超高張力ステンレス鋼

1月 11, 2023

キーワード: 超高強度ステンレス鋼, 強化・強靭化機構, 水素脆化, 応力腐食, 析出相, 逆変態オーステナイト

高強度ステンレス鋼の応用

高強度ステンレス鋼は、航空宇宙、海洋工学、エネルギー分野で広く使用されています。

  • 航空機の主軸受部材
  • ファスナー
  • 衛星ジャイロスコープ
  • 宇宙船シェル
  • オフショア石油プラットフォーム
  • 自動車産業
  • 原子力産業
  • ギアとベアリングの製造

高強度ステンレス鋼の開発の歴史

  • 高性能耐食構造用鋼に対する航空宇宙および海洋工学のニーズを満たすために、アメリカンカーネギーイリオノイスチールカンパニーは、1946年に第1世代のマルテンサイト析出硬化ステンレス鋼であるステンレスWの開発に成功しました。
  • ステンレス鋼W鋼合金システムに基づいて、CuおよびNb元素が添加され、AlおよびTi元素が除去される。 米国のArm-coスチールカンパニーは、1948年に17-4PH鋼を開発しました。 その優れた強度、靭性、耐食性により、F-15航空機の着陸装置コンポーネントに使用されるだけでなく、ファスナーやエンジンの製造にも広く使用されています。部品ですが、冷間変形能力は劣ります。 フェライト形成元素Crの含有量を減らし、Ni元素の含有量を増やすことにより、横方向の機械的特性に不利な高温δフェライトを減らすために、17-4PH鋼の横延性を克服する15-4PH鋼が開発されました欠点は、船舶や民間航空機、その他の耐荷重部品の製造に使用されてきました。
  • 1960年代初頭、インターナショナルニッケルコーポレーションはマルエージング鋼を発明し、高強度ステンレス鋼の開発にマルエージング強化の概念を導入し、マルエージングステンレス鋼の開発の幕を開きました。
  • 1961年、アメリカンカーペンターテクノロジーカンパニーは、Mo含有マルエージングステンレス鋼Custom450を最初に開発しました。
  • 1967年と1973年にはパイロメットX-15とパイロメットX-12が相次いで開発された。 この期間中、米国もAM363、In736、PH13-8Mo、ユニマーCRなどを次々と開発しました。
  • Martinらは、1997年と2003年にそれぞれCustom465鋼とCustom475鋼の発明特許を取得し、民間航空機に適用しました。
  • 英国は、FV448、520、520(B)、520(S)などの高強度ステンレス鋼グレードを開発しました。
  • ドイツは1967年と1971年にウルトラフォート401、402などを開発しました。
  • 旧ソビエト連邦は、アメリカの鋼種を模倣して改良することに加えて、一連の新しい鋼種も独自に研究しました。 一般的な鋼種には、0Х15Н8Ю、0Х17Н5М3、1Х15Н4АМ3、07Х16Н6など、および00Х12К14Н5М5Т、00Х14К14Н4М3ТなどのCo含有量の高い鋼種が含まれます。
  • 2002年、米国のQuesTekは、米国国防総省の戦略的環境研究開発プログラム(SERDP)の汚染防止プロジェクトに着手しました。 材料ゲノムプロジェクトを通じて、航空機の着陸装置用の新型超高強度ステンレス鋼Ferrium® S53を設計・開発し、2008年末に公開しました。 AMS5922航空宇宙規格であるフェリウム®S53の強度は約1930 MPaで、破壊靭性(KIC)は55 MPa m1/2を超えています。 2017年に米国のMMPDSバックボーン材料マニュアルに追加されました。 この材料は、米国のA-10への適用に成功しています。 戦闘機とT-38航空機は、次世代の艦載機の着陸装置に適した材料です。

超高強度ステンレス鋼の研究進捗

超高強度ステンレス鋼の優れた特性には、主に超高強度、優れた可塑性と靭性、優れた耐食性、耐応力腐食性、腐食疲労性能が含まれます。

以下は、超高強度ステンレス鋼のこれらの特性の探索の進捗状況です。

高強度ステンレス鋼の合金設計と強化段階

超高強度ステンレス鋼の典型的な室温構造は次のとおりです。

1.微細ラスマルテンサイトマトリックス

ラスマルテンサイトは、それ自体が高い転位密度のために高強度です。

2.残留(または逆変態)オーステナイトの適量

準安定残留(逆変態)オーステナイトは、亀裂先端での応力集中を緩和し、材料の靭性を向上させることができます。

3.分散分散した降水強化相

時効処理中に析出するナノスケールの強化相は、鋼の強度をさらに向上させることができます。 析出相の合金組成により、炭化物(MC、M2C)、金属間化合物(NiAl、Ni3Ti)、元素濃縮相(ε相、α相)などの3つのカテゴリに分類できます。 超高強度ステンレス鋼では、析出相の強化電位は、析出相の性質とそのサイズ、数密度、体積分率、および空間分布に依存します。 最適な性能が得られるかどうかは、主に析出相の析出挙動の熱特性と速度論的特性の制御に依存し、合金組成の調整と熱処理プロセスの配合を導きます。


化学組成と機械的性質の関係に関する研究

Cr

超高強度ステンレス鋼の組成を設計する場合、鋼の耐食性を確保するために、一般鋼中のCrの含有量は10%より大きくする必要があり、Crはマルテンサイト変態温度を低下させる元素でもあります。

Niは、ステンレス鋼の電位と不動態化傾向を改善し、鋼の耐食性を高め、鋼の可塑性と靭性、特に低温での鋼の靭性を向上させることができ、Niは強化η-Ni3Ti相も形成します。

Mo

Moの添加は、主に二次硬化効果を高めるためである。 約2%のMoは、さまざまな溶体化処理条件下で鋼に高い硬度を維持させることができ、時効プロセス中に析出したMoリッチ析出物が強化の役割を果たします。 鋼に良好な靭性を維持させ、Moはステンレス鋼の耐海水腐食性を向上させることもできます。

Coは、マルテンサイト中の転位下部構造の回復を阻害し、析出物の形成のためのより多くの核生成サイトを提供し、α-FeへのMoの溶解度を低下させ、Mo含有析出物の形成を促進することができる。

Ti

鋼に少量のTiを添加すると鋼の強度が大幅に向上しますが、過剰に添加すると鋼の靭性が低下します。

典型的な超高強度ステンレス鋼の化学組成と機械的特性を次のチャートに示します。

15-5PH鋼

第一世代の高強度ステンレス鋼の典型的な代表として、15-5PH鋼の合金化特性は次のとおりです。

  • 鋼の耐食性を確保するために約15%Crが使用されます。
  • 約5%のNi含有量は、実験で使用した鋼のCr-Ni当量とバランスをとることができるため、鋼は室温でマルテンサイト組織を得ると同時に、鋼中のδフェライトを減らすことができます。
  • 約4%のCuを追加すると、強化の役割を果たします。
  • 少量のNbはCとMC相を形成することができ、Cは粒界を固定し、結晶粒を微細化する役割を果たします。
  • 550°Cで時効処理した後、マルテンサイト母材上にfcc組織を有するCuリッチ相が多数析出し、Cuリッチ相とマルテンサイトマトリックスの配向関係はK-S関係(111)Cu//(011)M、[11ˉ0] Cu//[11ˉ1]Mを満たす。

Habibi-Bajguiraniらによる研究は、時効プロセス中に15-5PH鋼に2つの異なるタイプのCu析出物が存在することを示しています。 500°C以下でエージングすると、bcc構造のクラスター粒子が最初に形成されます。 このクラスターはその後9R構造に進化し、最終的にfcc沈殿相に変化します。 沈殿相抽出物のX線微量分析結果は、この沈殿相が実際にはCuリッチ相であることを示しています。 650~700°Cでエージングすると、fcc Cuリッチ相は最初はマトリックスとのコヒーレントな関係を維持し、その後セミコヒーレントなK-S関係に変化します。

PH13-8ヶ月

第2世代の高強度ステンレス鋼の典型的な代表として、PH13-8Moは低炭素合金設計を採用しており、その特徴は次のとおりです。

  • 鋼の耐食性を確保するために約13%のCrが使用されます。
  • 約8%のNiは、低炭素によって引き起こされるシェフラー図のCr-Ni当量の不均衡を補い、δフェライト含有量を減らし、鋼にラスマルテンサイト組織を持たせることができます。
  • 1%のAlを添加すると、鋼に強化相が形成され、マトリックスの強化に役割を果たすことができます。

Schoberらは、時効過程における析出物の発生に対するTi元素の影響を研究した。

  • Ti元素を添加していないPH13-8Mo鋼では、析出相はNiAl相のみです。
  • Ti元素を添加した後、鋼中の析出相はG相とη相です。 整然とした金属間化合物NiAlは、時効処理の初期段階でTi元素を添加することなくPH13-8Mo鋼中に析出します。 時効時間の延長に伴い、NiAl相の合金元素は徐々に化学量論平衡になり、硬度は最大値に達する傾向があります。 Tiを添加した鋼では、時効処理の初期段階でNi、Si、Al、Tiに富む析出相が鋼中に析出し、この時点で鋼の硬度が最大に達します。 時効時間の延長に伴い、楕円体状のNi16Si7Ti6-G相と短い棒状のNi3(Ti、Al)-η相が鋼中に形成されます。

0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al

Liらは、強度1900MPaまでのCr-Ni-Co-Moベースのマルテンサイト析出硬化ステンレス鋼を研究し、複数の強化相の複合強化により超高強度が得られると考えました。

鋼の公称組成は0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al(原子分率%)です。

鋼には、主にη-Ni3(Ti、Al)相、MoリッチR'相、Crリッチα相の3種類の析出相があります。 これらの析出相は、それぞれ老化の初期段階でNi-Ti-Alリッチ、Moリッチ、Crリッチクラスター粒子から変換されます。 エージングプロセス中、η-Ni3(Ti、Al)相は、MoリッチR'相とCrリッチα相の偏析によりゆっくりと成長します。


合金設計のための新しい計算モデル

高強度ステンレス鋼の開発の観点から、強度レベルが増加するにつれて、単一の強化相の強化は徐々に多相複合強化に発展します。 単一タイプの析出相の強化と比較して、複合強化は鋼強度のさらなる改善をより助長します。

ただし、異なるタイプの析出相の析出および成長挙動に対する合金組成および時効システムの影響は、まったく異なります。 新しい鋼種を設計する際に、異なる合金組成と熱処理システムが異なるさまざまな析出相を得ることができることを考えると、従来の試行錯誤実験とデータ蓄積に基づく人工ニューラルネットワークシミュレーションを使用した合金設計プロセスにはまだ欠陥があります。 新しいタイプの物理冶金ベースのモデルが緊急に必要とされています。

例えば、XuらとParnらは、合金組成の機械学習ベースの計算モデルを提案した。 このモデルは、合金組成と対応する熱処理パラメータを統合し、遺伝的枠組みの中で所望の特性を進化させることを可能にする。 このモデルは、MC炭化物を強化相とする超高張力鋼の設計に適用されます。 また、Cuクラスター、Ni3Ti、およびNiAl析出相にも適しています。 また、MCカーバイド、リッチCu相、Ni3Ti金属間化合物を含むマルチタイプ強化相の設計にも適用できます。 このモデルには、鋼の機械的特性、耐食性、微細構造などの対応するパラメータのシミュレーションが含まれており、合金組成設計のより信頼性の高いパスを提供します。


強化段階と強化メカニズム

高強度ステンレス鋼の靭性に対する逆変態オーステナイトの影響は、その形態、含有量、分散、および安定性と密接に関連しています。

その特性は、加熱速度、熱処理プロセスの等温温度と時間、オーステナイト形成元素の拡散と偏析、オーステナイトの核生成位置とサイズ、およびマトリックス中の転位密度の影響を受けます。

既存の研究は、逆変態オーステナイトの形成には3つのメカニズムがあることを示しました。

  • 拡散のないせん断反転機構、
  • バリアント制限メカニズム、
  • 残留オーステナイト成長メカニズム。

せん断メカニズムは、オーステナイトからマルテンサイトへの非拡散せん断メカニズムの逆プロセスに由来します。 マルテンサイトによって形成された逆変態オーステナイトは、元のオーステナイトと一定の結晶程度の相関係を維持し、元のオーステナイトは同じ相関係を維持します。

改質制限メカニズムは、拡散によって制御される逆変態オーステナイトの形成中、その核生成位置が元のオーステナイト、炭化物、マトリックスとの特定の結晶学的相関係を厳密に維持し、逆変態オーステナイトの変態を制限することを指摘しています。 バリアントの種類。 残留オーステナイトの成長メカニズムは、焼入れ後のマルテンサイト鋼中の残留オーステナイトが、その後の焼戻しプロセスでオーステナイト安定化元素の拡散によって成長を続け、それによってさらに「変態を逆転させる」と考えています。「新しいオーステナイト組織のために。

0Cr13Ni4Moマルテンサイト系ステンレス鋼の研究は、炭化物(Cr23C6)とオーステナイトが、オーステナイト変態開始温度(AS)よりわずかに高い二相領域で焼戻し中に共沈することを示しています。 炭化物、オーステナイト、および界面上のCrおよびNi元素の分布のさらなる分析は、炭化物中のCrの偏析がNi元素の逆オーステナイトへの分布を促進し、Ni元素の濃縮がオーステナイト形成の化学駆動力を逆転させ、界面エネルギーを増加させることを示しています。

したがって、Niリッチ領域は、焼戻し中の逆変態オーステナイトの核生成サイトとして使用することができる、すなわち、逆変態オーステナイトの形成は、Ni元素の拡散によって制御される。

さらに焼戻し温度を上げると、原子の拡散はより顕著になりますが、温度の上昇により、焼戻しマルテンサイトからオーステナイトへの変態の駆動力条件が満たされているため、この時点での逆変態オーステナイトの形成メカニズムはありません拡散のせん断メカニズム。

変態制限機構をさらに説明するために、中田らは逆変態オーステナイトと前オーステナイトおよびマルテンサイトマトリックスとの結晶相関係を研究した。 13Cr-6Ni鋼の焼戻し後、元のオーステナイト粒で、逆変態オーステナイトはマルテンサイトラス境界に均一に分布するだけでなく、ブロックとパケット間の界面でも逆変態します。 変態オーステナイト、そしてそれらのほとんどは元のオーステナイトと同じ方位を維持しますが、方位のごく一部は元のオーステナイトとは異なります。 以前のオーステナイト癖表面とマルテンサイトラスグループにおける逆変態オーステナイト変異体の12相関係が存在する可能性があります。

K-S関係に従うことを前提として、最密充填面に平行なマルテンサイトラスバンドルの異なる方向は6つしかなく、各マルテンサイトラスバンドル内には2つの逆変態オーステナイトバンドルしかないことがわかります。ボディバリアント。

これは、{111} γ面ファミリーのオーステナイトの三重対称性により、マルテンサイトラスグループの12の逆変態オーステナイトバリアントを2つのタイプ、つまり元のオーステナイト配向V1バリアントとV2バリアントと同じV1に分類できることを示しています。

LeeとAaron-sonによって提案された2次元構造モデルによると、逆変態オーステナイトの臨界核形状は、核生成エネルギーを最小限に抑える要件を満たす必要があります。

ラス界面で形成された逆変態オーステナイトは、通常、元のオーステナイト粒の配向と一致し、コアのα'/γ界面はマルテンサイトマトリックスの両側とのK-S関係を維持しますが、元のオーステナイト粒界オーステナイトコアは、片側のマトリックスとのK-S関係のみを維持します。

したがって、元のオーステナイト粒界での逆変態オーステナイトは、コヒーレント界面とインコヒーレント界面に包まれて球状を形成し、境界の両側で表面エネルギーと弾性ひずみエネルギーの差があり、ラスでは逆変態オーステナイトは細長い針状の形態を形成する傾向がある。

逆変態オーステナイト含有量の増加は、材料の可塑性と靭性を向上させることができますが、逆変態オーステナイトが多すぎると、鋼の降伏強度が低下することがよくあります。

Schnitzerらはそれぞれ、PH13-8Moの全体的な降伏強度に対する強化相NiAlおよび強化相逆変態オーステナイトの影響を計算し、時効処理後の降伏強度の40%の低下は、逆変態オーステナイトの含有量が高いことに起因し、残りはNiAl相の粗大化に起因する。

したがって、高い靭性が要求される場合には、より高い時効温度を使用して逆変態オーステナイト含有量を増加させるべきであるが、材料の強度を失うという犠牲を払っている。 さらに、いくつかの研究では、逆変態オーステナイトが可塑性に及ぼす悪影響もわかっています。 例えば、Viswanathanらの結果は、逆変態オーステナイトによる可塑性の改善は時効の初期段階でのみ起こり、長時間も材料の深刻な脆性を引き起こすことを示した。骨折。


水素脆化および応力腐食に対する感受性の研究

強度レベルが増加するにつれて、高強度鋼は応力腐食割れ(応力腐食割れ、SCC)および水素脆化(水素脆化、HE)に対してより敏感になります。 特に、汚染または腐食性のガス成分とH原子が応力と組み合わせて高強度鋼に作用すると、亀裂の発生を引き起こしやすく、亀裂が発生するまで徐々に膨張します。

この種の破壊は、腐食性環境で使用される高強度鋼構造部品の主な故障モードであり、大きな安全上の問題と財産の損失を引き起こします。

水素脆化に対する感受性

拡散性水素は、鋼の可塑性損失を引き起こす主な要因です。 拡散性水素の移動度を低下させる対策は、材料の水素脆化感受性に対する耐性を効果的に改善することができる。

強力な水素トラップは、鋼に吸収される過飽和水素の含有量を大幅に増加させ、マトリックスに入る水素を無害にする可能性があります。

上記の観点は、高強度鋼の水素誘起遅れ破壊の観察においてある程度確認されており、すなわち、高強度鋼がその引張強度よりも低い静的応力の作用を受けている場合、それは一定期間の使用後に瞬間的な脆性破壊を受ける。 静荷重下での破損は、マトリックスへのH原子の侵入によるものです。

鋼の主な強化相および強靭化相として、時効中に析出する多数の分散した第2相強化粒子および逆変態オーステナイトは、鋼中の重要な水素トラップと見なすことができます。

多くの研究は、熱処理によって鋼中の「良性水素トラップ」(良性水素トラップ)の数と密度を調整し、材料中のHの拡散を防ぎ、それによって水素脆化感度に対する材料の耐性を向上させることに焦点を当てています。

多くの研究により、炭化物は鋼の典型的な「良性の水素トラップ」であり、鋼の水素脆化感受性を効果的に高めることができることが示されています。 例えば、オーステナイト単相領域で形成・冷却した後にセメンタイト粒子を球状化したり、焼戻し温度まで急速加熱してセメンタイトを微細化することにより、鋼の耐水素脆化率を効果的に向上させることができる。

さらに、Ti、V、Nbなどのマイクロアロイ元素を添加することにより、TiC、VC、NbCなどの炭化物が鋼中に形成され、効果的な水素トラップとして使用できます。 高橋らはAPTを用いて、TiCとV4C3トラップが重水素原子を捕捉していることを直接観察した。 Hは主にTiCとマトリックスの間の界面にトラップされ、V4C3のトラップサイトは主にセミコヒーレント界面のミスフィット転位のコア位置です。 第一原理計算と有限要素解析の助けを借りて、TiC沈殿の場合、TiCマトリックス界面が主要な水素トラップであり、炭素空孔がV4C3の主要なトラップサイトであることがさらに確認されています。

水素トラップとしての金属間化合物や元素リッチ相に関する報告は少ない。

最近、Liらは、蒸気タービンブレードの最終段階の17-4PH鋼とPH13-8Mo鋼の水素脆化挙動を比較しました。 研究結果は、鋼中の析出物の種類とマルテンサイトマトリックスと析出物の間の結晶学的関係を示し、PH13-8Mo鋼が17-4PH鋼よりも高い見かけの水素拡散係数と低い見掛けの水素溶解度を有する主な理由です。

PH13-8Mo鋼のコヒーレントβ-NiAl相と比較して、17-4PH鋼のマトリックスとインコヒーレントなCuリッチ相があり、H原子を捕獲する能力が強い。 これは、Cuリッチ相の八面体間隙の半径が0.0529nmであり、βNiAl相の八面体間隙の半径(0.0206nm)の約2倍であるためである。

さらに、β-NiAl相とマトリックスの間のコヒーレント界面と比較して、Cuリッチ相とマトリックスの間の非コヒーレント界面は、より多くのH原子をトラップすることができます。

また、コヒーレント界面のミスフィット転位のコアとコアに隣接する歪みの少ない格子は弱い水素トラップであり、インコヒーレント析出相の水素デトラップエネルギーはコヒーレント転位のエネルギーよりも高い。 格子析出相の脱離エネルギー。

マルテンサイトマトリックスと比較して、残留(または逆変態)オーステナイト中のHの拡散速度は低く(オーステナイト中の拡散速度:10-15~10-16m2 / s、マルテンサイト中の拡散速度:10-10~10-12m2 / s)、オーステナイト中のHの溶解度はマルテンサイト中のそれよりも高い。 さらに、Hに対するオーステナイトのピンニングエネルギーは55kJ / molに達する可能性があり、不可逆的なHトラップサイトになります。

しかしながら、材料の水素脆化感受性に対する異なる系の鋼におけるオーステナイトの影響は依然として広く議論されている。 いくつかの結果は、鋼中の逆変態オーステナイトと微細残留オーステナイトがマトリックス中のHの拡散を効果的に防ぐことができ、したがって鋼の水素脆化感受性耐性を改善することができることを示しています。

それどころか、一部の学者は、オーステナイトに溶解したH原子がスタッキング欠陥エネルギーを低下させ、TRIP効果が発生しやすくなり、「水素源」としての新しいマルテンサイトがH原子を放出し、材料の脆性をもたらすと指摘しました。

Fanらは、S41500マルテンサイト系ステンレス鋼(公称組成0.04C-13Cr-4.1Ni-0.6Mo-0.7Mn、%)の水素脆化破壊挙動に対する逆変態オーステナイトの影響を報告しました。 Niの逆変態オーステナイトでは、オーステナイト/マルテンサイトとオーステナイト/炭化物の界面にH原子の濃縮はありません。

焼戻し処理後の試料の準へき開破壊のTEM観察結果は、変態誘起塑性(TRIP)効果の下で焼戻しマルテンサイトと新しく形成されたマルテンサイト(NFM)との界面に沿って破壊経路が進んでいることを示しています。 これは逆オーステナイトの安定性を低下させ、マルテンサイト変態を促進する。

相変態が起こった後、新生マルテンサイトは水素源として作用して大量のH原子を放出し、大量のH原子を周囲の界面に集めさせ、結果として生じる破壊形態は粒界破壊形態ではなく準開開形態である。

水素誘起亀裂は、一般に、ラス、等相束、ラス基、および元のオーストリアの粒界で核を形成し、その後、亀裂は外部応力の作用下でラス束を通過し、ラス基および元のオーストリアの粒界に沿って伝播します。

高強度ステンレス鋼では、多くのマルテンサイトマルチレベル構造界面(元のオーステナイト粒界、マルテンサイトラスグループ境界、マルテンサイトラスバンドル境界、マルテンサイトラス境界)と相境界が高強度ステンレス鋼です。 水素脆化に対する感受性が高い理由の1つ。

17-4PH鋼の水素拡散と水素脆化挙動の研究結果は、固溶状態サンプルの水素脆化感受性耐性がピークエージング状態サンプルの水素脆化抵抗よりも高いことを示しています。 この現象は、主に老化状態サンプル中のCuリッチ相およびマトリックスに起因する。 相境界相はより多くのHを捕捉し、界面結合力の弱化はピークエージング状態の水素荷電サンプルの脆性破壊を引き起こす。

溶体化処理温度の上昇に伴い、17-4PH鋼の水素脆化に対する感受性と水素拡散係数は最初に増加し、次に減少しました。

これは主に、鋼中の元のオーステナイトの粒界に対する溶体温度の影響と、その後の時効処理中の析出相の数密度によるものです。 溶液温度の上昇に伴い、元のオーステナイト粒が大きくなり、粒界面積が増加します。減少するが、Cu原子に対するマトリックスの固溶度が増加し、エージングプロセス中のCuリッチ相の析出を促進し、析出相の密度およびサイズの増加は、より多くの相界面を提供し、一緒になってHをトラップできる界面を提供する。

明らかに、高強度ステンレス鋼の水素脆化に対する感受性は、鋼の複雑な多レベルおよび多相構造によって共同で決定されます。 分析および特性評価方法の限界により、高強度ステンレス鋼の水素脆化感受性に対するさまざまな水素トラップの影響を定量的に決定することは依然として困難です。

異なる強度レベルに基づく異なる強化システムによって強化された高強度ステンレス鋼の水素脆化感受性の影響要因は、依然として体系的かつ深く研究する必要があります。

複雑な合金系と多相結合強化を備えた超高強度ステンレス鋼の水素脆化に対する感受性を早急に研究する必要があります。

現在、著者のチームは、多相複合沈殿によって強化された新しいタイプの2200MPa高強度ステンレス鋼を開発しました。 )、デュアルエージングサンプルのAPT分析結果を下図に示します。

図から、鋼には明らかなMo / Cr / C、Mo / Cr、および純粋なCrリッチクラスターがあることがわかります。 さらなる分析は、鋼中の析出相が金属間化合物、炭化物およびCrリッチ相を含むことを示している。 強度は3つの析出物の結合強化によって得られ、これまでに報告された最高の強度レベルを持つ高強度ステンレス鋼でもあります。


応力腐食割れ

アメリカの航空機部品故障調査報告書は、応力腐食割れが、サービス中の航空機の主要な耐荷重部品の突然の故障事故の主な形態の1つであることを示しています。

着陸装置のほとんどは、応力腐食または疲労亀裂の成長により最終的に破損します。

現在、応力腐食は、ハイテクや航空、航空宇宙、エネルギー、化学工業などの産業だけでなく、一般的に使用されているほとんどすべての耐食性鋼や合金でも発生しています。

したがって、超高張力鋼の応力腐食割れメカニズムと超高張力鋼の応力腐食に影響を与える要因を分析することは、超高張力鋼の応力腐食保護対策を決定する上で大きな科学的価値と実用的な重要性を持っています。

材料の耐食性は、高強度鋼の応力腐食割れを制限する重要な要素となっており、孔食は最も一般的で最も有害な腐食形態です。

ほとんどの応力腐食割れは孔食ピットに由来します。 超高強度ステンレス鋼の時効処理中に、過飽和マルテンサイト母材から析出した析出相がミクロ組織に不均一性を引き起こす。 孔食の主な原因。

析出相近傍のパッシベーション膜は比較的弱く、Clの侵入により不動態皮膜が破壊され、析出相とマトリックスの間にマイクロ電池が形成され、それによってマトリックスが溶解し、析出相が剥離し、孔食を形成する。 例えば、Crに富む炭化物M23C6、M6C、および金属間化合物Laves相およびσは、それらの周囲にCrの乏しい領域を形成しやすく、孔食が発生します。

LuoらとYu Qiangは、3次元アトムプローブ断層撮影を使用して、15-5PH超高強度ステンレス鋼の微細構造と電気化学的挙動に対する時効時間の影響を研究しました。

Cuリッチクラスターおよび(Cu、Nb)ナノ粒子は、エージング時間が1〜240分の範囲で観察された。短期老化処理と比較して、長期老化処理後のサンプルの表面はClによる攻撃を受けやすくなりました。

240分間エージングした後、析出物の周りのCr含有量も減少し、これらの部品はCrの乏しい領域を形成する傾向があります。 不動態皮膜中のCr/Fe比の低下は、不動態皮膜の耐孔食性の低下の理由である。

さらに、粒界にCrが豊富な炭化物が連続的に析出すると、鋼の粒界耐食性が低下します。 たとえば、AISI316Tiステンレス鋼は、AISI321ステンレス鋼よりも粒界腐食に対する耐性が高いことが研究によってわかっています。 その理由は、TiCの析出により、粒界腐食を引き起こす析出物であるCrに富む炭化物の形成が減少するためです。一つのこと。

高強度ステンレス鋼の最も重要な延性相として、オーステナイトの含有量、形態、サイズ、安定性も鋼の応力腐食感受性に影響を与えます。

同じサイズ、形状、安定性の場合、オーステナイト含有量が増加すると、応力腐食割れしきい値(KISCC)が増加し、鋼の応力腐食割れ感度が低下します。

その理由は、マルテンサイトラス境界に形成されたフィルム状のオーステナイト組織が鋼の靭性を向上させ、水素誘起亀裂の成長速度を低下させるためです。 亀裂成長速度の低下には、主に2つの理由があります。

亀裂がマルテンサイトマトリックスからフィルム状オーステナイトに伝播すると、オーステナイトに膨張し続けるか、オーステナイト組織をバイパスするために膨張方向を変えるかにかかわらず、多くのエネルギーを消費し、亀裂成長速度が低下し、応力耐食性が向上します。

上記のように、Hはオーステナイト組織における固溶度が高く、偏析傾向が低く、オーステナイト中のHの拡散速度はマルテンサイト組織よりもはるかに小さく、高強度ステンレス鋼の有益な水素トラップは、亀裂の前面での水素脆化に対する感受性の低下につながります。 これにより、亀裂の成長速度が低下し、応力腐食感受性が高まります。

オーステナイトの安定性も鋼の応力腐食感受性を決定するための重要なパラメータであることに注意する必要があります。 応力またはひずみがマルテンサイト変態を誘発した後、オーステナイトから変態した新鮮なマルテンサイトは亀裂成長を抑制できません。 また、鋼の水素脆化に対する感受性を高めるための新しい水素拡散源としても機能します。

要約すると、鋼の強度、靭性、応力腐食、水素脆化感受性はすべて、複雑な多層構造の影響を受け、従来の試行錯誤法を使用して、超高強度、靭性、優れたサービス性能。 ステンレス鋼は難しく、サイクルが長く、コストが高くなります。

試行錯誤法と比較して、「原子サイズ-ナノスケール-マイクロスケール」などの強度と靭性、応力腐食性能、水素脆化性能の一連のマルチスケール解析モデルを確立するなどの合理的な設計方法は、より目的があります。 シミュレーション解析結果を通じて高強度ステンレス鋼の設計基準を確立し、鋼中の析出相、マルテンサイト、オーステナイト構造の形状、サイズ、含有量を最適化し、さらにマルチスケールシミュレーションと実際の材料開発プロセスを組み合わせることで、材料研究開発の難易度を大幅に軽減し、投入コストを削減し、研究開発サイクルを短縮します。


Outlook

高強度ステンレス鋼は、強度、靭性、サービスの安全性に優れた金属構造材料として、将来的には航空、航空宇宙、海洋工学、原子力産業の分野で幅広い用途の見通しがあります。

このタイプの鋼の過酷な適用環境を考慮して、新世代の高強度ステンレス鋼の探求は、超高強度-優れた可塑性と靭性のマッチングのボトルネックをさらに突破することに焦点を当てるだけでなく、優れたサービス安全性も考慮に入れる必要があります。

合金設計と熱処理プロセスの定式化の過程で、従来の試行錯誤の方法は、熱/運動支援合金設計、人工知能機械学習などの合理的な設計方法に徐々に移行され、新しい高強度耐食性合金の開発サイクルを大幅に改善し、研究開発コストを節約します。

高強度ステンレス鋼の強化および強化メカニズムに関する研究は、特に多相複合強化のための第2相粒子の析出挙動の理解と強化寄与値の重ね合わせなど、さらに深くする必要があります。

高強度ステンレス鋼の靭性に対する鋼のオーステナイト含有量、サイズ、形態、および安定性の影響に関する研究は比較的十分ですが、この鋼の靭性への寄与を定量的に推定するための効果的な数学モデルは確立されていません。

さらに、複雑な強化システムの下での超高強度高強度ステンレス鋼の応力腐食割れメカニズムと水素脆化感受性に関する研究は、超高強度高強度ステンレス鋼の耐久性設計の理論的基礎を提供するために緊急に解決する必要があります。

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