초고 인장 강도 스테인레스 스틸

1월 11, 2023

키워드: 초고강도 스테인리스강, 강화 및 강화 메커니즘, 수소 취성, 응력 부식, 석출상, 역변환 오스테나이트

고강도 스테인레스 스틸의 적용

고강도 스테인리스 스틸은 항공 우주, 해양 공학 및 에너지 분야에서 널리 사용됩니다., 같은:

  • 항공기의 메인 베어링 부재
  • 패스너
  • 위성 자이로스코프
  • 우주선 쉘
  • 해양 석유 플랫폼
  • 자동차 산업
  • 원자력 에너지 산업
  • 기어 및 베어링 제조

고강도 스테인리스 강의 개발 역사

  • 고성능 부식 방지 구조용 강철에 대한 항공 우주 및 해양 공학의 요구를 충족시키기 위해 American Carnegie Illionois Steel Company는 1946 년 1 세대 마르텐 사이트 석출 경화 스테인리스 강 인 스테인리스 W를 성공적으로 개발했습니다.
  • 스테인레스 W 강철 합금 시스템을 기반으로 Cu 및 Nb 원소가 첨가되고 Al 및 Ti 원소가 제거됩니다. 미국의 Arm-co Steel Company는 1948 년에 17-4PH 강을 개발했습니다. 강도, 인성 및 내식성이 우수하기 때문에 F-15 항공기 랜딩 기어 부품에 사용될뿐만 아니라 패스너 및 엔진 제조에도 널리 사용됩니다. 부품이지만 냉간 변형 능력이 좋지 않습니다. 횡 방향 기계적 특성에 불리한 고온 δ 페라이트를 줄이기 위해 페라이트 형성 원소 Cr의 함량을 줄이고 Ni 원소의 함량을 증가시킴으로써 15-5PH 강이 개발되어 17-4PH 강의 횡 연성을 극복했습니다 불쌍한 단점은 선박 및 민간 항공기 및 기타 내 하중 부품의 제조에 사용되었습니다.
  • 1960년대 초, 국제 니켈 공사는 마레이징강을 발명하고 고강도 스테인리스강 개발을 위한 마레이징 강화 개념을 도입하여 마레이징 스테인리스강 개발의 막을 열었습니다.
  • 1961 년 American Carpenter Technology Company는 Mo 함유 마레이징 스테인리스 스틸 Custom450을 처음 개발했습니다.
  • 1967년과 1973년에 파이로멧 X-15와 파이로멧 X-12가 연속적으로 개발되었습니다. 이 기간 동안 미국은 AM363, In736, PH13-8Mo, Unimar CR 등을 연속적으로 개발했습니다.
  • Martin 등은 1997 년과 2003 년에 각각 Custom465 및 Custom475 강철의 발명 특허를 획득하여 민간 항공 항공기에 적용했습니다.
  • 영국은 FV448, 520, 520 (B) 및 520 (S)과 같은 고강도 스테인리스 강 등급을 개발했습니다.
  • 독일은 1967 년과 1971 년에 Ultrafort401, 402 등을 개발했습니다.
  • 미국 철강 등급을 모방하고 개선하는 것 외에도 구소련은 일련의 새로운 철강 등급을 독립적으로 연구했습니다. 일반적인 강종에는 0Х15Н8Ю, 0Х17Н5М3, 1Х15Н4АМ3, 07Х16Н6 등뿐만 아니라 00Х12К14Н5М5Т, 00Х14К14Н4М3Т 등과 같이 Co 함량이 높은 강종이 포함됩니다.
  • 2002 년 미국의 QuesTek은 미국 국방부의 전략적 환경 연구 개발 프로그램 (SERDP)의 오염 방지 프로젝트를 수행했습니다. Materials Genome Project를 통해 항공기 랜딩 기어 용 새로운 유형의 초 고강도 스테인리스 스틸 Ferrium® S53을 설계 및 개발하여 2008 년 말에 발표했습니다. AMS5922 항공 우주 표준, 페륨®S53은 약 1930MPa의 강도와 55MPa 이상의 파괴 인성(KIC) m1/2를 가지고 있습니다. 2017년 미국의 MMPDS 백본 재료 매뉴얼에 추가되었습니다. 이 자료는 미국의 A-10에 성공적으로 적용되었습니다. 전투기와 T-38 항공기는 차세대 항공 모함 기반 항공기의 랜딩 기어에 선호되는 재료입니다.

초고강도 스테인리스강의 연구 진행

초고강도 스테인리스강의 우수한 특성은 주로 초고강도, 우수한 가소성 및 인성, 우수한 내식성, 응력 내식성 및 부식 피로 성능을 포함합니다.

다음은 초고강도 스테인리스강의 이러한 특성을 탐구하는 진행 상황입니다.

합금 설계 및 고강도 스테인리스강의 강화 단계

초고강도 스테인리스강의 일반적인 실온 구조는 다음과 같습니다.

1. 미세 라스 마르텐사이트 매트릭스

라스 마르텐사이트는 자체 전위 밀도가 높기 때문에 강도가 높습니다.

2. 적절한 양의 잔류 (또는 역변태) 오스테나이트

준 안정 잔류 (역 변환) 오스테 나이트는 균열 팁의 응력 집중을 완화하고 재료의 인성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 분산된 석출 강화상

노화 처리 중에 석출 된 나노 스케일 강화 단계는 강철의 강도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 석출상의 합금 조성에 따라 탄화물 (MC, M2C), 금속 간 화합물 (NiAl, Ni3Ti) 및 원소 농축 상 (ε상, α상) 등의 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 초고강도 스테인리스강에서 석출상의 강화 전위는 석출상의 특성과 크기, 수 밀도, 부피 분율 및 공간 분포에 따라 달라집니다. 최적의 성능을 얻을 수 있는지 여부는 주로 석출 단계의 석출 거동의 열적 및 운동 특성의 제어에 달려 있으며, 합금 조성의 조절 및 열처리 공정의 공식화를 안내합니다.


화학적 조성과 기계적 성질의 관계에 관한 연구

크롬

초고강도 스테인리스강의 조성을 설계할 때 강재가 우수한 내식성을 갖도록 하기 위해 일반강의 Cr 함량은 10% 이상이어야 하며 Cr도 마르텐사이트 변태 온도를 낮추는 원소입니다.

니켈

Ni는 스테인리스 강의 전위 및 패시베이션 경향을 개선하고 강철의 내식성을 높이며 강철의 가소성 및 인성, 특히 저온에서 강철의 인성을 향상시킬 수 있으며 Ni는 강화 η-Ni3Ti 상을 형성합니다.

Mo의 첨가는 주로 2차 경화 효과를 증가시키기 위함이다. 약 2 % Mo는 강철이 다른 용액 처리 조건에서 높은 경도를 유지하도록 할 수 있으며, 노화 과정에서 침전 된 Mo가 풍부한 침전물은 강화 역할을합니다. 강철이 좋은 인성을 유지하도록하고 Mo는 또한 스테인레스 스틸의 해수 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

공동

Co는 마르텐 사이트에서 전위 하부 구조의 회복을 억제하고, 침전물 형성을위한 더 많은 핵 형성 부위를 제공하고, α-Fe에서 Mo의 용해도를 감소시키고, Mo 함유 침전물의 형성을 촉진 할 수있다.

강철에 소량의 Ti를 첨가하면 강철의 강도가 크게 증가하지만 과도한 첨가는 강철의 인성을 감소시킵니다.

일반적인 초고강도 스테인리스강의 화학적 조성과 기계적 특성은 다음 차트에 나와 있습니다.

15-5PH 스틸

1세대 고강도 스테인리스강의 전형적인 대표자로서 15-5PH 강철의 합금 특성은 다음과 같습니다.

  • 약 15 % Cr은 강철의 내식성을 보장하는 데 사용됩니다.
  • 약 5 %의 Ni 함량은 실험에 사용 된 강철의 Cr-Ni 당량과 균형을 이룰 수 있으므로 강철은 실온에서 마르텐 사이트 구조를 얻을 수 있으며 동시에 강철의 δ 페라이트를 줄일 수 있습니다.
  • 약 4 % Cu를 첨가하면 강화 역할을합니다.
  • 소량의 Nb는 C와 함께 MC 상을 형성 할 수 있으며, 이는 결정립 경계를 고정하고 입자를 정제하는 역할을합니다.
  • 550 °C에서 시효 처리 후, 마르텐 사이트 매트릭스 상에 fcc 구조를 갖는 다수의 Cu 풍부상이 침전되고, Cu 풍부상과 마르텐 사이트 매트릭스 사이의 배향 관계는 K-S 관계 (111) Cu // (011) M, [11ˉ0] Cu //[11ˉ1] M을 만족한다.

Habibi-Bajguirani 등의 연구에 따르면 노화 과정에서 15-5PH 강철에는 두 가지 유형의 Cu 침전물이 있습니다. 500 °C 이하에서 노화되면 bcc 구조의 클러스터 입자가 먼저 형성됩니다. 이 클러스터 이후 9R 구조로 진화하고 마지막으로 fcc 침전 단계로 변환됩니다. 침전상 추출물의 X선 미세분석 결과는 이 침전상이 실제로 Cu가 풍부한 상임을 보여줍니다. 650 ~ 700 °C에서 노화 될 때, fcc Cu 풍부상은 처음에는 매트릭스와 일관된 관계를 유지 한 다음 반 간섭 성 K-S 관계로 변환됩니다.

PH13-8모

2 세대 고강도 스테인리스 강의 전형적인 대표자 인 PH13-8Mo는 저탄소 합금 설계를 채택하며 그 특성은 다음과 같습니다.

  • 약 13 % Cr은 강철의 내식성을 보장하는 데 사용됩니다.
  • 약 8 % Ni는 저탄소로 인한 셰플러 다이어그램의 Cr-Ni 등가 불균형을 보완하고 δ 페라이트 함량을 줄이며 강철이 라스 마르텐 사이트 구조를 얻도록 할 수 있습니다.
  • 1 % Al을 첨가하면 강철에 강화 단계를 형성하고 매트릭스를 강화하는 역할을 할 수 있습니다.

Schober et al. 노화 과정에서 침전물의 진화에 대한 Ti 원소의 영향을 연구했습니다.

  • Ti 원소를 첨가하지 않은 PH13-8Mo 강에서 석출 상은 NiAl 상입니다.
  • Ti 원소를 첨가 한 후, 강철의 석출 된 상은 G 상과 η상이다. 질서 정연한 금속 간 화합물 NiAl은 노화 처리의 초기 단계에서 Ti 원소를 첨가하지 않고 PH13-8Mo 강에 침전됩니다. 노화 시간이 길어짐에 따라 NiAl 상의 합금 원소는 점차 화학량론적 평형을 이루는 경향이 있으며 경도는 최대값에 도달합니다. Ti가 첨가 된 강재에서는 시효 처리 초기 단계에서 Ni, Si, Al 및 Ti가 풍부한 석출 단계가 강에 석출되고이 때 강의 경도가 최대에 도달합니다. 노화 시간이 연장됨에 따라 타원형 Ni16Si7Ti6-G 상과 짧은 막대 모양의 Ni3 (Ti, Al) -η상이 강철에 형성됩니다.

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

Li 등은 최대 1900MPa의 강도를 갖는 Cr-Ni-Co-Mo 기반 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강을 연구했으며, 다중 강화 단계의 복합 강화로 인해 초고강도가 얻어졌다고 믿었습니다.

강철의 공칭 조성은 0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al (원자 분율 %)입니다.

강철에는 주로 η-Ni3(Ti, Al) 상, Mo가 풍부한 R'상 및 Cr이 풍부한 α'상의 세 가지 종류의 침전상이 있습니다. 이러한 침전된 단계는 각각 노화 초기 단계에서 Ni-Ti-Al-풍부, Mo-풍부 및 Cr-풍부 클러스터 입자로부터 변형됩니다. 노화 과정에서 η-Ni3(Ti, Al) 상은 Mo가 풍부한 R' 상과 Cr이 풍부한 α' 상의 분리로 인해 천천히 성장합니다.


합금 설계를 위한 새로운 계산 모델

고강도 스테인리스 강 개발의 관점에서 강도 수준이 증가함에 따라 단일 강화 단계의 강화는 점차 다상 복합 강화로 발전합니다. 단일 유형의 침전상의 강화와 비교하여 복합 강화는 강철 강도의 추가 향상에 더 도움이됩니다.

그러나, 합금 조성 및 노화 시스템이 상이한 유형의 침전 및 성장 거동에 미치는 영향은 상당히 다르다. 새로운 강종을 설계 할 때 다양한 합금 조성과 열처리 시스템이 다양하고 다양한 석출 상을 얻을 수 있다는 점을 고려할 때, 전통적인 시행 착오 실험과 데이터 축적을 기반으로 한 인공 신경망 시뮬레이션을 사용하는 합금 설계 프로세스에는 여전히 결함이 있습니다. 새로운 유형의 물리적 야금 기반 모델이 시급히 필요합니다.

예를 들어, Xu et al. 및 Parn et al.은 합금 조성에 대한 기계 학습 기반 계산 모델을 제안했습니다. 이 모델은 합금 조성과 해당 열처리 매개 변수를 통합하여 원하는 특성이 유전 적 틀 내에서 진화 할 수 있도록합니다. 이 모델은 MC 카바이드를 강화 단계로 사용하는 초 고강도 강 설계에 적용됩니다. 또한 Cu 클러스터, Ni3Ti 및 NiAl 침전상에도 적합합니다. 또한 MC 탄화물, 풍부한 Cu 상 및 Ni3Ti 금속 간 화합물이 합금을 함께 강화하는 다중 유형 강화 상을 설계하는 데 적용 할 수 있습니다. 이 모델에는 강철 기계적 특성, 내식성 및 미세 구조와 같은 해당 매개 변수의 시뮬레이션이 포함되어있어 합금 조성 설계를위한보다 안정적인 경로를 제공합니다.


강화 단계 및 강화 메커니즘

역전변형 오스테나이트가 고강도 스테인리스강의 인성에 미치는 영향은 형태, 함량, 분산 및 안정성과 밀접한 관련이 있습니다.

그 특성은 가열 속도, 열처리 공정의 등온 온도 및 시간, 오스테 나이트 형성 원소의 확산 및 분리, 오스테 나이트의 핵 생성 위치 및 크기, 매트릭스의 전위 밀도에 영향을받습니다.

기존 연구에 따르면 역 변형 오스테 나이트의 형성을위한 세 가지 메커니즘이 있으며,

  • 확산없는 전단 반전 메커니즘,
  • 변형 제한 메커니즘,
  • 유지 된 오스테 나이트 성장 메커니즘.

전단 메커니즘은 오스테 나이트에서 마르텐 사이트까지의 비 확산 전단 메커니즘의 역 과정에서 비롯됩니다. 마르텐 사이트에 의해 형성된 역변환 오스테 나이트는 원래의 오스테 나이트와 일정한 결정도 상 관계를 유지하고, 원래의 오스테 나이트는 동일한 상 관계를 유지한다.

변형 제한 메커니즘은 확산에 의해 제어되는 역전이변 오스테나이트의 형성 동안, 그 핵형성 위치가 원래의 오스테나이트, 탄화물 및 매트릭스와 특정 결정학적 위상 관계를 엄격하게 유지하여 역전변형된 오스테나이트의 변형을 제한한다는 것을 지적한다. 변형의 유형. 잔류 오스테나이트의 성장 메커니즘은 담금질 후 마르텐 사이트 강의 잔류 오스테 나이트가 후속 템퍼링 공정에서 오스테 나이트 안정화 원소의 확산을 통해 계속 성장하여 "역전 변형"을 추가로 수행 할 것이라고 믿습니다. "새로운 오스테나이트 조직을 위해.

0Cr13Ni4Mo 마르텐 사이트 계 스테인리스 강에 대한 연구에 따르면 2 상 영역에서 템퍼링 중에 탄화물 (Cr23C6)과 오스테 나이트 공침전이 오스테 나이트 변환 시작 온도 (AS)보다 약간 높습니다. 탄화물, 오스테 나이트 및 계면상의 Cr 및 Ni 원소의 분포에 대한 추가 분석은 탄화물에서 Cr의 분리가 Ni 원소의 분포를 역오스테 나이트로 촉진하고 Ni 원소의 농축은 오스테 나이트 형성을위한 화학적 원동력을 역전시키고 계면 에너지를 증가시킨다는 것을 보여준다.

따라서, Ni 풍부한 영역은 템퍼링 동안 역 변형 오스테 나이트의 핵 생성 부위로서 사용될 수 있으며, 즉, 역 변형 오스테 나이트의 형성은 Ni 원소의 확산에 의해 제어된다.

템퍼링 온도를 더 높이면 원자의 확산이 더 중요하지만 온도 상승으로 인해 템퍼링 된 마르텐 사이트를 오스테 나이트로 변환하는 구동력 조건이 충족되었으므로 이때 역 변환 오스테 나이트의 형성 메커니즘은 확산의 전단 메커니즘.

변형 제한 메커니즘을 추가로 설명하기 위해 Nakada 등은 역변환 오스테나이트와 이전 오스테나이트 및 마르텐사이트 매트릭스 사이의 결정도 위상 관계를 연구했습니다. 13Cr-6Ni 강철을 템퍼링 한 후 원래의 오스테 나이트 입자에서 역 변환 된 오스테 나이트는 마르텐 사이트 라스 경계에 균일하게 분포 될뿐만 아니라 블록과 패킷 사이의 계면에서 역 변태를 갖습니다. 변형 된 오스테 나이트, 그리고 그들 대부분은 원래의 오스테 나이트와 동일한 방향을 유지하는 반면, 방향의 작은 부분은 원래의 오스테 나이트와 다릅니다. 이전의 오스테나이트 습관 표면과 마르텐사이트 라스기에서 역변환된 오스테나이트 변이체의 12상 관계가 있을 수 있다.

K-S 관계를 따른다는 전제하에, 밀집된 평면과 평행한 마르텐사이트 라스 다발의 6개의 다른 방향만 있고, 각 마르텐사이트 라스 다발 안에는 2개의 역변환 오스테나이트 다발만 있음을 관찰할 수 있다. 신체 변형.

이것은 {111} γ 평면 계열에서 오스테나이트의 삼중 대칭으로 인해 마르텐사이트 라스 그룹에서 12개의 역변형된 오스테나이트 변이체가 2가지 유형, 즉 원래의 오스테나이트 배향 V1 변이체 및 V1에 쌍둥이인 V2 변이체와 동일하다는 것을 보여줍니다.

Lee와 Aaron-son이 제안한 2차원 구성 모델에 따르면 역변환 오스테나이트의 임계 핵 모양은 핵생성 에너지를 최소화하는 요구 사항을 충족해야 합니다.

라스 계면에서 형성된 역 변환 오스테 나이트는 일반적으로 원래 오스테 나이트 입자의 방향과 일치하며 코어의 α '/ γ 계면은 마르텐 사이트 매트릭스의 양쪽과의 K-S 관계를 유지하는 반면 원래 오스테 나이트 입자 경계 오스테 나이트 코어는 한쪽의 매트릭스와의 K-S 관계 만 유지합니다.

따라서, 원래의 오스테나이트 결정립계에서의 역변환된 오스테나이트는 일관성 있고 비간섭성 계면에 의해 감싸기 때문에 구형을 형성하게 되고, 경계의 양쪽에서 표면 에너지와 탄성 변형 에너지의 차이가 있는 반면, 라스에서는 역변환된 오스테나이트가 길쭉한 바늘 형상 형태를 형성하는 경향이 있다.

역 변형 된 오스테 나이트 함량의 증가는 재료의 가소성 및 인성을 향상시킬 수있는 반면, 너무 많은 역 변형 된 오스테 나이트는 종종 강의 항복 강도의 저하로 이어진다.

Schnitzer et al. 각각 강화상 NiAl 및 강화상 역전균 오스테나이트가 PH13-8Mo의 전체 항복 강도에 미치는 영향을 계산했으며, 시효 처리 후 항복 강도의 40% 감소는 역변태 오스테나이트의 함량이 높기 때문이며, 나머지는 NiAl 상의 조대화에 기인합니다.

따라서, 높은 인성이 요구되는 경우, 역전변형 오스테나이트 함량을 증가시키기 위해 더 높은 노화 온도를 사용해야하지만, 재료의 강도를 잃는 대가를 치러야한다. 또한 일부 연구에서는 역전이 오스테나이트가 가소성에 미치는 악영향을 발견했습니다. 예를 들어, Viswanathan et al.의 결과는 역전형 오스테나이트에 의한 가소성의 향상은 노화의 초기 단계에서만 발생하며, 장시간의 경우 재료의 심각한 취성을 유발한다는 것을 보여주었습니다. 골절.


수소 취성 및 응력 부식 연구에 대한 민감성

강도 수준이 증가함에 따라 고장력강은 응력 부식 균열(응력 부식 균열, SCC) 및 수소 취성(수소 취성, HE)에 더 민감해집니다. 특히, 오염되거나 부식성 가스 성분 및 H 원자가 응력과 결합하여 고강도 강철에 작용할 때, 균열 개시를 일으키고 균열까지 점차적으로 팽창하는 것이 매우 쉽다.

이러한 종류의 파괴는 부식성 환경에서 사용되는 고강도 강철 구조 부품의 주요 고장 모드이며 막대한 안전 위험과 재산 손실을 초래합니다.

수소 취성에 대한 감수성

확산 성 수소는 강철의 가소성 손실을 일으키는 주요 요인입니다. 확산 성 수소의 이동성을 감소시키는 모든 조치는 재료의 수소 취성 감수성에 대한 내성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

강력한 수소 트랩은 강철에 흡수되는 과포화 수소의 함량을 크게 증가시켜 매트릭스에 들어가는 수소를 무해하게 만들 수 있습니다.

위의 관점은 고장력강의 수소 유도 지연 파괴의 관찰에서 어느 정도 확인되었으며, 즉 고강도 강이 인장 강도보다 낮은 정적 응력의 작용을받을 때 서비스 기간 후에 순간적인 취성 파괴를 겪게됩니다. 정적 하중 하에서의 고장은 H 원자가 매트릭스에 침입했기 때문입니다.

강철의 주요 강화 단계 및 강화 단계로서, 노화 중에 석출 된 많은 분산 된 2 차 상 강화 입자 및 역전 변환 오스테 나이트는 강철의 중요한 수소 트랩으로 간주 될 수 있습니다.

열처리를 통해 강철의 "양성 수소 트랩"(양성 수소 트랩)의 수와 밀도를 조절하여 재료에서 H의 확산을 방지함으로써 재료의 수소 취성 감도에 대한 내성을 향상시키는 데 많은 연구가 집중되어 왔습니다.

많은 연구에 따르면 탄화물은 강철의 전형적인 "양성 수소 트랩"이며 강철의 수소 취성 감수성을 효과적으로 증가시킬 수 있습니다. 예를 들어, 오스테나이트 단상 영역에서 형성 및 냉각 후 템퍼링 온도로 급속히 가열하여 시멘타이트 입자를 구상화하거나 시멘타이트를 정제함으로써, 강철의 수소 취성 감수성 내성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한 Ti, V 및 Nb와 같은 미세 합금 원소를 첨가하여 TiC, VC 및 NbC와 같은 탄화물을 강철에 형성하여 효과적인 수소 트랩으로 사용할 수 있습니다. Takahashi et al. APT를 사용하여 TiC 및 V4C3 트랩이 중수소 원자를 포획한다는 것을 직접 관찰했습니다. H는 주로 TiC와 매트릭스 사이의 계면에 갇혀 있는 반면, V4C3의 트랩 사이트는 주로 반간섭성 계면에서 부적합 전위의 핵심 위치입니다. 첫 번째 원칙 계산 및 유한 요소 분석을 통해 TiC 침전의 경우 TiC- 매트릭스 계면이 주요 수소 트랩이고 탄소 공석이 V4C3의 주요 트랩 사이트임을 추가로 확인합니다.

수소 트랩과 같은 금속 간 화합물과 원소가 풍부한 상에 대한보고는 거의 없습니다.

최근 Li 등은 증기 터빈 블레이드의 마지막 단계에 대해 17-4PH 강과 PH13-8Mo 강의 수소 취성 거동을 비교했습니다. 연구 결과에 따르면 강철의 침전물 유형과 마르텐사이트 매트릭스와 침전물 사이의 결정학적 관계가 PH13-8Mo 강철이 17-4PH 강철보다 겉보기 수소 확산 계수가 높고 겉보기 수소 용해도가 낮은 주된 이유입니다.

PH13-8Mo 강의 일관된 β-NiAl 상과 비교하여 H 원자를 포획하는 능력이 더 강한 17-4PH 강의 매트릭스와 일치하지 않는 Cu가 풍부한 상이 있습니다. 이는 Cu 리치 상의 팔면체 갭의 반경이 0.0529nm로 βNiAl 상의 팔면체 갭의 반경(0.0206nm)의 약 2배이기 때문이다.

또한, β-NiAl 상과 매트릭스 사이의 코 히어 런트 계면과 비교할 때, Cu가 풍부한 상과 매트릭스 사이의 비 간섭 계면은 더 많은 H 원자를 포획 할 수있다.

또한, 코 히어 런트 계면상의 부적합 전위의 코어와 코어에 인접한 덜 왜곡 된 격자는 약한 수소 트랩이며, 비 간섭 석출 단계의 수소 탈포 에너지는 코 히어 런트 전위의 에너지보다 높다. 격자 침전상의 탈착 에너지.

마르텐사이트 매트릭스와 비교하여 잔류 (또는 역전형) 오스테 나이트에서 H의 확산 속도는 더 낮습니다 (오스테 나이트의 확산 속도 : 10-15 ~ 10-16m2 / s, 마르텐 사이트 확산 속도 : 10-10 ~ 10-12m2 / s), 오스테 나이트에서 H의 용해도는 마르텐 사이트에서보다 높습니다. 또한 H에 대한 오스테나이트의 고정 에너지는 55kJ/mol에 도달할 수 있어 돌이킬 수 없는 H 트랩 사이트입니다.

그러나, 재료의 수소 취성 감수성에 비해 상이한 시스템의 강에서 오스테 나이트의 영향은 여전히 널리 논의되고있다. 일부 결과는 강에서 역전변 된 오스테 나이트 및 미세 잔류 오스테 나이트가 매트릭스에서 H의 확산을 효과적으로 방지 할 수 있으므로 강의 수소 취성 감수성 저항성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.

반대로, 일부 학자들은 오스테 나이트에 용해 된 H 원자가 적층 결함 에너지를 감소시켜 TRIP 효과가 발생할 가능성이 더 높으며 "수소 공급원"으로서의 새로운 마르텐 사이트는 H 원자를 방출하여 물질의 부서지기 쉽다고 지적했다.

Fan 등은 S41500 마르텐사이트 스테인리스강의 수소 취성 파괴 거동에 대한 역전형화된 오스테나이트의 효과를 보고했습니다(공칭 조성 0.04C-13Cr-4.1Ni-0.6Mo-0.7Mn, %). Ni의 역변환 오스테나이트에서는 오스테나이트/마르텐사이트와 오스테나이트/탄화물의 계면에서 H 원자가 농축되지 않습니다.

템퍼링 처리 후 샘플의 준 절단 파괴의 TEM 관찰 결과는 파괴 경로가 변형 유도 가소성 (TRIP) 효과 하에서 템퍼링 된 마르텐 사이트와 새로 형성된 마르텐 사이트 (NFM) 사이의 계면을 따라 있음을 보여줍니다. 이는 역전된 오스테나이트의 안정성을 감소시키고 마르텐사이트 변환을 촉진합니다.

상 변형이 발생한 후, 초기 마르텐 사이트는 많은 양의 H 원자를 방출하는 수소 공급원으로 작용하여 많은 양의 H 원자가 주변 계면에 모이게하고, 결과적인 파괴 형태는 입계 파괴 형태가 아닌 준 분열 형태이다.

수소에 의한 균열은 일반적으로 라스, 등상 다발, 라스 그룹 및 원래 오스트리아 입자 경계에서 핵을 형성 한 다음 균열은 외부 응력의 작용으로 라스 다발을 통과하여 라스 그룹과 원래 오스트리아 입자 경계를 따라 전파됩니다.

고강도 스테인리스 강에서 많은 마르텐 사이트 다단계 구조 인터페이스 (원래 오스테 나이트 입자 경계, 마르텐 사이트 라스 그룹 경계, 마르텐 사이트 라스 번들 경계 및 마르텐 사이트 라스 경계) 및 상 경계는 고강도 스테인리스 강입니다. 수소 취성에 대한 감수성이 높은 이유 중 하나.

17-4PH 강철의 수소 확산 및 수소 취화 거동의 연구 결과는 고용체 상태 샘플의 수소 취성 감수성 저항이 피크 노화 상태 샘플의 내성보다 높다는 것을 보여줍니다. 이 현상은 주로 노화 상태 샘플에서 Cu가 풍부한 상과 매트릭스 때문입니다. 상 경계상은 더 많은 H를 포착하고, 계면 결합력의 약화는 피크 노화 상태에서 수소로 대전 된 샘플의 취성 파괴를 일으킨다.

용액 처리 온도가 증가함에 따라 17-4PH 강의 수소 취성 및 수소 확산 계수에 대한 감수성이 먼저 증가한 다음 감소했습니다.

이것은 주로 강철에서 원래 오스테 나이트의 결정립계에 대한 용액 온도의 영향과 후속 노화 처리 동안 침전 된 단계의 수 밀도 때문입니다. 용액 온도가 증가함에 따라 원래의 오스테나이트 입자가 커지고 입자 경계 영역이 증가합니다. 감소하지만, Cu 원자에 대한 매트릭스의 고체 용해도는 증가하고, 이는 노화 공정 동안 Cu-풍부상의 침전을 촉진하고, 침전된 상의 밀도 및 크기의 증가는 더 많은 상 계면을 제공하며, 이는 함께 H를 포획할 수 있는 계면을 제공한다.

분명히, 고강도 스테인리스 강의 수소 취성에 대한 민감성은 강철의 복잡한 다단계 및 다상 구조에 의해 공동으로 결정됩니다. 분석 및 특성화 방법의 한계로 인해 고강도 스테인리스강의 수소 취성 감수성에 대한 다양한 수소 트랩의 영향을 정량적으로 결정하는 것은 여전히 어렵습니다.

다양한 강도 수준에 따라 다양한 강화 시스템에 의해 강화된 고강도 스테인리스강의 수소 취성 감수성의 영향 요인은 여전히 체계적이고 깊이 연구되어야 합니다.

복잡한 합금 시스템과 다상 커플 링 강화를 가진 초 고강도 스테인리스 강의 수소 취성에 대한 민감성은 시급히 연구되어야합니다.

현재 저자 팀은 다상 복합 침전으로 강화 된 새로운 유형의 2200MPa 고강도 스테인리스 강을 개발했습니다. )을 참조하여 이중에이징 시료의 APT 분석 결과를 아래 그림에 나타내었다.

그림에서 강철에 명백한 Mo / Cr / C, Mo / Cr 및 순수 Cr이 풍부한 클러스터가 있음을 알 수 있습니다. 추가 분석에 따르면 강철의 침전상에는 금속 간 화합물, 탄화물 및 Cr이 풍부한 상이 포함됩니다. 강도는 3 개의 석출물의 결합 강화에 의해 얻어지며, 지금까지 보고된 강도 수준이 가장 높은 고강도 스테인리스강이기도 합니다.


응력 부식 균열

미국 항공기 부품 고장 조사 보고서에 따르면 응력 부식 균열은 서비스 중 항공기의 주요 하중지지 부품의 갑작스런 고장 사고의 주요 형태 중 하나입니다.

대부분의 랜딩 기어는 응력 부식 또는 피로 균열 증가로 인해 마침내 파손됩니다.

현재 응력 부식은 항공, 항공 우주, 에너지 및 화학 산업과 같은 첨단 기술 및 산업뿐만 아니라 일반적으로 사용되는 거의 모든 내식성 강철 및 합금에서도 발생합니다.

따라서 초고장력강의 응력부식균열 메커니즘과 초고장력강의 응력부식에 영향을 미치는 요인을 분석하는 것은 초고장력강의 응력부식 방지 조치를 결정하는 데 큰 과학적 가치와 실용적인 의미가 있습니다.

재료의 내식성은 고장력강의 응력 부식 균열을 제한하는 중요한 요소가되었으며 공식 부식은 가장 일반적이고 가장 유해한 형태의 부식입니다.

대부분의 응력 부식 균열은 구멍 구덩이에서 발생합니다. 초고강도 스테인리스강의 노화 처리 동안, 과포화 마르텐사이트 매트릭스로부터 침전된 침전된 상은 미세구조에 불균일성을 야기한다. 공식 부식의 주요 원인.

석출 상 근처의 패시베이션 막은 상대적으로 약하고, Cl의 침입은 부동 태 피막의 파괴를 일으키고, 석출 상과 매트릭스 사이에 마이크로 배터리가 형성되어 매트릭스를 용해시키고, 석출 상을 각질 제거하고, 공식 부식을 형성한다. 예를 들어, Cr이 풍부한 카바이드 M23C6, M6C 및 금속 간 화합물 Laves 상 및 σ은 주변에 Cr이 부족한 영역을 형성하기 쉽기 때문에 공식 부식이 발생합니다.

Luo et al. 및 Yu Qiang은 3차원 원자 프로브 단층 촬영을 사용하여 15-5PH 초고강도 스테인리스강의 미세 구조 및 전기화학적 거동에 대한 노화 시간의 영향을 연구했습니다.

Cu-풍부 클러스터 및 (Cu,Nb) 나노입자는 노화 시간이 1 내지 240분 범위일 때 관찰되었다. 단기 노화 처리와 비교하여 장기 노화 처리 후 샘플 표면은 Cl의 공격에 더 취약했습니다.

240 분 동안 숙성시킨 후, 침전물 주변의 Cr 함량도 감소 할 것이며,이 부분은 Cr- 가난한 영역을 형성하기 쉽다. 패시베이션 피막에서 Cr / Fe 비율의 감소는 패시베이션 피막의 공식 내식성이 감소하는 이유입니다.

또한, 결정립계에 Cr이 풍부한 탄화물의 지속적인 침전은 강철의 입계 내식성을 감소시킬 것이다. 예를 들어, 연구에 따르면 AISI316Ti 스테인리스 강은 AISI321 스테인리스 강보다 입계 부식에 대한 내성이 더 높습니다. 그 이유는 TiC의 침전이 입계 부식을 유발하는 석출물 인 Cr이 풍부한 탄화물의 형성을 감소시키기 때문입니다. 그 중 하나.

고강도 스테인리스강에서 가장 중요한 연성상으로서 오스테나이트의 함량, 형태, 크기 및 안정성도 강철의 응력 부식 민감성에 영향을 미칩니다.

동일한 크기, 형상 및 안정성의 경우, 오스테나이트 함량이 증가함에 따라, 응력부식균열계수(KISCC)가 증가하고, 강재의 응력부식균열균열감도가 감소한다.

그 이유는 마르텐사이트 라스 경계에 형성된 필름형 오스테나이트 구조가 강철의 인성을 향상시키고 수소 유도 균열의 성장률을 감소시키기 때문입니다. 균열 성장률이 감소하는 두 가지 주요 이유가 있습니다.

균열이 마르텐사이트 매트릭스에서 필름형 오스테나이트로 전파될 때 오스테나이트로 계속 팽창하든 오스테나이트 구조를 우회하기 위해 팽창 방향을 변경하든 많은 에너지를 소비하여 균열 성장 속도가 감소하고 응력 내식성이 증가합니다.

전술한 바와 같이, H는 오스테나이트 구조에서 고체 용해도가 높고 편석 경향이 낮으며, 오스테나이트에서 H의 확산 속도는 마르텐사이트 구조에서보다 훨씬 작으며, 이는 고강도 스테인리스강의 유익한 수소 트랩이 균열 전면의 수소 취성에 대한 감수성을 감소시키고, 이는 차례로 균열 성장률을 감소시키고 응력 부식 민감성을 증가시킵니다.

오스테나이트의 안정성은 강철의 응력 부식 민감성을 결정하는 핵심 파라미터이기도 합니다. 응력이나 변형이 마르텐사이트 변형을 유도한 후, 오스테나이트에서 변형된 신선한 마르텐사이트는 균열 성장을 억제할 수 없습니다. 또한 강철의 수소 취성에 대한 감수성을 증가시키기위한 새로운 수소 확산원 역할을 할 것입니다.

요약하면, 강철의 강도, 인성, 응력 부식 및 수소 취성 감수성은 모두 복잡한 다단계 다상 구조의 영향을 받으며, 전통적인 시행착오 방법은 초고강도, 인성 및 우수한 서비스 성능을 모두 갖춘 초고장력강을 설계 및 제조하는 데 사용됩니다. 스테인레스 스틸은 어렵고 주기가 길며 비용이 많이 듭니다.

시행 착오 방법과 비교하여 강도 및 인성, 응력 부식 성능 및 "원자 크기-나노 스케일-마이크로 스케일"과 같은 수소 취성 성능에 대한 일련의 멀티 스케일 분석 모델을 설정하는 것과 같은 합리적인 설계 방법이 더 목적이 있습니다. 시뮬레이션 해석 결과를 통해 고강도 스테인리스강의 설계 표준을 수립하고, 강재의 석출상, 마르텐사이트 및 오스테나이트 구조의 형상, 크기 및 함량을 최적화하고, 멀티스케일 시뮬레이션을 실제 재료 개발 프로세스와 결합하여 재료 연구 개발의 어려움을 크게 줄이고 비용 투입을 줄이고 연구 개발 주기를 단축합니다.


Outlook

강도, 인성 및 서비스 안전성이 우수한 금속 구조 재료로서 고강도 스테인리스 강은 향후 항공, 항공 우주, 해양 공학 및 원자력 산업 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다.

이러한 유형의 강철의 열악한 적용 환경을 고려할 때 차세대 고강도 스테인리스강에 대한 탐색은 초고강도-우수한 가소성 및 인성 매칭의 병목 현상을 추가로 돌파하는 데 초점을 맞출 뿐만 아니라 우수한 서비스 안전성도 고려해야 합니다.

합금 설계 및 열처리 공정 공식화 과정에서 전통적인 시행 착오 방법은 점차 열 / 운동 보조 합금 설계, 인공 지능 기계 학습 등과 같은 합리적인 설계 방법으로 전환되어 새로운 고강도 내식성 합금의 개발주기를 크게 개선하고 R & D 비용을 절감합니다.

고강도 스테인리스 강의 강화 및 강화 메커니즘에 대한 연구는 여전히 더 심층적이어야하며, 특히 다상 복합 강화를위한 2 상 입자의 석출 거동 및 강화 기여 값의 중첩에 대한 이해가 필요합니다.

강철의 오스테나이트 함량, 크기, 형태 및 안정성이 고강도 스테인리스강의 인성에 미치는 영향에 대한 연구는 비교적 충분하지만 이 강철의 인성에 대한 기여도를 정량적으로 추정할 수 있는 효과적인 수학적 모델은 확립되지 않았습니다.

또한, 초고강도 고강도 스테인리스강의 내구성 설계를 위한 이론적 기반을 제공하기 위해 복합 강화 시스템 하에서 초고강도 스테인리스강의 응력부식균열 메커니즘 및 수소취성 감수성에 대한 연구가 시급히 해결될 필요가 있다.

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