СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ СТАЛИ ТИПА 10Х11К3В3ДМФБРА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
|
Введение
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Хромистые стали мартенситного класса 7
1.2 Принципы легирования сталей 9
1.3 Термическая обработка 10
1.4 Влияние химических элементов 15
1.5 Структура и свойства высокохромистых сталей 21
1.6 Фазовый состав высокохромистых сталей 24
1.7 Перспективы развития жаропрочных сталей 28
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1 Материал исследования 31
2.2 Методики подготовки образцов 32
2.3 Методика дифференциальной сканирующей калориметрии 32
2.4 Методика испытания на твердость 33
2.5 Методика испытания на ударную вязкость 34
2.6 Методика испытания на одноосное растяжение 35
2.7 Подготовка образцов для исследования просвечивающей электронной
микроскопии (фольг и реплик) 36
2.8 Электронно-микроскопический анализ 37
2.9 Метод математического моделирования 38
2.10 Техника безопасности при работе с химическими веществами и
электроприборами 39
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ . 44
3.1 Результаты математического моделирования фазового состава 44
3.2 Положение точек фазовых переходов 47
3.3 Влияние температуры нормализации на структуру исследуемой стали . .. 49
3.4 Кратковременные механические свойства исследуемой стали 51
3.5 Фрактографические исследования после испытания на ударную вязкость
57
3.6 Структура после нормализации и отпуска при 750°С 60
3.7 Структура после нормализации и отпуска при 770°С 67
3.8 Структура после нормализации и отпуска при 800°С 72
3.9 Связь между структурой и механическими свойствами при различных
режимах термообработок 77
3.10 Анализ экономической целесообразности проведения работ 79
ВЫВОДЫ 81
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Хромистые стали мартенситного класса 7
1.2 Принципы легирования сталей 9
1.3 Термическая обработка 10
1.4 Влияние химических элементов 15
1.5 Структура и свойства высокохромистых сталей 21
1.6 Фазовый состав высокохромистых сталей 24
1.7 Перспективы развития жаропрочных сталей 28
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1 Материал исследования 31
2.2 Методики подготовки образцов 32
2.3 Методика дифференциальной сканирующей калориметрии 32
2.4 Методика испытания на твердость 33
2.5 Методика испытания на ударную вязкость 34
2.6 Методика испытания на одноосное растяжение 35
2.7 Подготовка образцов для исследования просвечивающей электронной
микроскопии (фольг и реплик) 36
2.8 Электронно-микроскопический анализ 37
2.9 Метод математического моделирования 38
2.10 Техника безопасности при работе с химическими веществами и
электроприборами 39
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ . 44
3.1 Результаты математического моделирования фазового состава 44
3.2 Положение точек фазовых переходов 47
3.3 Влияние температуры нормализации на структуру исследуемой стали . .. 49
3.4 Кратковременные механические свойства исследуемой стали 51
3.5 Фрактографические исследования после испытания на ударную вязкость
57
3.6 Структура после нормализации и отпуска при 750°С 60
3.7 Структура после нормализации и отпуска при 770°С 67
3.8 Структура после нормализации и отпуска при 800°С 72
3.9 Связь между структурой и механическими свойствами при различных
режимах термообработок 77
3.10 Анализ экономической целесообразности проведения работ 79
ВЫВОДЫ 81
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 83
Угольные паровые электростанции производят около 40% мирового электричества. Ожидается, что их использование будет расти в течение ближайших 30 лет в связи с ростом глобального спроса на электроэнергию. Работающие на угле электростанции являются интенсивными источниками глобальных выбросов CO2. Любое улучшение эффективности работы угольных электростанций имеет большое влияние на условия окружающей среды в мире [1-3]. КПД угольных паровых электростанций в значительной степени контролируется достигаемой температурой и давлением, которые ограничены свойствами конструкционных материалов [4,5].
Потенциальными материалами для изготовления основных компонентов котлов и турбин в энергоблоках являются мартенситные 9-12% Cr стали [6,7]. Стали мартенситного класса обладают определенным набором свойств, обеспечивающих их работоспособность при высоких температурах под давлением: высокое сопротивление ползучести, устойчивость к термической усталости, стойкость к окислению, а также низкую стоимость и хорошую технологичность [8-10]. Использование данного класса сталей позволит осуществить переход на новые суперсверхкритические параметры пара (температура 620-630°С, давление 30 МПа.), что приведет к увеличению КПД угольных электростанций с 30 до 44-47% и снижению удельных выбросов CO2 в атмосферу примерно на 30% [11].
В настоящее время исследования по повышению сопротивления ползучести 9-12% Cr мартенситных сталей при рабочих температурах 650°С показали важность учета микроструктурных изменений при ползучести, например, укрупнение карбонитридов и интерметаллических соединений, а также укрупнение субзерен [12,13]. Стали с содержанием хрома 9-10%, дополнительно легированные V, Nb и N для образования мелких карбонитридов МХ, демонстрируют высокие значения долговременной ползучести до 100,000 часов при температуре 600°С [14,15]. Однако, 9-10% Cr стали имеют ограниченную стойкость к окислению, и с целью повышения рабочей температуры пара выше 600°С, более высокое содержание Cr до 11-12% является обязательным фактором для повышения стойкости к окислению [16]. Однако, 11-12% Сг стали демонстрируют более низкие значения долговременной ползучести, что связано с выделением Z-фазы (Cr(V,Nb)N нитриды), которая растворяет мелкодисперсные нитриды MX [17,18]. Недавние исследования показали, что выделение Z-фазы вызвано высоким содержанием Cr в этих сталей [19-21], и ускоряется при добавлении в химический состав стали кобальта. Избежать образования вредной фазы Cr(V,Nb)N можно путем снижения содержания азота, однако, при этом снижается и доля МХ карбонитридов [22,23]. В этом случае, в качестве альтернативы, необходимо исследовать влияние других упрочняющих фаз на сопротивление ползучести. Таким образом, исследование новых 11-12Сг сталей с низким содержанием азота становится актуальным для развития класса мартенситных сталей.
Цель работы: Целью данной работы является установление связи между механическими свойствами и структурными изменениями стали типа 10Х11К3В3ДМФБРА при различных термических обработках.
Для достижения поставленной цели решались следующие частные задачи:
1. Выявить влияние температуры нормализации на характеристики структуры стали: размер ИАЗ и содержание 5-феррита.
2. Выявить влияние температуры отпуска на механические свойства: ударную вязкость, твердость, свойства при растяжении.
3. Выявить влияние температуры отпуска на микроструктуру стали: размер мартенситных реек и частиц вторичных фаз.
Определить зависимость изменений структуры и механических
свойств исследуемой стали от проведенной термической обработки.
Научная новизна: Исследование новых экспериментальных плавок 11-12% Cr сталей мартенситного класса с низким содержанием азота, отвечающих требованиям, предъявляемым к котельным сталям: высокая ударная вязкость более 40 Дж/см2, невысокая твердость (около 220 НВ) и высокое сопротивление ползучести.
Потенциальными материалами для изготовления основных компонентов котлов и турбин в энергоблоках являются мартенситные 9-12% Cr стали [6,7]. Стали мартенситного класса обладают определенным набором свойств, обеспечивающих их работоспособность при высоких температурах под давлением: высокое сопротивление ползучести, устойчивость к термической усталости, стойкость к окислению, а также низкую стоимость и хорошую технологичность [8-10]. Использование данного класса сталей позволит осуществить переход на новые суперсверхкритические параметры пара (температура 620-630°С, давление 30 МПа.), что приведет к увеличению КПД угольных электростанций с 30 до 44-47% и снижению удельных выбросов CO2 в атмосферу примерно на 30% [11].
В настоящее время исследования по повышению сопротивления ползучести 9-12% Cr мартенситных сталей при рабочих температурах 650°С показали важность учета микроструктурных изменений при ползучести, например, укрупнение карбонитридов и интерметаллических соединений, а также укрупнение субзерен [12,13]. Стали с содержанием хрома 9-10%, дополнительно легированные V, Nb и N для образования мелких карбонитридов МХ, демонстрируют высокие значения долговременной ползучести до 100,000 часов при температуре 600°С [14,15]. Однако, 9-10% Cr стали имеют ограниченную стойкость к окислению, и с целью повышения рабочей температуры пара выше 600°С, более высокое содержание Cr до 11-12% является обязательным фактором для повышения стойкости к окислению [16]. Однако, 11-12% Сг стали демонстрируют более низкие значения долговременной ползучести, что связано с выделением Z-фазы (Cr(V,Nb)N нитриды), которая растворяет мелкодисперсные нитриды MX [17,18]. Недавние исследования показали, что выделение Z-фазы вызвано высоким содержанием Cr в этих сталей [19-21], и ускоряется при добавлении в химический состав стали кобальта. Избежать образования вредной фазы Cr(V,Nb)N можно путем снижения содержания азота, однако, при этом снижается и доля МХ карбонитридов [22,23]. В этом случае, в качестве альтернативы, необходимо исследовать влияние других упрочняющих фаз на сопротивление ползучести. Таким образом, исследование новых 11-12Сг сталей с низким содержанием азота становится актуальным для развития класса мартенситных сталей.
Цель работы: Целью данной работы является установление связи между механическими свойствами и структурными изменениями стали типа 10Х11К3В3ДМФБРА при различных термических обработках.
Для достижения поставленной цели решались следующие частные задачи:
1. Выявить влияние температуры нормализации на характеристики структуры стали: размер ИАЗ и содержание 5-феррита.
2. Выявить влияние температуры отпуска на механические свойства: ударную вязкость, твердость, свойства при растяжении.
3. Выявить влияние температуры отпуска на микроструктуру стали: размер мартенситных реек и частиц вторичных фаз.
Определить зависимость изменений структуры и механических
свойств исследуемой стали от проведенной термической обработки.
Научная новизна: Исследование новых экспериментальных плавок 11-12% Cr сталей мартенситного класса с низким содержанием азота, отвечающих требованиям, предъявляемым к котельным сталям: высокая ударная вязкость более 40 Дж/см2, невысокая твердость (около 220 НВ) и высокое сопротивление ползучести.
1) Проведенный ДСК анализ показал, что температура нормализации для экспериментальной стали должна быть выше температуры 903°С и температура отпуска должна быть ниже температуры 821°С. На основе полученных результатов в качестве температур нормализации были выбраны температуры: 1050°С, 1070°С, 1100°С и 1150°С и в качестве температур отпуска были выбраны температуры: 750°С, 770°С и 800°С.
2) Были проведены структурные исследования после нормализации с
различных температур (1050°С, 1070°С, 1100°С и 1150°С). Было
установлено, что увеличение температуры нормализации с 1050°С до 1150°С повышает размер исходного аустенитного зерна и снижает долю дельта- феррита с 12 до 9% в структуре, исследуемой стали. Оптимальной температурой нормализации была выбрана температура 1070°С, обеспечивающая размер исходного аустенитного зерна 48 мкм и долю дельта-феррита 11%.
3) Были проведены механические испытания на ударную вязкость, твердость и растяжение после нормализации с 1070°С и отпуска при различных температурах (750°С, 770°С и 800°С). Увеличение температуры отпуска привело к снижению прочностных свойств (твердости, предела прочности и предела текучести при 20°С и 650°С испытаний) и к повышению пластических свойств (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость).
4) Анализ структурных изменений в процессе отпуска показал, что в процессе отпуска при температурах 750°С и 770°С формируется однородная структура троостита отпуска, в то время как при 800°С отпуске формируется смешанная структура троостита отпуска с округлыми субзернами. Увеличение температуры отпуска приводит к снижению плотности дислокаций, выделению более крупных частиц карбидов М23Сб по малоугловым границам мартенситных реек и росту карбонитридов (Ta,Nb)(C,N).
5) Был установлен оптимальный режим проведения термической обработки экспериментальной стали 10Х11К3В3ДМФБРА, который заключается в нормализации с 1070°С в течение 1 часа с охлаждением на воздухе с последующим среднетемпературным отпуском при температуре 770°С в течение 3 часов, охлаждение на воздухе. Такой режим термообработки позволит обеспечить комплекс механических свойств сталей, а именно: твердость около 240 НВ, ударная вязкость около 40 Дж/см2 и хорошие прочностные свойства: предел текучести = 560 МПа, временное сопротивление - 730 МПа, 5 = 16%.
2) Были проведены структурные исследования после нормализации с
различных температур (1050°С, 1070°С, 1100°С и 1150°С). Было
установлено, что увеличение температуры нормализации с 1050°С до 1150°С повышает размер исходного аустенитного зерна и снижает долю дельта- феррита с 12 до 9% в структуре, исследуемой стали. Оптимальной температурой нормализации была выбрана температура 1070°С, обеспечивающая размер исходного аустенитного зерна 48 мкм и долю дельта-феррита 11%.
3) Были проведены механические испытания на ударную вязкость, твердость и растяжение после нормализации с 1070°С и отпуска при различных температурах (750°С, 770°С и 800°С). Увеличение температуры отпуска привело к снижению прочностных свойств (твердости, предела прочности и предела текучести при 20°С и 650°С испытаний) и к повышению пластических свойств (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость).
4) Анализ структурных изменений в процессе отпуска показал, что в процессе отпуска при температурах 750°С и 770°С формируется однородная структура троостита отпуска, в то время как при 800°С отпуске формируется смешанная структура троостита отпуска с округлыми субзернами. Увеличение температуры отпуска приводит к снижению плотности дислокаций, выделению более крупных частиц карбидов М23Сб по малоугловым границам мартенситных реек и росту карбонитридов (Ta,Nb)(C,N).
5) Был установлен оптимальный режим проведения термической обработки экспериментальной стали 10Х11К3В3ДМФБРА, который заключается в нормализации с 1070°С в течение 1 часа с охлаждением на воздухе с последующим среднетемпературным отпуском при температуре 770°С в течение 3 часов, охлаждение на воздухе. Такой режим термообработки позволит обеспечить комплекс механических свойств сталей, а именно: твердость около 240 НВ, ударная вязкость около 40 Дж/см2 и хорошие прочностные свойства: предел текучести = 560 МПа, временное сопротивление - 730 МПа, 5 = 16%.