Тема: Влияние температуры и продолжительности отжига на особенности структурно-фазовых состояний и механические свойства высокоазотистой аустенитной стали

Актуальность работы.
Стали являются широко распространенными конструкционными материалами и применяются во многих отраслях промышленности. Повышение прочностных свойств сталей с помощью целенаправленного изменения их структуры с применением новых способов обработки является одной из актуальных проблем современного материаловедения. Необходимо, чтобы высокопрочный материал не был хрупким, обладал достаточным уровнем пластичности и вязкости.
Аустенитные нержавеющие стали на хромоникелевой основе обладают рядом привлекательных свойств, таких как высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах и высокая пластичность в закаленном состоянии. Однако прочностные свойства у них невысоки, предел текучести составляет 200 - 340 МПа. Одним из способов повышения прочности аустенитных сталей является создание в них субмикрокристаллических (СМК) структурных состояний различными методами интенсивной пластической деформации, либо с применением термомеханических обработок (ТМО). Микродвойниковые структуры, формирующиеся в процессе пластической деформации аустенитных сталей, также приводят к значительному повышению прочности. Высокоазотистые аустенитные стали на хромомарганцевой основе были предложены как альтернатива более дорогостоящим хромоникелевым. Эти стали уже в закаленном состоянии имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аналогами за счет наличия в твердом растворе азота.
Ранее [1] была показана перспективность ТМО с низкотемпературной и последующей теплой пластической деформацией в формировании СМК структурных состояний в высокоазотистой аустенитной стали. Полученные структурные состояния приводят к 2-х кратному повышению прочностных свойств стали относительно исходного состояния. Реализации подобных термомеханических обработок на высокоазотистой аустенитной стали открывает возможности повышения прочности за счет сочетания твердорастворного упрочнения азотом и измельчения структуры в процессе обработки.
В процессе отжигов деформированной структуры высокоазотистых сталей могут развиваться одновременно процессы рекристаллизации и выделения нитридных фаз, что оказывает значительное влияние на прочностные и пластические свойства. Особенности микроструктуры и механические свойства высокоазотистой аустенитной стали Х17АГ18Ф2 после ТМО с последующими отжигами ранее не исследовались.
В связи с этим, целью настоящей работы является: изучение влияния температуры и продолжительности отжига после термомеханических обработок на структурно-фазовые состояния и механические свойства высокоазотистой аустенитной стали.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить особенности структурно-фазовых состояний высокоазотистой аустенитной стали в условиях термомеханических обработок и последующих отжигов;
2. Исследовать механические свойства стали после различных термомеханических обработок и отжигов путем испытаний на растяжение;
3. Выявить взаимосвязь особенностей микроструктуры с механическими свойствами стали.
Объектом исследования является высокоазотистая аустенитная сталь Х17АГ18Ф2. Предметом исследования являются особенности микроструктуры и механические свойства стали.
Научная новизна.
В работе впервые изучено влияние температуры и продолжительности отжига после оригинальных термомеханических обработок, обеспечивающих существенный прирост прочностных свойств. Показано, что рекристаллизация в стали реализуется при температурах отжига выше Т = 700 °С (выдержка 1 час) и сопровождается интенсивным выделением частиц Cr2N, способствующих к охрупчиванию материала. Короткие циклические отжиги при Т = 850 °С (4 цикла, длительностью 2 мин.) не приводят к интенсивному выделению частиц Cr2N, однако рекристаллизация при этом не наблюдается.
Практическая значимость работы.
Выявленные закономерности формирования микроструктуры и механических свойств высокоазотистой аустенитной стали Х17АГ18Ф2 в различных условиях ТМО с последующими отжигами представляют интерес для разработки технологий создания субмикрокристаллических структурных состояний в высокоазотистых аустенитных сталях.
Результаты исследования докладывались на международных и всероссийских конференциях: Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (09 - 13 октября 2017 г.), г. Томск; Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии: новые идеи и перспективы» (25 - 27 октября 2017 г.), г. Томск; XXIV Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых (31 марта - 7 апреля 2018 г.), г. Томск; XVI Российская студенческая конференция по физике твердого тела (17 - 20 апреля 2018 г.), г. Томск.

Купить

1. Показано, что в условиях термомеханических обработок в высокоазотистой аустенитной стали формируется высокая плотность микродвойников и полос локализации деформации с внутренней фрагментированной структурой. Эти структурные состояния обеспечивают в стали высокие значения предела текучести до ~ 1180 МПа при минимальных значениях относительного удлинения 2,3 - 2,8 %.
2. Отжиги деформированной структуры в интервале температур T = 550 - 650 °C, длительностью 0,5 - 3 ч не приводят к рекристаллизации. После таких отжигов микроструктура стали качественно подобна структуре после ТМО: представлена пакетами микродвойников и полосами локализации деформации. Существенным отличием гетерофазной микроструктуры стали после отжигов является дисперсные (наноразмерные, до 30 нм) частицы нитридов CrN и VN. После отжига при Т = 600 °C, 1 час обнаруживаются отдельные частицы нитридов Cr2N.
3. Отжиги при более высоких температурах, Т = 700 °C, длительностью 1 час приводят к начальным стадиям рекристаллизации с формированием СМК аустенитных зерен и интенсивному выделению частиц нитридов Cr2N различных размеров от нанокристаллических до субмикронных.
4. Кратковременные (2 мин) высокотемпературные (Т = 850 °C) циклические (до 4-х циклов) отжиги после ТМО не приводят к рекристаллизации, при этом структура стали представлена пакетами микродвойников и полосами локализации деформации. В этой структуре обнаружены дисперсные частицы нитридов CrN и VN, однако плотность их невысока. Наблюдаются отдельные участки с повышенной плотностью грубодисперсных частиц Cr2N.
5. Отжиги высокоазостистой стали после деформации и термомеханических обработок обеспечивают высокие значения предела текучести до 1227 МПа, превышающие соответствующие значения после ТМО, однако при этом относительное удлинение снижается до значений 0,5 - 1,4%. Повышение прочностных свойств обусловлено высокой эффективностью дисперсного упрочнения в процессе интенсивного выделения частиц нитридов, которые одновременно способствуют охрупчиванию материала.
6. Температурный порог рекристаллизации высокоазотистой аустенитной стали находится вблизи Т = 700 °C (при выдержке 1 час). При этой же температуре начинается интенсивное выделение частиц Cr2N, приводящих к значительному снижению пластичности материала. При этом начальные стадии рекристаллизации с формированием СМК зерен аустенита не способствуют повышению пластичности, поскольку в рекристаллизованных зернах формируется высокая плотность частиц нитридных фаз.

Купить