CC BY
52
УДК 669.15-194.55:621.785.7
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И ПРОЧНОСТЬ СТАЛИ 10Х9В1М1ФБР
А.Ю. Кипелова М.В. Однобокова И.В. Дудзич
Белгородский
государственный
университет
Россия, 308015 г. Белгород, ул. Победы 85
E-mail: [email protected]
Изучено влияние термических обработок на статические механические свойства стали 10Х9В1М1ФБР.
Ключевые слова: стали мартенситного класса, отпуск, микроструктура, механические свойства.
Введение
В последние десятилетия высокохромистые жаропрочные стали мартенситного класса рассматриваются как перспективные материалы для компонентов энергоблоков электростанций нового поколения, работающих на угле [1, 2]. В настоящее время за рубежом разработан целый ряд жаропрочных сталей мартенситного класса, работающих при температурах пара < 620°С. Их режим термической обработки представляет собой нормализацию с последующим отпуском. Параметры структуры, формирующиеся в сталях мартенситного класса при отпуске, определяют весь комплекс механических свойств теплотехнических сталей. Соответственно, детальные исследования процессов, происходящих при отпуске в сталях мартенситного класса, позволят разработать оптимальные режимы термообработки, дадут необходимую информацию для управления структурой и механическими свойствами. Таким образом, все это позволит существенно повысить эксплуатационные свойства жаропрочных сталей мар-тенситного класса.
Цель настоящей работы — определение зависимости механических свойств стали 10Х9В1М1ФБР от температуры отпуска.
Методика проведения исследований
Исследовали жаропрочную сталь 10Х9В1М1ФБР следующего химического состава, % (масс.): 0.13 C, 9.5 Cr, 0.95 W, 1.04 Mo, 0.2 V, 0.06 Nb, 0.05 N, 0.005 B, 0.03 Mn,
0.01 Ni, 0.12 Si, 0.01 P, 0.01 S, остальное - Fe. Образцы подвергали нормализации от 106о°С и отпуску в интервале температур 200—800°С в течение 3 ч. Определяли влияние температуры на характеристики статической прочности и пластичности. Для этого образец после отпуска при заданной температуре в обычной печи охлаждали, затем заново нагревали до этой же температуры в печи универсальной испытательной машины «Instron 5882» и испытывали на растяжение со скоростью деформации 1?10-3 с-1. Использовали плоские образцы с рабочей частью длиной 25 мм и поперечным сечением 7? 3 мм.
Определяли влияние температуры отпуска на твердость при комнатной температуре. Твердость по Бринеллю измеряли с помощью цифрового твердомера фирмы Wolpert 3000BLD при нагрузке 29400 Н с применением шарика из твердого сплава диаметром 10 мм. Анализ тонкой структуры осуществляли с использованием просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) Jeol «JEM-2100» с ускоряющим напряжением 200 кВ. Определение характеристик структуры мартенсита выполняли с использованием сканирующего электронного микроскопа FEI «Quanta 600F», оснащенного анализатором дифракции обратнорассеянных электронов. По данным дифрак-
ции обратнорассеянных электронов, строили карты разориентировок с учетом угловых разориентировок выше 2°.
Результаты исследований и их обсуждение
Исходная микроструктура. Микроструктура, сформировавшаяся в стали 10Х9В1М1ФБР после нормализации от 10б0°С, показана на рис. 1. По данным дифракции обратнорассеянных электронов, 55% разориентировок границ являются высокоугловыми (рис. 1, а), при этом 20% границ имеют кристаллографические параметры, которые в соответствии с критерием Брэндона позволяют отнести их к специальным границам. Средний угол разориентировки границ составил 32°. Нужно сказать, что представленные данные по доле высокоугловых границ несколько завышены, поскольку при построении карт разориентировок не учитывали малоугловые границы с разориентировкой менее 2°.
Рис. 1. Карта разориентировок (а) и микроструктура (ПЭМ) (б) стали 10Х9В1М1ФБР после нормализации от 10б0°С. Границы с разориентировкой менее и более 15° показаны соответственно белым и черным цветом
Тонкая структура стали 10Х9В1М1ФБР представлена на рис. 1 б. Поперечный размер реек пакетного мартенсита составляет около 200 нм. Внутри реек мартенсита наблюдается высокая плотность дислокаций — 9? 1014 м-2. После закалки наблюдаются пластины карбида типа МезС, выделившегося в процессе самоотпуска. Также электронно-микроскопическое исследование выявило как первичные, так и вторичные карбонитриды круглой формы типа №(С,Щ Вторичные карбонитриды типа №(С^) располагаются равномерно по объему стали.
Механические свойства. Влияние температуры отпуска на твердость показано на рис. 2 а. Видно, что повышение температуры отпуска приводит к увеличению твердости, которая достигает своего максимума при 500°С. Твердость образца после отпуска при этой температуре на 5% выше, чем после нормализации, т.е. сталь 10Х9В1М1ФБР ведет себя как классическая дисперсионно-упрочняемая сталь — проявляет как первичную, так и вторичную твердость. Дальнейшее повышение температуры приводит к непрерывному уменьшению твердости. После отпуска при 7б0°С она уменьшается почти в 2 раза по сравнению с максимумом при 500°С. Твердость снижается до 218 HBW, что является максимальной величиной, при которой теплотехническая сталь обладает удовлетворительной свариваемостью и может эксплуатироваться [3]. Следовательно, температура отпуска 7б0°С при выдержке 3 ч обеспечивает оптимальное сочетание сопротивления ползучести и твердости для стали 10Х9В1М1ФБР.
Рис. 2. Зависимость твердости HRW (а) от температуры отпуска и зависимость механических характеристик (ов, 00,2) от температуры отпуска и испытаний (б)
Температурная зависимость предела текучести 00,2 и временного сопротивления разрыву ов представлена на рис. 2 б. В интервале температур испытания 200—400°С в стали 10Х9В1М1ФБР наблюдается позитивная температурная зависимость условного предела текучести: повышение температуры деформации способствует повышению напряжений течения. Это редкий для металлических материалов феномен [4, 5]. Причем при 400°С величина 00,2 = 9б0МПа, что достаточно много для стали, содержащей всего 0,13 % С. При дальнейшем повышении температуры испытаний от 525 до 800°С начинается резкое снижение характеристик прочности (рис. 2 б). Следует отметить, что почти при всех температурах испытаний Сисп < 575°C отношение 0в/00,2 > 1.3, а при Сисп s 575°C оно становится близко к 1. Следовательно, повышение температуры испытаний в интервале 575—800°C уменьшает величину деформационного упрочнения.
Выводы
Нормализация от 1060°С приводит к образованию пакетного мартенсита с поперечным размером реек 200 нм и плотностью дислокаций 9? 1014 м-2.
Температура отпуска 760°С при выдержке 3 часа обеспечивает оптимальное сочетание сопротивления ползучести и твердости для стали 10Х9В1М1ФБР.
Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием Белгородского государственного университета в рамках выполнения государственного контракта № П846.
Список литературы
1. Vaillant J.C., Vandenberghe B., Hahn B., Heuser H., Jochum C. T/P23, 24, 911 and 92: New grades for advanced coal-fired power plants-properties and experience // Inter. J. Press. Vess. Pip. — 2008. — Vol. 85. — P. 38-46.
2. Ennis P.J., Czyrska-Filemonowicz A. Recent Advances in Creep Resistant Steels for Power Plant Applications // Operation Maintenance Mater. Issue. — 2002. — Vol. 1, № 1. — P. 1-28.
3. Haarmann K., Vaillant J.C., Vandenberghe B. Bendick W., Arbab A. Vallourec & Mannesmann Tubes. The T91/P91 book. — 2002. — P. 62.
4. Couret A., Caillard D. Prismatic slip in beryllium. I. The controlling mechanism at the peak temperature // Phil. Mag. A. — 1989. — Vol. 59, № 4. — P. 783-800.
5. Кипелова А.Ю., Беляков А.Н., Скоробогатых В.Н., Щенкова И.А., Кайбышев Р.О. Структурные изменения при отпуске в стали 10Х9К3В1М1ФБР и их влияние на механические свойства / / Металловедение и термическая обработка металлов. — 2010. — Т. 657, № 3. — С. 14-25.
EFFECT OF TEMPERING TEMPERATURE ON MECHANICAL PROPERTIES
OF 10Kh9V1M1FBR STEEL
A.Y. Kipelova M.V. Odnobokova I.V. Dudzich
Belgorod State University
Pobedy St., 85, Belgorod, 308015, Russia
E-mail: [email protected]
It is studied the effect of heat treatments on static mechanical properties of 10Kh9V1M1FBR steel.
Key words: martensitic steels, tempering, microstructure, mechanical properties.
