Влияние температуры и продолжительности отжига на особенности структурно-фазовых состояний и механические свойства высокоазотистой аустенитной стали
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Особенности структурно-фазовых состояний сталей 6
1.1 Классификация сталей 6
1.2 Высокоазотистые аустенитные стали 8
1.3 Термомеханическая обработка стали 15
2 Постановка задачи и методика эксперимента 20
3 Особенности микроструктуры и механические свойства
высокоазотистой аустенитной стали после ТМО и отжигов 23
3.1 Влияние отжигов на деформированную структуру стали 23
3.2 Влияние отжигов на структуру стали после ТМО 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 36
1 Особенности структурно-фазовых состояний сталей 6
1.1 Классификация сталей 6
1.2 Высокоазотистые аустенитные стали 8
1.3 Термомеханическая обработка стали 15
2 Постановка задачи и методика эксперимента 20
3 Особенности микроструктуры и механические свойства
высокоазотистой аустенитной стали после ТМО и отжигов 23
3.1 Влияние отжигов на деформированную структуру стали 23
3.2 Влияние отжигов на структуру стали после ТМО 28
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 35
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 36
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.
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.
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.
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.
Подобные работы
- Влияние низкотемпературного ионного азотирования на особенности деформации и
разрушения аустенитной нержавеющей стали 01Х17Н13М3, подвергнутой различным термомеханическим обработкам
Главы к дипломным работам, технология машиностроения. Язык работы: Русский. Цена: 5900 р. Год сдачи: 2016