Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКО ТЕМПЕРА ТУРНЫХ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ОБРАБОТОК И ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Литературный обзор 8
1.1 Аустенитные стали 8
1.2 Высокоазотистые аустенитные стали 10
1.3 Термомеханическая обработка аустенитных сталей 13
1.4 Термомеханическая обработка высокоазотистых аустенитных сталей 20
2 Методика эксперимента 26
3 Микроструктура и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей после
ВТМО 30
3.1 Особенности микроструктуры и механические свойства стали Х17АГ18Ф2 после
высокотемпературной деформации 30
3.2 Особенности микроструктуры и механиеческие свойства сталей ВНС53-Ш и
ВНС53-Ш-М после высокотемпературной деформации 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 49
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Литературный обзор 8
1.1 Аустенитные стали 8
1.2 Высокоазотистые аустенитные стали 10
1.3 Термомеханическая обработка аустенитных сталей 13
1.4 Термомеханическая обработка высокоазотистых аустенитных сталей 20
2 Методика эксперимента 26
3 Микроструктура и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей после
ВТМО 30
3.1 Особенности микроструктуры и механические свойства стали Х17АГ18Ф2 после
высокотемпературной деформации 30
3.2 Особенности микроструктуры и механиеческие свойства сталей ВНС53-Ш и
ВНС53-Ш-М после высокотемпературной деформации 36
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 49
Актуальность работы. Одним из актуальных направлений современного материаловедения является повышение прочностных свойств сталей с помощью целенаправленного изменения их структуры с применением различных способов обработок.
Аустенитные нержавеющие стали на хромоникелевой основе обладают рядом привлекательных свойств, таких как высокая пластичность в закаленном состоянии и высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах. Однако общим недостатком аустенитных сталей с рекристаллизованной структурой после традиционной обработки (закалки) является низкий предел текучести (200 - 340 МПа).
Упрочнение аустенитных сталей достигается в процессе холодной пластической деформации. При этом в сталях с низкой энергией дефектов упаковки формируется высокая плотность микродвойников. В метастабильных аустенитных сталях холодная пластическая деформация способствует реализации мартенситных превращений, в результате формируются гетерофазные высокодефектные микроструктуры. Указанные структурные состояния обеспечивают значительное повышение прочностных свойств, но при этом уменьшаются пластические свойства [1, 2].
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).
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 в работах, выполненных в коллективе лаборатории физики структурных превращений СФТИ ТГУ, была показана эффективность ТМО с низкотемпературной, и последующей теплой пластической деформацией для формирования СМК структурных состояний и повышения прочности высокоазотистой аустенитной стали. Полученные структурные состояния приводят к 2-х кратному увеличению прочностных свойств стали относительно исходного состояния. Это обусловлено сочетанием твердорастворного упрочнения азотом, измельчением структуры и формированием высокой плотности микродвойников в процессе обработки. Однако такие обработки приводят к минимальным значениям пластичности 5 & 2,3 - 2,8 %. Показано, что дополнительные отжиги после ТМО не позволяют повысить пластичность высокоазотистых сталей, поскольку способствуют интенсивному выделению нитридных частиц Cr2N, которые охрупчивают материал [3, 4].
С целью повышения прочности и предотвращения значительного снижения пластических свойств в настоящей работе были предложены варианты высокотемпературных термомеханических обработок (ВТМО). Перспективность ВТМО ранее была продемонстрирована на высокоазотистых аустенитных сталях в работах [5 - 7]. Показано, что в условиях таких обработок формируется фрагментированная микроструктура с преимущественно малоугловыми границами разориентации. Это обеспечивает хорошее сочетание прочности и пластичности сталей. Влияние ВТМО на особенности микроструктуры и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М ранее не изучалось.
Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы является исследование особенностей структурно-фазовых превращений в процессе ВТМО и изучение механических свойств высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить особенности структурно-фазовых состояний высокоазотистых
аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М после ВТМО.
2. Исследовать механические свойства сталей после ВТМО путем испытаний на растяжение при комнатной температуре.
3. Выявить взаимосвязь особенностей микроструктуры с механическими свойствами сталей.
Объектами исследования являются высокоазотистые аустенитные стали Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М. Предметом исследования являются особенности структурно-фазовых состояний и механические свойства сталей.
Научная новизна.
1. В работе впервые установлены закономерности структурно-фазовых превращений в условиях высокотемпературных термомеханических обработок высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М. Показано, что двухступенчатая обработка: горячая пластическая деформация при Т = 1000 - 1100 °C и последующая теплая деформация при Т = 600 °C, приводит к фрагментации материала с формированием субмикрокристаллических структурных состояний с мало- и высокоугловыми границами разориентации. При этом первая ступень ВТМО (Т = 1000 - 1100 °C) обеспечивает преимущественно малоугловые границы разориентации. Дополнительная ступень деформации при более низкой температуре (Т = 600 °C) приводит к формированию высокоугловых границ разориентации.
2. Показано, что предложенные режимы ВТМО с горячей (Т = 1000 - 1100 °C) и теплой (Т = 600 °C) пластической деформацией обеспечивают повышение пределов текучести и прочности при сохранении относительного удлинения на достаточном (не менее 6 %) уровне. Предел текучести сталей после ВТМО увеличивается в 1,6 - 4 раза по сравнению с исходными значениями. На стали ВНС53-Ш-М в результате ВТМО достигнуты максимальные значения предела текучести более 1150 МПа, предела прочности более 1330 МПа, что превышает соответствующие значения для других изученных сталей.
3. На основании структурных исследований показано, что повышение
прочностных свойств сталей обеспечивается субструктурным упрочнением субмикрокристаллической фрагментированной структурой с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Дополнительный вклад в упрочнение стали ВНС53-Ш-М обусловлен наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия.
Методология и методы исследования.
В диссертационной работе использованы следующие методы исследований: просвечивающая электронная микроскопия в том числе с применением энергодисперсионного микроанализа для изучения элементного состава, механические испытания методом активного растяжения.
Практическое значение результатов.
Выявленные закономерности формирования микроструктуры и механических свойств высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в условиях ВТМО представляют значительный интерес при анализе вопросов физики структурных превращений, прочности и пластичности для сталей данного класса.
Полученные экспериментальные данные о структурных-фазовых превращениях и механических свойствах высокоазотистых аустенитных сталей в условиях ВТМО могут быть использованы для разработки технологий изготовления ответственных деталей и механизмов в промышленности. В частности, стали ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в настоящее время применяются в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей трубопроводных систем в одном из ведущих российских предприятий по разработке авиационной техники «ОКБ Сухой».
Положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментально обнаруженные особенности фрагментации микроструктуры
высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в условиях ВТМО. Развитие пластической деформации в локализованных участках сталей с формированием СМК фрагментов с преимущественно малоугловыми разориентировками при горячей (Т = 1100 °C), и с мало- и высокоугловыми границами разориентации при теплой (Т = 600 °C) деформации.
2. Способ повышения прочности высокоазотистых аустенитных сталей путем двухступенчатых ВТМО с горячей пластической деформацией при Т = 1000 - 1100 °C и последующей теплой деформацией при Т = 600 °C, позволяющий получать значения пределов текучести более 1150 МПа и прочности более 1350 МПа при сохранении достаточной пластичности.
3. Закономерности повышения прочностных свойств высокоазотистых аустенитных сталей в условиях ВТМО за счет формирования фрагментированной СМК структуры и дополнительного дисперсионного упрочнения наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия.
Апробация работы.
В рамках работы опубликована статья в зарубежном научном журнале «AIP Conference Proceedings», индексируемом в WoS и Scopus и 5 публикаций в сборниках материалов конференций всероссийского и международного уровней:
IV Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии», (г. Томск, 2017); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2017); 24-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-24» (г. Томск, 2018); XVI Российская научная студенческая конференция «Физика твердого тела», (г. Томск, 2018); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2019).
Благодарности.
Автор выражает благодарности к.ф.-м.н. Наркевич Н.А., ИФПМ СО РАН за предоставленные образцы стали Х17АГ18Ф2 и сотрудникам Научно-исследовательского института Металлургической Технологии ОАО «НИИМТ», г. Ижевск, аспиранту Кушнеревой Д.С. и к.ф.-м.н. Сапожникову Г.В. за предоставленные образцы сталей ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М.
Аустенитные нержавеющие стали на хромоникелевой основе обладают рядом привлекательных свойств, таких как высокая пластичность в закаленном состоянии и высокая коррозионная стойкость в различных агрессивных средах. Однако общим недостатком аустенитных сталей с рекристаллизованной структурой после традиционной обработки (закалки) является низкий предел текучести (200 - 340 МПа).
Упрочнение аустенитных сталей достигается в процессе холодной пластической деформации. При этом в сталях с низкой энергией дефектов упаковки формируется высокая плотность микродвойников. В метастабильных аустенитных сталях холодная пластическая деформация способствует реализации мартенситных превращений, в результате формируются гетерофазные высокодефектные микроструктуры. Указанные структурные состояния обеспечивают значительное повышение прочностных свойств, но при этом уменьшаются пластические свойства [1, 2].
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).
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 в работах, выполненных в коллективе лаборатории физики структурных превращений СФТИ ТГУ, была показана эффективность ТМО с низкотемпературной, и последующей теплой пластической деформацией для формирования СМК структурных состояний и повышения прочности высокоазотистой аустенитной стали. Полученные структурные состояния приводят к 2-х кратному увеличению прочностных свойств стали относительно исходного состояния. Это обусловлено сочетанием твердорастворного упрочнения азотом, измельчением структуры и формированием высокой плотности микродвойников в процессе обработки. Однако такие обработки приводят к минимальным значениям пластичности 5 & 2,3 - 2,8 %. Показано, что дополнительные отжиги после ТМО не позволяют повысить пластичность высокоазотистых сталей, поскольку способствуют интенсивному выделению нитридных частиц Cr2N, которые охрупчивают материал [3, 4].
С целью повышения прочности и предотвращения значительного снижения пластических свойств в настоящей работе были предложены варианты высокотемпературных термомеханических обработок (ВТМО). Перспективность ВТМО ранее была продемонстрирована на высокоазотистых аустенитных сталях в работах [5 - 7]. Показано, что в условиях таких обработок формируется фрагментированная микроструктура с преимущественно малоугловыми границами разориентации. Это обеспечивает хорошее сочетание прочности и пластичности сталей. Влияние ВТМО на особенности микроструктуры и механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М ранее не изучалось.
Исходя из вышесказанного, целью настоящей работы является исследование особенностей структурно-фазовых превращений в процессе ВТМО и изучение механических свойств высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить особенности структурно-фазовых состояний высокоазотистых
аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М после ВТМО.
2. Исследовать механические свойства сталей после ВТМО путем испытаний на растяжение при комнатной температуре.
3. Выявить взаимосвязь особенностей микроструктуры с механическими свойствами сталей.
Объектами исследования являются высокоазотистые аустенитные стали Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М. Предметом исследования являются особенности структурно-фазовых состояний и механические свойства сталей.
Научная новизна.
1. В работе впервые установлены закономерности структурно-фазовых превращений в условиях высокотемпературных термомеханических обработок высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М. Показано, что двухступенчатая обработка: горячая пластическая деформация при Т = 1000 - 1100 °C и последующая теплая деформация при Т = 600 °C, приводит к фрагментации материала с формированием субмикрокристаллических структурных состояний с мало- и высокоугловыми границами разориентации. При этом первая ступень ВТМО (Т = 1000 - 1100 °C) обеспечивает преимущественно малоугловые границы разориентации. Дополнительная ступень деформации при более низкой температуре (Т = 600 °C) приводит к формированию высокоугловых границ разориентации.
2. Показано, что предложенные режимы ВТМО с горячей (Т = 1000 - 1100 °C) и теплой (Т = 600 °C) пластической деформацией обеспечивают повышение пределов текучести и прочности при сохранении относительного удлинения на достаточном (не менее 6 %) уровне. Предел текучести сталей после ВТМО увеличивается в 1,6 - 4 раза по сравнению с исходными значениями. На стали ВНС53-Ш-М в результате ВТМО достигнуты максимальные значения предела текучести более 1150 МПа, предела прочности более 1330 МПа, что превышает соответствующие значения для других изученных сталей.
3. На основании структурных исследований показано, что повышение
прочностных свойств сталей обеспечивается субструктурным упрочнением субмикрокристаллической фрагментированной структурой с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Дополнительный вклад в упрочнение стали ВНС53-Ш-М обусловлен наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия.
Методология и методы исследования.
В диссертационной работе использованы следующие методы исследований: просвечивающая электронная микроскопия в том числе с применением энергодисперсионного микроанализа для изучения элементного состава, механические испытания методом активного растяжения.
Практическое значение результатов.
Выявленные закономерности формирования микроструктуры и механических свойств высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в условиях ВТМО представляют значительный интерес при анализе вопросов физики структурных превращений, прочности и пластичности для сталей данного класса.
Полученные экспериментальные данные о структурных-фазовых превращениях и механических свойствах высокоазотистых аустенитных сталей в условиях ВТМО могут быть использованы для разработки технологий изготовления ответственных деталей и механизмов в промышленности. В частности, стали ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в настоящее время применяются в качестве конструкционных материалов для изготовления деталей трубопроводных систем в одном из ведущих российских предприятий по разработке авиационной техники «ОКБ Сухой».
Положения, выносимые на защиту.
1. Экспериментально обнаруженные особенности фрагментации микроструктуры
высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М в условиях ВТМО. Развитие пластической деформации в локализованных участках сталей с формированием СМК фрагментов с преимущественно малоугловыми разориентировками при горячей (Т = 1100 °C), и с мало- и высокоугловыми границами разориентации при теплой (Т = 600 °C) деформации.
2. Способ повышения прочности высокоазотистых аустенитных сталей путем двухступенчатых ВТМО с горячей пластической деформацией при Т = 1000 - 1100 °C и последующей теплой деформацией при Т = 600 °C, позволяющий получать значения пределов текучести более 1150 МПа и прочности более 1350 МПа при сохранении достаточной пластичности.
3. Закономерности повышения прочностных свойств высокоазотистых аустенитных сталей в условиях ВТМО за счет формирования фрагментированной СМК структуры и дополнительного дисперсионного упрочнения наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия.
Апробация работы.
В рамках работы опубликована статья в зарубежном научном журнале «AIP Conference Proceedings», индексируемом в WoS и Scopus и 5 публикаций в сборниках материалов конференций всероссийского и международного уровней:
IV Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь, наука, технологии», (г. Томск, 2017); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2017); 24-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-24» (г. Томск, 2018); XVI Российская научная студенческая конференция «Физика твердого тела», (г. Томск, 2018); Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», (г. Томск, 2019).
Благодарности.
Автор выражает благодарности к.ф.-м.н. Наркевич Н.А., ИФПМ СО РАН за предоставленные образцы стали Х17АГ18Ф2 и сотрудникам Научно-исследовательского института Металлургической Технологии ОАО «НИИМТ», г. Ижевск, аспиранту Кушнеревой Д.С. и к.ф.-м.н. Сапожникову Г.В. за предоставленные образцы сталей ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М.
1. Реализованы оригинальные варианты двухступенчатых высокотемпературных термомеханических обработок, состоящих из горячей (Т = 1000 - 1100 °C) и последующей теплой пластической деформацией (Т = 600 °C) для модификации микроструктуры и повышения прочностных свойств высокоазотистых аустенитных сталей Х17АГ18Ф2, ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М.
2. Методами просвечивающей электронной микроскопии изучены особенности микроструктуры этих сталей после ВТМО. Показано, что в процессе таких обработок пластическая деформация развивается в локализованных участках и формируется фрагментированная микроструктура с мало- и высокоугловыми границами разориентации. После горячей деформации в структуре сталей обнаруживаются микродвойники, при этом двойникование не является определяющим механизмом деформации при высоких температурах. Вторая ступень ВТМО с теплой деформацией при Т = 600 °C способствует дополнительной фрагментации структуры аустенита с формированием высокоугловых границ разориентации. Дисперсные частицы нитридов обнаружены в сталях уже в исходном состоянии, дополнительного выделения частиц в условиях ВТМО не обнаружено.
3. В процессе испытаний на растяжение изучены механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей. Показано, что предложенные варианты ВТМО обеспечивают значительное повышение прочностных свойств сталей при сохранении хорошего запаса пластичности (не менее 6 %). Полученные в результате ВТМО значения пределов текучести сталей в 1,6 - 4 раза выше, чем в исходном состоянии. В стали Х17АГ18Ф2 предел текучести возрастает на « 300 МПа, в ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М на 660 МПа и 580 МПа, соответственно. Увеличение степени деформации на первой или второй ступенях ВТМО приводят к незначительному росту прочностных свойств, однако пластичность при этом снижается. К значительному снижению пластичности приводит повышение степени деформации на второй ступени ВТМО (с теплой деформацией).
4. На основании структурных исследований, повышение прочностных свойств высокоазотистых аустенитных сталей в результате ВТМО обеспечивается главным образом субструктурным упрочнением субмикрокристаллической фрагментированной структурой с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Дополнительный вклад в упрочнение (Ас & 50 МПа) стали ВНС53-Ш-М обусловлен наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия с объемной долей f ~ 0,018. В сталях Х17АГ18Ф2 и ВНС53-Ш присутствуют достаточно крупные (сотни нм) частицы нитридов ванадия и хрома. Такие частицы не вносят существенного вклада в повышение прочности этих сталей.
2. Методами просвечивающей электронной микроскопии изучены особенности микроструктуры этих сталей после ВТМО. Показано, что в процессе таких обработок пластическая деформация развивается в локализованных участках и формируется фрагментированная микроструктура с мало- и высокоугловыми границами разориентации. После горячей деформации в структуре сталей обнаруживаются микродвойники, при этом двойникование не является определяющим механизмом деформации при высоких температурах. Вторая ступень ВТМО с теплой деформацией при Т = 600 °C способствует дополнительной фрагментации структуры аустенита с формированием высокоугловых границ разориентации. Дисперсные частицы нитридов обнаружены в сталях уже в исходном состоянии, дополнительного выделения частиц в условиях ВТМО не обнаружено.
3. В процессе испытаний на растяжение изучены механические свойства высокоазотистых аустенитных сталей. Показано, что предложенные варианты ВТМО обеспечивают значительное повышение прочностных свойств сталей при сохранении хорошего запаса пластичности (не менее 6 %). Полученные в результате ВТМО значения пределов текучести сталей в 1,6 - 4 раза выше, чем в исходном состоянии. В стали Х17АГ18Ф2 предел текучести возрастает на « 300 МПа, в ВНС53-Ш и ВНС53-Ш-М на 660 МПа и 580 МПа, соответственно. Увеличение степени деформации на первой или второй ступенях ВТМО приводят к незначительному росту прочностных свойств, однако пластичность при этом снижается. К значительному снижению пластичности приводит повышение степени деформации на второй ступени ВТМО (с теплой деформацией).
4. На основании структурных исследований, повышение прочностных свойств высокоазотистых аустенитных сталей в результате ВТМО обеспечивается главным образом субструктурным упрочнением субмикрокристаллической фрагментированной структурой с мало- и высокоугловыми границами разориентации. Дополнительный вклад в упрочнение (Ас & 50 МПа) стали ВНС53-Ш-М обусловлен наноразмерными частицами нитридов на основе хрома, ванадия и ниобия с объемной долей f ~ 0,018. В сталях Х17АГ18Ф2 и ВНС53-Ш присутствуют достаточно крупные (сотни нм) частицы нитридов ванадия и хрома. Такие частицы не вносят существенного вклада в повышение прочности этих сталей.
