен и крупные зерна размерами сотни микрон. Микроструктура сталей представлена преимущественно планарными дислокационными субструктурами, множественными дефектами упаковки и дисперсными частицами карбонитридов типа MX. Увеличенное содержание карбидообразующих элементов в модифицированной стали приводит к повышению объемной доли мелкодисперсных частиц типа MX на основе Nb и Mo, которая составляет ~ 0,8 %, при среднем размере частиц менее 100 нм. Предел текучести модифицированной стали на ~ 100 - 150 МПа выше, чем у стали ВНС-53-Ш. Более высокие значения прочностных свойств модифицированной стали обеспечены повышенной эффективностью дисперсного и твердорастворного механизмов упрочнения.
2. Отжиги закаленного состояния при 700 °C приводят к выделению дисперсных частиц Cr2N, преимущественно на границах зерен и некогерентных границах двойников. В отдельных участках внутри зерен наблюдаются ячеистые выделения фазы CnN. Прочностные свойства сталей после отжигов снижаются, однако даже после 100 ч выдержки, предел текучести составляет не менее 410 МПа для стали ВНС-53-Ш и 450 МПа для модифицированной стали, что выше соответствующих значений для других аустенитных сталей. Относительное удлинение для обеих сталей после отжигов 1 - 10 ч. возрастает, при увеличении времени отжига до 100 ч - несколько уменьшается, оставаясь на достаточно высоком уровне - 37 - 46 %. Изменение прочностных и пластических свойств сталей связано с отпуском дислокационной субструктуры и выделением дисперсных частиц Cr2N, объемная доля которых не превышает 1,1 %.
3. Изменения зеренной структуры и микроструктуры сталей в условиях холодной прокатки качественно подобны. Зерна вытягиваются в направлении прокатки, уменьшается их средний размер. Внутри зерен формируется высокая плотность пакетов микродвойников по нескольким системам двойникования. Увеличение степени деформации до 60 % приводит к формированию полос локализации деформации. Эти полосы распространяются в двойниковой микроструктуре, приводя к фрагментации зерен с формированием фрагментов субмикрокристаллического масштаба с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Холодная деформация приводит к повышению прочностных и снижению пластических свойств сталей. Отжиги холоднодеформированных состояний приводят к повышению относительного удлинения и некоторому снижению прочностных свойств в результате отпуска дислокационной субструктуры. При этом на образцах с большей степенью деформации отжиги приводят к более значительному снижению предела прочности и предела текучести и повышению относительного удлинения более чем в два раза по сравнению с состоянием после деформации.
4. Теплая деформация всесторонней ковкой стали ВНС-53-Ш приводит к
измельчению зеренной структуры с уменьшением среднего размера зерна в ~ 7 раз. Происходит значительная фрагментация зеренной структуры, формируются разориентированная фрагментированная структура субмикрокристаллического масштаба и отдельные микрополосы локализованной деформации. Наблюдаются отдельные деформационные микродвойники. Предел текучести возрастает в ~ 2,5 раза, по сравнению с закаленным состоянием, при этом относительное удлинение составляет ~ 10 %. После горячей деформации прокаткой средний размер зерен уменьшается в ~ 6 раз. Обнаружено формирование новых мало- и высокоугловых границ разориентации, при этом механическое двойникование полностью подавлено. В результате горячей прокатки предел текучести стали повышается в ~ 1,7 раз по сравнению с закаленным состоянием, при этом относительное удлинение составляет ~ 24 %, что значительно выше, чем после других видов термомеханических обработок. После ТМО с теплой и горячей деформацией при всех исследованных температурах растяжения (- 70 - + 275 °C) в стали наблюдается вязкий характер разрушения.
1. В закаленном состоянии структура высокоазотистых аустенитных сталей ВНС-53-Ш и ВНС-53-Ш-М качественно подобна. В стали ВНС-53-Ш средний размер зерна составляет ~ 42,4 мкм, в модифицированной ~ 31,7 мкм. Для сталей характерна разнозернистость - наличие значительного количества мелких зерен и крупные зерна размерами сотни микрон. Микроструктура сталей представлена преимущественно планарными дислокационными субструктурами, множественными дефектами упаковки и дисперсными частицами карбонитридов типа MX. Увеличенное содержание карбидообразующих элементов в модифицированной стали приводит к повышению объемной доли мелкодисперсных частиц типа MX на основе Nb и Mo, которая составляет ~ 0,8 %, при среднем размере частиц менее 100 нм. Предел текучести модифицированной стали на ~ 100 - 150 МПа выше, чем у стали ВНС-53-Ш. Более высокие значения прочностных свойств модифицированной стали обеспечены повышенной эффективностью дисперсного и твердорастворного механизмов упрочнения.
2. Отжиги закаленного состояния при 700 °C приводят к выделению дисперсных частиц Cr2N, преимущественно на границах зерен и некогерентных границах двойников. В отдельных участках внутри зерен наблюдаются ячеистые выделения фазы CnN. Прочностные свойства сталей после отжигов снижаются, однако даже после 100 ч выдержки, предел текучести составляет не менее 410 МПа для стали ВНС-53-Ш и 450 МПа для модифицированной стали, что выше соответствующих значений для других аустенитных сталей. Относительное удлинение для обеих сталей после отжигов 1 - 10 ч. возрастает, при увеличении времени отжига до 100 ч - несколько уменьшается, оставаясь на достаточно высоком уровне - 37 - 46 %. Изменение прочностных и пластических свойств сталей связано с отпуском дислокационной субструктуры и выделением дисперсных частиц Cr2N, объемная доля которых не превышает 1,1 %.
3. Изменения зеренной структуры и микроструктуры сталей в условиях холодной прокатки качественно подобны. Зерна вытягиваются в направлении прокатки, уменьшается их средний размер. Внутри зерен формируется высокая плотность пакетов микродвойников по нескольким системам двойникования. Увеличение степени деформации до 60 % приводит к формированию полос локализации деформации. Эти полосы распространяются в двойниковой микроструктуре, приводя к фрагментации зерен с формированием фрагментов субмикрокристаллического масштаба с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Холодная деформация приводит к повышению прочностных и снижению пластических свойств сталей. Отжиги холоднодеформированных состояний приводят к повышению относительного удлинения и некоторому снижению прочностных свойств в результате отпуска дислокационной субструктуры. При этом на образцах с большей степенью деформации отжиги приводят к более значительному снижению предела прочности и предела текучести и повышению относительного удлинения более чем в два раза по сравнению с состоянием после деформации.
4. Теплая деформация всесторонней ковкой стали ВНС-53-Ш приводит к
измельчению зеренной структуры с уменьшением среднего размера зерна в ~ 7 раз. Происходит значительная фрагментация зеренной структуры, формируются разориентированная фрагментированная структура субмикрокристаллического масштаба и отдельные микрополосы локализованной деформации. Наблюдаются отдельные деформационные микродвойники. Предел текучести возрастает в ~ 2,5 раза, по сравнению с закаленным состоянием, при этом относительное удлинение составляет ~ 10 %. После горячей деформации прокаткой средний размер зерен уменьшается в ~ 6 раз. Обнаружено формирование новых мало- и высокоугловых границ разориентации, при этом механическое двойникование полностью подавлено. В результате горячей прокатки предел текучести стали повышается в ~ 1,7 раз по сравнению с закаленным состоянием, при этом относительное удлинение составляет ~ 24 %, что значительно выше, чем после других видов термомеханических обработок. После ТМО с теплой и горячей деформацией при всех исследованных температурах растяжения (- 70 - + 275 °C) в стали наблюдается вязкий характер разрушения.
