Влияние мехнико-термической обработки на водородную хрупкость и межкристаллитную коррозию нержавеющей стали аустенитного класса

ХШ съезд КПСС определил основные задачи науки на пути научно-технического прогресса в условиях социалистической системы хозяйства. К наиболее важным задачам отнесено развитие теоретических исследований в главных (определяющих) областях технического развития, разработка принципиально новых совершенных технологических методов обработки, создание новых высококачественных материалов для различных отраслей народного хозяйства.

К важнейшим задачам, в пределах общей проблемы получения высокопрочных и надежных конструкционных материалов, относятся повышение общего уровня прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению, жаропрочности, стойкости в активных средах и т. д. Наряду с традиционными металловедческими методами (легирование, модифицирование, нанесение покрытий, оптимизация режимов термической обработки, создание новых сплавов), в последнее десятилетие получили широкое распространение методы, базирующиеся на потенциальных возможностях упрочнения и стабилизации свойств уже применяемых промышленных сплавов и сталей. Научной основой решения последней из этих проблем является теория дефектов кристаллического строения.

Наиболее прогрессивными и эффективными способами получения комплекса повышенных механических свойств машиностроительных материалов, являются способы, основывающиеся на различных комбинациях теплового и механического упрочнения путем воздействия на дислокационную структуру металлов и сплавов с целью направленного изменения механических и физико-химических свойств. Такое упрочнение базируется на создании упорядоченных дислокационных структур в металлической матрице, характеризующихся резким торможением подвижности дефектов кристаллического строения.

Механико-термическая обработка (МГО) включает в себя методы создания упорядоченных дислокационных структур в дорекристалли-зационном интервале температур со специальной стабилизацией упрочненного состояния. Эта группа методов обеспечивает создание внутренних границ в зернах (субграниц), препятствующих транскристал-литному перемещению дислокаций, не вызывает изменения физико-химических свойств металла самих субзерен, однако, механические свойства и степень искаженности решетки в субобъемах изменяются существенным образом в результате повышения плотности дефектов, специфического распределения их и взаимодействия с растворенными атомами и частицами дисперсных вьщелений, что приводит к резкому изменению конструкционных свойств материала.

Трудами ведущих специалистов по физике твердого тела решены многие фундаментальные вопросы теории дефектов кристаллического строения. Однако трудности использования общих металлофизических подходов, а в ряде случаев и модельных представлений, математический аппарат которых недостаточно отработан, для реальных конструкционных материалов пока еще велики. А поэтому, к сожалению, во многих случаях значительно большего успеха добились исследователи на пути разработки технологически приемлемых методов упрочнения и констатирующего изучения свойств разнообразных металлических материалов в упрочненном состоянии, чем в физическом обосновании методов термопластической обработки и прогнозировании свойств в зависимости от условий последующей службы упрочненного металла.

Между тем накопленный опыт упрочнения и необходимость скорейшего использования его в промышленных масштабах требует научно-обоснованной оптимизации технологических режимов и параметров термопластического упрочнения, а также прогнозирования свойств металлов в высокопрочном состоянии, что делает весьма актуальным разработку соответствующей теоретической базы. Практически реальный путь создания физических основ, а затем общей теории высокопрочного состояния заключается, по-видимому, в последовательном решении на современном металлофизическом уровне ряда фундаментальных проблем прочности (к числу которых относятся также задачи термопластического упрочнения и стабилизации неравновесных структур), накоплении и количественном анализе экспериментальных данных по отдельным проблемам и последующем обобщении их с привлечением смежных разделов науки.

В химическом машиностроении в последние годы наблюдается интенсификация технологических процессов, повышение давления, температуры и агрессивности среды, а также создание целого ряда новых химических производств. Стаж, из которых изготавливается оборудование, должны, прежде всего, обладать высокой коррозионной стойкостью и хорошими прочностными свойствами. Аустенитные нержавеющие стали находят широкое применение в химическом машиностроении благодаря их высокой стойкости в различных агрессивных средах. Однако повышение прочностных свойств в аустенитных нержавеющих сталях осложняется тем, что вводимые легирующие элементы (образующие твердые растворы внедрения) и используемые методы обработки стали зачастую ухудшают ее основное свойство — высокую коррозионную стойкость.

Использование методов термопластического упрочнения аустенитных нержавеющих сталей позволит, по-видимому, использовать такие специфические свойства дислокационных субграниц, ломимо повышения прочностных свойств, как способность сегрегировать на своей поверхности атомы, образующие твердые растворы внедрения, и тем самым вызывать перераспределение карбидных фаз в структуре стали. Известно, что одним из наиболее неприятных недостатков хромоникелевых сталей аустенитного класса является, кроме сравнительно низкой прочности, их склонность к межкристаллитной коррозии. Определяющее влияние на склонность к МКК оказывает присутствие углерода в стали, который связывает хром в карбиды, выделяясь по границам зерна сплошной цепочкой, препятствуя тем самым пассивации железной матрицы. Перераспределение примесей внедрения между границами и специально созданными субграницами в существенной степени устранят вышеуказанные недостатки. Следует ожидать, что в этом случае в результате перераспределения растворенного углерода между границами и объемом зерен «безопасная» его концентрация может быть повышена.

Все вышеизложенное предопределяет необходимость в проведении исследований, направленных на изучение внутренних процессов, происходящих в аустенитных у глеро до с о держащих сталях на различных стадиях механико-термической обработки. Знание механизмов взаимодействия углерода с атомами легирующих элементов, с дислокациями и другими дефектами кристаллического строения в различных темпе-ратурно-временных интервалах даст возможность прогнозировать изменение свойств материалов при деформации, нагреве, обоснованно назначать режимы термической, упрочняющей и других видов обработки, снижающих опасность хрупкого и коррозионного разрушения изделий в процессе эксплуатации.

Поэтому исследование закономерностей образования субструктуры в аустенитных нержавеющих сталях и получение субструктурного состояния, стойкого к водородному охрупчиванию и межкристаллитной коррозии (МКК), является актуальной задачей. Решение проблемы увеличения долговечности и надежности конструкций из стали, подвергнутой механико-термической обработке, важно как в теоретичеоком, так и в практическом аспектах.

Целью настоящей работы явилась разработка метода повышения стойкости аустенитных углеродосодержащих нержавеющих сталей к водородному озфулчиванию и МКК на базе комплексного изучения и оптимизации параметров субструктурного упрочнения.

Выводы по разделу.

1. Изучено влияние МТО на склонность к межкристаллитной коррозии аустенитной нержавеющей стали типа XI8HI2 с различным содержанием углерода (0,02−0,1%).

2. Показано, что МТО стали уменьшает скорость МКК.

3. Температурно-временные области склонности к МКК в результате МТО смещаются в сторону больших выдержек и к более низким температурам. Увеличение содержания углерода в стали с 0,04% до 0,1% уменьшает эффект МТО, но не снимет его проявления полностью.

— 100.

4. Методами световой и электронной микроскопии установлена связь уменьшения склонности к МКК после механико-термической обработки с выделением карбидов хрома по субграницам внутризерен-ных областях, что предотвращает образование сетки из карбидов хрома по границам зерен.

— 101 -общие вывода.

1. Методами внутреннего трения и прямыми структурными методами проведено комплексное исследование процессов, протекающих в ходе механико-термической обработки нержавеющей стали типа 18−12, показывающее принципиальную возможность использования субструктурного упрочнения для эффективного снижения водородной хрупкости и МКК для условий работы водородного термокомпрессора.

2. Систематическими измерениями изучена специфика распада твердого раствора аустенизированных и деформированных образцов нержавеющих сталей типа 18−12 с различным содержанием углерода (0,01-^0,25% С) и зафиксирована стадийность этого процесса в зависимости от предистории образцов, подтвержденная электронно-микроскопическими исследованиями.

3. Выявлены структурные и температурно-кинетические факторы, контролирующие склонность аустенитной углеродосодержащей стаж типа 18−12 к МКК и водородному охрупчиванию, на базе чего разработана методика оптимизации основных параметров МТО с црив-лечением данных измерений амплитудозависимого внутреннего трения.

4. Определена минимальная критическая концентрация примесей внедрения (0,03 $), при которой на температурных кривых внутреннего трения проявляется релаксационный максимум С-К, и определена скорость распада твердого раствора в функции роста концентрации углерода.

5. Установлена возможность увеличения содержания углерода с 0,02 $ до 0,05 $ в хромоникелевых сталях аустенитного класса в результате создания субструктуру без появления склонности к МКК и одновременном увеличении прочности стали на 20 $.

6. Установленный в работе оптимальный режим (пластическая деформация на 17 $, температура полигонизационного отжига 920 К.

— 102 при длительности 50 час), обеспечивающей оптимальный комплекс механических свойств и служебных характеристик стали типа 18−12, использован при проектировании и создании водородного термокомпрессора специального назначения.

7. Полученные в работе данные высокотемпературных измерений модуля нормальной упругости нержавеющей стали утверждены ГОССТАНДАРТОМ СССР в качестве рекомендуемых справочных данных (таблицы РСД).

— юз.