Сверхвысокая прочность на растяжение нержавеющая сталь

11 января, 2023

Ключевые слова: сверхвысокопрочная нержавеющая сталь, механизм упрочнения и закалки, водородное охрупчивание, коррозия под напряжением, осажденная фаза, обратно трансформированный аустенит

Применение высокопрочной нержавеющей стали

Высокопрочная нержавеющая сталь широко используется в аэрокосмической, морской технике и энергетических областях, таких как:

  • Основной несущий элемент самолета
  • Крепеж
  • спутниковый гироскоп
  • оболочка космического корабля
  • Морская нефтяная платформа
  • автомобильная промышленность
  • атомная энергетика
  • Производство зубчатых колес и подшипников

История развития высокопрочной нержавеющей стали

  • Чтобы удовлетворить потребности аэрокосмической и морской техники в высокопроизводительной коррозионностойкой конструкционной стали, американская компания Carnegie Illionois Steel Company успешно разработала первое поколение мартенситной нержавеющей стали, закаляющей осаждение – Stainless W в 1946 году.
  • На основе системы сплавов нержавеющей стали добавляются элементы Cu и Nb, а элементы Al и Ti удаляются. Arm-co Steel Company of the United States разработала сталь 17-4PH в 1948 году. Благодаря хорошей прочности, ударной вязкости и коррозионной стойкости, он не только используется в компонентах шасси самолета F-15, но и широко используется при изготовлении крепежа и двигателей. детализируется, но его холодовая деформационная способность слаба. С целью снижения высокотемпературного δ-феррита, неблагоприятного поперечным механическим свойствам, за счет снижения содержания ферритообразующего элемента Cr и увеличения содержания Ni-элемента, была разработана сталь 15-5PH, которая преодолевает поперечную пластичность стали 17-4PH Слабые недостатки, была использована при изготовлении судов и гражданских самолетов и других несущих компонентов.
  • В начале 1960-х годов Международная никелевая корпорация изобрела мареобразную сталь и ввела концепцию марирующего упрочнения для разработки высокопрочной нержавеющей стали, тем самым открыв занавес разработки марирующей нержавеющей стали.
  • В 1961 году American Carpenter Technology Company впервые разработала Mo-содержащую мародерную нержавеющую сталь Custom450.
  • В 1967 и 1973 годах Пиромет Х-15 и Пиромет Х-12 разрабатывались последовательно. В этот период Соединенные Штаты также последовательно разрабатывали AM363, In736, PH13-8Mo, Unimar CR и т. Д.
  • Мартин и другие получили патенты на изобретение сталей Custom465 и Custom475 в 1997 и 2003 годах соответственно и применили их в самолетах гражданской авиации.
  • Великобритания разработала высокопрочные марки нержавеющей стали, такие как FV448, 520, 520 (B) и 520 (S).
  • Германия разработала Ultrafort401, 402 и так далее в 1967 и 1971 годах.
  • В дополнение к имитации и улучшению американских марок стали, бывший Советский Союз также независимо исследовал ряд новых марок стали. Распространенными марками стали являются 0Х15Н8Ю, 0Х17Н5М3, 1Х15Н4АМ3, 07Х16Н6 и др., а также марки стали с повышенным содержанием Co, такие как 00Х12К14Н5М5Т, 00Х14К14Н4М3Т и др.
  • В 2002 году QuesTek из Соединенных Штатов предпринял проект по предотвращению загрязнения в рамках Программы стратегических экологических исследований и разработок (SERDP) Министерства обороны США. В рамках проекта Materials Genome Project компания спроектировала и разработала новый тип сверхвысокопрочной нержавеющей стали Ferrium® S53 для шасси самолетов и опубликовала его в конце 2008 года. AMS5922 Aerospace Standard, Ferrium®S53 имеет прочность около 1930 МПа и ударную вязкость (KIC) более 55 МПа м1/2. Он был добавлен в руководство по магистральным материалам MMPDS в Соединенных Штатах в 2017 году. Этот материал был успешно применен к А-10 в США. Истребители и самолеты Т-38 являются предпочтительными материалами для шасси следующего поколения палубных самолетов.

Научно-исследовательский прогресс в области сверхвысокопрочной нержавеющей стали

Хорошие свойства сверхвысокопрочной нержавеющей стали в основном включают в себя сверхвысокую прочность, отличную пластичность и ударную вязкость, отличную коррозионную стойкость, коррозионную стойкость и коррозионно-усталостные характеристики.

Ниже приведен прогресс в изучении этих свойств сверхвысокопрочной нержавеющей стали.

Фазы проектирования и упрочнения сплавов из высокопрочной нержавеющей стали

Типичные конструкции комнатной температуры из сверхвысокопрочной нержавеющей стали включают:

1. Тонкая планка мартенситовая матрица

Планка мартенсита обладает высокой прочностью благодаря собственной высокой плотности дислокации.

2. Соответствующее количество остаточного (или обратного преобразования) аустенита

Метастабильный остаточный (обратное преобразование) аустенит может снизить концентрацию напряжения на кончике трещины и улучшить ударную вязкость материала.

3. Фаза усиления осадков распределена рассеянно

Наномасштабная фаза укрепления, осажденная во время обработки старения, может еще больше улучшить прочность стали. По составу сплава осажденной фазы его можно разделить на три категории, а именно карбид (MC, M2C), интерметаллическое соединение (NiAl, Ni3Ti) и элемент обогащенная фаза (фаза ε, фаза α) и т.д. В сверхвысокопрочной нержавеющей стали упрочняющий потенциал осажденной фазы зависит от характера осажденной фазы и ее размера, плотности числа, объемной доли и пространственного распределения. Можно ли получить оптимальные характеристики, в основном зависит от контроля тепловых и кинетических характеристик поведения осаждения осажденной фазы, а затем направляет регулирование состава сплава и постановку процесса термообработки.


Исследование взаимосвязи между химическим составом и механическими свойствами

Cr

При проектировании состава из сверхвысокопрочной нержавеющей стали, чтобы гарантировать, что сталь обладает хорошей коррозионной стойкостью, содержание Cr в общей стали должно быть больше 10%, а Cr также является элементом, снижающим температуру мартенситного превращения.

Ni

Ni может улучшить потенциал и пассивационную тенденцию нержавеющей стали, увеличить коррозионную стойкость стали, улучшить пластичность и ударную вязкость стали, особенно ударную вязкость стали при низкой температуре, а Ni также образует укрепляющую η-Ni3Ti фазы.

Mo

Добавление Мо в основном для усиления вторичного закаливающего эффекта. Около 2% Mo может заставить сталь поддерживать высокую твердость при различных условиях обработки раствором, а богатые Mo осадки, осажденные в процессе старения, играют укрепляющую роль. Заставьте сталь поддерживать хорошую ударную вязкость, а Mo также может улучшить коррозионную стойкость морской воды нержавеющей стали.

Co

Co может ингибировать восстановление дислокационной субструктуры в мартенсите, обеспечивать больше мест нуклеации для образования осадков, снижать растворимость Mo в α-Fe и способствовать образованию Mo-содержащих осадков.

Ти

Добавление небольшого количества Ti к стали значительно увеличит прочность стали, но чрезмерное добавление снизит ударную вязкость стали.

Химический состав и механические свойства типичной сверхвысокопрочной нержавеющей стали показаны на следующей диаграмме:

Сталь 15-5PH

Как типичный представитель первого поколения высокопрочной нержавеющей стали, легирующие характеристики стали 15-5PH являются:

  • Около 15% Cr используется для обеспечения коррозионной стойкости стали;
  • Содержание Ni около 5% может сбалансировать Cr-Ni эквивалент стали, используемой в эксперименте, так что сталь может получить мартенситную структуру при комнатной температуре и в то же время уменьшить δ-феррита в стали;
  • Добавление около 4% Cu играет укрепляющую роль;
  • Небольшое количество Nb может образовывать фазу MC с C, которая играет роль закрепления границ зерен и рафинирования зерен.
  • После обработки старения при 550 °C большое количество богатых Cu фаз со структурой fcc, осажденных на матрице мартенсита, и отношение ориентации между богатой Cu фазой и матрицей мартенсита удовлетворяет соотношению K-S (111)Cu//(011)M, [11ˉ0] Cu//[11ˉ1]M.

Исследования Habibi-Bajguirani et al. показали, что в процессе старения в стали 15-5PH существует два различных типа осадков Cu. При старении ниже 500 °C сначала образуются кластерные частицы со структурой ОЦК. Этот кластер впоследствии эволюционирует в структуру 9R и, наконец, превратится в осажденную фазу FCC. Результаты рентгеновского микроанализа осажденного экстракта фазы показывают, что эта осажденная фаза на самом деле является фазой, богатой Cu. При старении при 650~700 °C фаза, богатая cu, сначала поддерживает когерентную связь с матрицей, а затем превращается в полукогерентное отношение K-S.

PH13-8Мо

Как типичный представитель высокопрочной нержавеющей стали второго поколения, PH13-8Mo принимает конструкцию из низкоуглеродистого сплава, и его характеристики являются:

  • Около 13% Cr используется для обеспечения коррозионной стойкости стали;
  • Около 8% Ni может компенсировать дисбаланс эквивалента Cr-Ni на диаграмме Шеффлера, вызванный низким содержанием углерода, уменьшить содержание δ-феррита и заставить сталь получить мартенситную структуру планки;
  • Добавление 1% Al может сформировать фазу укрепления в стали и сыграть роль в укреплении матрицы.

Schober et al. изучали влияние элемента Ti на эволюцию осадков в процессе старения:

  • В стали PH13-8Mo без добавления Элемента Ti осажденная фаза является только фазой NiAl.
  • После добавления Ti-элемента осажденными фазами в стали являются G-фаза и η фаза. Упорядоченное интерметаллическое соединение NiAl осаждается в стали PH13-8Mo без добавления Ti-элемента на начальном этапе обработки старения. При продлении времени старения легирующие элементы в фазе NiAl постепенно стремятся к стехиометрическому равновесию и твердость достигает максимального значения. В стали с добавлением Ti фаза осаждения, богатая Ni, Si, Al и Ti, осаждается в стали на начальной стадии обработки старения, и твердость стали достигает максимума в это время. При продлении времени старения в стали будет образовываться эллипсоидальная фаза Ni16Si7Ti6-G и короткая стержневая фаза Ni3(Ti, Al)-η.

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

Li et al. изучали мартенситную осажденно-твердящую нержавеющую сталь на основе Cr-Ni-Co-Mo с прочностью до 1900 МПа и полагали, что сверхвысокая прочность была получена за счет композитного упрочнения нескольких фаз укрепления.

Номинальный состав стали 0,004С-13,5Cr-12,7Со-3,3Мо-4,4Ни-0,5Ти-0,2А (атомная фракция %).

В стали существует в основном три вида осажденных фаз: фаза η-Ni3 (Ti, Al), mo-богатая фаза R' и cr-богатая фаза α'. Эти осажденные фазы трансформируются из ni-Ti-Al-богатых, Mo-богатых и Cr-богатых кластерных частиц на ранней стадии старения соответственно. Во время процесса старения фаза η-Ni3 (Ti, Al) медленно растет из-за разделения фазы R', богатой Mo, и фазы α, богатой Cr.


Новая расчетная модель для конструкции сплава

С точки зрения развития высокопрочной нержавеющей стали, по мере повышения уровня прочности, усиление одной фазы укрепления постепенно перерастает в многофазное композитное упрочнение. По сравнению с укреплением одного типа осажденной фазы, композитное упрочнение в большей степени способствует дальнейшему повышению прочности стали.

Однако влияние состава сплава и системы старения на осадки и поведение роста различных типов осажденных фаз совершенно различно. Учитывая, что различные составы сплавов и системы термообработки могут получать различные и различные осажденные фазы при проектировании новых марок стали, все еще существуют недостатки в процессе проектирования сплава с использованием традиционных экспериментов методом проб и ошибок и моделирования искусственных нейронных сетей, основанных на накоплении данных. Срочно необходим новый тип модели, основанной на физической металлургии.

Например, Xu et al. и Parn et al. предложили модель расчета на основе машинного обучения для состава сплава. Эта модель объединяет состав сплава и соответствующие параметры термообработки, что позволяет желаемым свойствам развиваться в генетических рамках. Данная модель применяется для конструкции сверхвысокопрочной стали с карбидом MC в качестве фазы усиления. Он также подходит для кластеров Cu, Ni3Ti и NiAl осажденных фаз. Он также может быть применен для проектирования многотипной фазы упрочнения, включая карбид MC, богатую cu-фазу и интерметаллическое соединение Ni3Ti, укрепляющее сплав вместе. Модель включает в себя моделирование соответствующих параметров, таких как механические свойства стали, коррозионная стойкость и микроструктура, что обеспечивает более надежный путь для проектирования состава сплава.


Фаза закалки и механизм закалки

Влияние обратно трансформированного аустенита на ударную вязкость высокопрочной нержавеющей стали тесно связано с ее морфологией, содержанием, дисперсией и стабильностью.

На его характеристики влияют скорость нагрева, изотермическая температура и время процесса термообработки, диффузия и сегрегация аустенитообразующих элементов, положение нуклеации и размер аустенита, плотность дислокации в матрице.

Существующие исследования показали, что существует три механизма образования обратно трансформированного аустенита;

  • Бесдиффузионный механизм сдвиговой инверсии,
  • механизм ограничения вариантов,
  • Сохраняется механизм роста аустенита.

Механизм сдвига происходит от обратного процесса недиффузионного механизма сдвига от аустенита к мартенсите. Обратно преобразованный аустенит, образованный мартенситом, который поддерживает определенную фазовую связь кристаллической степени с исходным аустенитом, и исходный аустенит поддерживают такое же фазовое соотношение.

Механизм ограничения модификации указывает на то, что при образовании обратно трансформированного аустенита, контролируемого диффузией, его положение нуклеации будет строго поддерживать определенную кристаллографическую фазовую зависимость с исходным аустенитом, карбидом и матрицей, тем самым ограничивая превращение обратно преобразованного аустенита. Типы вариантов. Механизм роста удерживаемого аустенита считает, что остаточный аустенит в мартенситной стали после закалки будет продолжать расти за счет диффузии стабилизирующих аустенит элементов в последующем процессе отпуска, тем самым еще больше «обращая вспять трансформацию». «За новую аустенитную организацию.

Исследования мартенситной нержавеющей стали 0Cr13Ni4Mo показывают, что карбид (Cr23C6) и аустенит со-осадок во время отпуска в двухфазной области несколько выше, чем температура начала трансформации аустенита (AS). Дальнейший анализ карбида, аустенита и распределения элементов Cr и Ni на границе раздела показывает, что сегрегация Cr в карбиде способствует распределению Ni-элемента на обратный аустенит, а обогащение Ni-элемента уменьшает обратную химическую движущую силу образования аустенита и увеличивает межфазную энергию,

Поэтому богатая Никелем область может быть использована в качестве места зарождения обратно трансформированного аустенита при отпускании, то есть образование обратно трансформированного аустенита контролируется диффузией Ni-элемента.

Дальнейшее повышение температуры отпуска, хотя диффузия атомов более значительна, но за счет повышения температуры условие движущей силы для превращения закаленного мартенсита в аустенит было удовлетворено, поэтому механизм образования обратно трансформированного аустенита в это время не является сдвиговым механизмом диффузии.

Чтобы дополнительно объяснить механизм ограничения модификации, Nakada et al. изучили фазовую зависимость кристаллической степени между обратно преобразованным аустенитом и предшествующей матрицей аустенита и мартенсита. После отпуска стали 13Cr-6Ni, в исходном аустенитовом зерне, обратно преобразованный аустенит не только равномерно распределяется в границе планки мартенсита, но и имеет обратное преобразование на границе раздела между блоками и пакетами. Трансформируется аустенит, и большинство из них сохраняют ту же ориентацию, что и исходный аустенит, в то время как небольшая часть ориентации отличается от исходного аустенита. Может существовать 12 фазовых соотношений обратнотрансформированных вариантов аустенита в предшествующей поверхности привычки аустенита и группе планки мартенсита.

Можно заметить, что при условии следования соотношению K-S существует только 6 различных направлений расслоений планки мартенсита, параллельных плотно упакованной плоскости, и внутри каждого пучка планки мартенсита с обратным преобразованием. вариант кузова.

Это показывает, что из-за тройной симметрии аустенита в семействе плоскостей {111} γ 12 вариантов аустенита с обратным преобразованием в группе мартенситных планок могут быть разделены на 2 типа, то есть такие же, как и оригинальные варианты V1, ориентированные на аустенит, и варианты V2, которые являются побратимами V1.

Согласно двумерной модели построения, предложенной Ли и Аарон-соном, критическая форма ядра обратно преобразованного аустенита должна отвечать требованию минимизации энергии зарождения.

Обратно преобразованный аустенит, образованный на границе раздела планки, обычно согласуется с ориентацией исходных аустенитовых зерен, а α'/γ интерфейс ядра поддерживает отношение K-S с обеими сторонами матрицы мартенсита, в то время как исходная граница аустенитового зерна Аустенитное ядро поддерживает только отношение K-S с матрицей с одной стороны.

Таким образом, обратно преобразованный аустенит на границе исходного аустенитового зерна будет образовывать сферическую форму из-за того, что он обернут когерентными и некогерентными границами и разницей в поверхностной энергии и упругой энергии деформации на двух сторонах границы, в то время как на рейке обратно преобразованный аустенит имеет тенденцию образовывать вытянутую игольчатую морфологию.

Увеличение содержания обратно трансформированного аустенита может улучшить пластичность и ударную вязкость материала, в то время как слишком много обратно трансформированного аустенита часто приводит к ухудшению пределов текучести стали.

Schnitzer et al. соответственно рассчитали влияние усиления фазы NiAl и аустенита фазы закалки обратного превращения на общую предел текучести в PH13-8Mo, а снижение пределов текучести на 40% после обработки старения было связано с высоким содержанием аустенита обратного превращения, остальное связывают с огрублением фазы NiAl.

Поэтому в случае, когда требуется высокая ударная вязкость, следует использовать более высокую температуру старения для увеличения содержания обратно трансформированного аустенита, но ценой потери прочности материала. Кроме того, некоторые исследования также обнаружили неблагоприятное влияние обратно трансформированного аустенита на пластичность. Например, результаты Viswanathan et al. показали, что улучшение пластичности за счет обратно трансформированного аустенита происходит только на ранней стадии старения, а длительное время также вызовет серьезную хрупкость материала. перелом.


Подверженность исследованиям водородного охрупчивания и коррозии под напряжением

По мере повышения уровня прочности высокопрочные стали становятся более чувствительными к коррозионному растрескиванию под напряжением (коррозионное растрескивание под напряжением, SCC) и водородному охрупчиванию (водородное охрупчивание, HE). В частности, когда загрязняющие или коррозионные компоненты газа и атомы H действуют на высокопрочную сталь в сочетании с напряжением, очень легко вызвать инициацию трещины и постепенно расширяться до растрескивания.

Этот вид разрушения является основным режимом разрушения высокопрочных стальных конструкционных деталей, служащих в агрессивных средах, вызывая огромные угрозы безопасности и потери имущества.

Восприимчивость к водородному охрупчиванию

Диффузный водород является основным фактором, вызывающим потерю пластичности стали. Любая мера, которая снижает подвижность диффузного водорода, может эффективно повысить устойчивость материалов к охрупчиванию водорода.

Сильные водородные ловушки позволяют значительно увеличить содержание перенасыщенного водорода, поглощаемого сталью, тем самым делая поступающий в матрицу водород безвредным.

Вышеуказанная точка зрения была подтверждена в определенной степени при наблюдении водородно-индуцированного замедленного разрушения высокопрочной стали, то есть, когда высокопрочная сталь находится под действием статического напряжения ниже ее прочности на растяжение, она будет подвергаться мгновенному хрупкому разрушению после периода службы. Сбой под статической нагрузкой обусловлен вторжением атомов H в матрицу.

В качестве основной фазы упрочнения и фазы закалки в стали большое количество дисперсных частиц укрепления второй фазы и обратно трансформированного аустенита, осажденных во время старения, можно рассматривать как важные водородные ловушки в стали.

Многие исследования были сосредоточены на регулировании количества и плотности «доброкачественных водородных ловушек» (доброкачественных гидрогенных ловушек) в стали путем термической обработки для предотвращения диффузии H в материале, тем самым улучшая устойчивость материала к чувствительности к водородному охрупчиванию.

Большое количество исследований показало, что карбиды являются типичными «доброкачественными водородными ловушками» в стали и могут эффективно увеличивать восприимчивость стали к водородному охрупчиванию. Например, путем сфероидизации частиц цементита или рафинирования цементита путем быстрого нагрева до температуры отпуска после формования и охлаждения в однофазной области аустенита можно эффективно улучшить устойчивость стали к восприимчивости к водородному охрупчиванию.

Кроме того, путем добавления микросплавных элементов, таких как Ti, V и Nb, в стали образуются карбиды, такие как TiC, VC и NbC, которые могут быть использованы в качестве эффективных водородных ловушек. Takahashi et al. использовали APT для непосредственного наблюдения за тем, что ловушки TiC и V4C3 захватывают атомы дейтерия. H в основном находится в ловушке на интерфейсе между TiC и матрицей, в то время как места ловушки в V4C3 в основном являются основными позициями неподходящих дислокаций на полукогерентном интерфейсе. С помощью расчетов первых принципов и анализа конечных элементов дополнительно подтверждается, что для осадков TiC интерфейс TiC-матрицы является основной водородной ловушкой, в то время как углеродные вакансии являются основными участками ловушки в V4C3.

Существует мало сообщений об интерметаллических соединениях и богатых элементами фазах в качестве водородных ловушек.

Недавно Li et al. сравнили поведение водородного охрупчивания стали 17-4PH и стали PH13-8Mo для последней ступени лопаток паровых турбин. Результаты исследований показали, что тип осадков в стали и кристаллографическая зависимость между мартенситной матрицей и осадками, является основной причиной того, что сталь PH13-8Mo имеет более высокий коэффициент кажущейся диффузии водорода и более низкую кажущуюся растворимость водорода, чем сталь 17-4PH.

По сравнению с когерентной фазой β-NiAl в стали PH13-8Mo, в стали 17-4PH имеется богатая Cu фаза, некогерентная с матрицей, которая обладает более сильной способностью захватывать атомы H. Это связано с тем, что радиус октаэдрического промежутка богатой Cu фазы составляет 0,0529 нм, что примерно в два раза превышает радиус (0,0206 нм) октаэдрического промежутка фазы βNiAl.

Более того, по сравнению с когерентным интерфейсом между фазой β-NiAl и матрицей, некогерентный интерфейс между фазой, богатой Cu, и матрицей может захватывать больше атомов H.

Кроме того, ядро неисправной дислокации на когерентной границе раздела и менее искаженная решетка, прилегающая к ядру, являются слабыми водородными ловушками, а энергия детреппинга водорода в некогерентной осажденной фазе выше, чем у когерентной дислокации. Энергия десорбции осажденной фазы решетки.

По сравнению с мартенситной матрицей скорость диффузии Н в остаточном (или обратном превращении) аустените ниже (скорость диффузии в аустените: 10-15~10-16м2/с, в мартенсите Скорость диффузии: 10-10~10-12м2/с), а растворимость Н в аустените выше, чем в мартенсите. Кроме того, энергия закрепления аустенита для H может достигать 55 кДж / моль, что делает его необратимым местом ловушки H.

Однако влияние аустенита в сталях различных систем относительно восприимчивости материала к водородному охрупчиванию до сих пор широко обсуждается. Некоторые результаты показывают, что обратно трансформированный аустенит и тонко удерживаемый аустенит в стали могут эффективно предотвращать диффузию H в матрице, тем самым улучшая устойчивость стали к восприимчивости к водородному охрупчиванию.

Напротив, некоторые ученые отметили, что атомы H, растворенные в аустените, могут уменьшить его энергию замыкания, что делает эффект TRIP более вероятным, и новый мартенсит в качестве «источника водорода» высвободит атомы H, что приведет к хрупкости материала.

Fan et al. сообщили о влиянии обратно трансформированного аустенита на поведение водородного охрупчивания мартенситной нержавеющей стали S41500 (номинальный состав 0,04C-13Cr-4,1Ni-0,6Mo-0,7Mn, %). В обратно преобразованном аустените Ni отсутствует обогащение атомов Н на границе раздела аустенит/мартенсит и аустенит/карбид.

Результаты наблюдений ТЕА за квазирасщеплением разрушения образца после темперирующей обработки показывают, что путь разрушения проходит вдоль границы раздела между закаленным мартенситом и вновь образованным мартенситом (NFM) под эффектом пластичности, вызванной трансформацией (TRIP), что связано с тем, что большая часть H была захвачена обратным аустенитом вместо сегрегации на границе исходного аустенитового зерна, что снижает стабильность обратного аустенита и способствует мартенситной трансформации.

После того, как произойдет фазовая трансформация, зарождающийся мартенсит будет действовать как источник водорода для высвобождения большого количества атомов H, заставляя большое количество атомов H собираться на окружающей границе раздела, и результирующая морфология разрушения представляет собой квазирасщепление морфологии, а не морфологию межкристаллического разрушения.

Водород-индуцированные трещины обычно зарождаются в планках, изофазных пучках, группах планок и исходных австрийских границах зерен, а затем трещины проходят через пучки планки под действием внешнего напряжения и распространяются вдоль групп планок и исходных австрийских границ зерен.

В высокопрочной нержавеющей стали многие мартенситные многоуровневые структурные интерфейсы (граница исходного аустенитового зерна, граница группы планки мартенсита, граница пучка планки мартенсита и граница планки мартенсита) и границы фазы представляют собой высокопрочную нержавеющую сталь. Одна из причин более высокой восприимчивости к водородному охрупчиванию.

Результаты исследований диффузии водорода и поведения водородного охрупчивания в стали 17-4PH показывают, что сопротивление восприимчивости к водородному охрупчиванию образца твердого раствора выше, чем у образца состояния пикового старения. Это явление в основном связано с богатой Cu фазой и матрицей в образце состояния старения. Фазовая граничная фаза захватывает больше H, и ослабление межфазной связующей силы вызывает хрупкий разрыв заряженного водородом образца в состоянии пикового старения.

С повышением температуры обработки раствора восприимчивость к водородному охрупчиванию и коэффициенту диффузии водорода стали сначала увеличивалась, а затем уменьшалась.

В основном это связано с влиянием температуры раствора на границы зерен исходного аустенита в стали и числовой плотностью осажденных фаз при последующей обработке старения. С повышением температуры раствора исходные зерна аустенита становятся больше и площадь границ зерна увеличивается. уменьшается, но твердая растворимость матрицы для атомов Cu увеличивается, что способствует осаждению богатых Cu фаз во время процесса старения, а увеличение плотности и размера осажденных фаз обеспечивает больше фазовых интерфейсов, которые вместе обеспечивают интерфейс, который может захватывать H.

Очевидно, что восприимчивость к водородному охрупчиванию высокопрочной нержавеющей стали совместно определяется сложной многоуровневой и многофазной структурой в стали. Из-за ограниченности аналитических методов и методов определения характеристик до сих пор трудно количественно определить влияние различных водородных ловушек на восприимчивость к водородному охрупчиванию высокопрочной нержавеющей стали.

Факторы, влияющие на восприимчивость к водородному охрупанию высокопрочных нержавеющих сталей, усиленных различными упрочняющими системами на основе различных уровней прочности, все еще нуждаются в систематическом и глубоком изучении.

Необходимо срочно изучить восприимчивость к водородному охрупчиванию сверхвысокопрочной нержавеющей стали со сложной системой сплавов и многофазным упрочнением муфты.

В настоящее время авторским коллективом разработан новый тип высокопрочной нержавеющей стали 2200 МПа, усиленной многофазным композитным осаждением. ), результаты анализа APT образца двойного старения показаны на рисунке ниже.

Из рисунка видно, что в стали есть очевидные Mo/Cr/C, Mo/Cr и чистые Cr-богатые кластеры. Дальнейший анализ показывает, что осажденные фазы в стали включают интерметаллические соединения, карбиды и фазы, богатые Cr. Прочность достигается путем совместного укрепления трех осадков, а также высокопрочной нержавеющей стали с самым высоким уровнем прочности, о котором сообщалось до сих пор.


Коррозионное растрескивание под напряжением

Отчет об исследовании отказов американских компонентов самолета показывает, что коррозионное растрескивание под напряжением является одной из основных форм внезапных аварий при отказе ключевых несущих компонентов самолета во время эксплуатации.

Большинство шасси окончательно ломаются из-за коррозии под напряжением или усталостного роста трещин.

В настоящее время коррозия под напряжением встречается не только в высокотехнологичных и таких отраслях, как авиационная, аэрокосмическая, энергетическая и химическая промышленность, но и почти во всех широко используемых коррозионностойких сталях и сплавах.

Поэтому анализ механизма коррозионного растрескивания под напряжением сверхвысокопрочной стали и факторов, влияющих на коррозию под напряжением сверхвысокопрочной стали, имеет большое научное значение и практическое значение для определения мер защиты от коррозии от коррозии сверхвысокопрочной стали.

Коррозионная стойкость материалов стала важным фактором, ограничивающим коррозионное растрескивание высокопрочных сталей под напряжением, а точечная коррозия является наиболее распространенной и наиболее вредной формой коррозии.

Большая часть коррозионного растрескивания под напряжением происходит в результате точечных ям. При обработке старения сверхвысокопрочной нержавеющей стали осажденные фазы, осажденные из пересыщенной мартенситной матрицы, вызывают неоднородность микроструктуры. Первичный источник точечной коррозии.

Пассивационная пленка вблизи осажденной фазы относительно слабая, а интрузия Cl вызывает разрушение пассивной пленки, а между осажденной фазой и матрицей образуется микробатарейка, тем самым растворяя матрицу, отшелушивая осажденную фазу и образуя точечную коррозию. Например, cr-богатый карбид M23C6, M6C и интерметаллическое соединение laves phase и σ легко образуют вокруг себя Cr-бедную область, что приводит к возникновению точечной коррозии.

Luo et al. и Yu Qiang изучили влияние времени старения на микроструктуру и электрохимическое поведение сверхвысокопрочной нержавеющей стали 15-5PH с помощью трехмерной атомной зондовой томографии.

Богатые Cu кластеры и наночастицы (Cu,Nb) наблюдались, когда время старения варьировалось от 1 до 240 мин. По сравнению с кратковременной обработкой старения, поверхность образцов после длительного лечения старения была более восприимчива к атаке Cl.

После выдержки в течение 240 минут содержание Cr вокруг осадков также уменьшится, и эти части склонны к образованию Cr-бедных областей. Снижение соотношения Cr/Fe в пассивационной пленке является причиной снижения коррозионной стойкости пассивационной пленки.

Кроме того, непрерывное осаждение богатых Cr карбидов на границах зерен снизит межкристаллитную коррозионную стойкость стали. Например, исследования показали, что нержавеющая сталь AISI316Ti имеет более высокую устойчивость к межкристаллитной коррозии, чем нержавеющая сталь AISI321. Причина в том, что осаждение TiC уменьшает образование богатых Cr карбидов, которые являются осадками, которые приводят к межкристаллитной коррозии. одна из вещей.

Как наиболее важная пластичная фаза в высокопрочной нержавеющей стали, содержание, морфология, размер и стабильность аустенита также будут влиять на подверженность коррозии под напряжением стали.

В случае того же размера, формы и стабильности, по мере увеличения содержания аустенита, порог коррозионного растрескивания под напряжением (KISCC) увеличивается, а чувствительность стали к коррозионному растрескиванию под напряжением снижается.

Причина в том, что пленкоподобная аустенитовая структура, образующаяся на границе мартенситной планки, улучшает ударную вязкость стали и снижает скорость роста трещин, вызванных водородом. Существует две основные причины снижения скорости роста трещин:

Когда трещина распространяется от матрицы мартенсита к пленкоподобному аустенуту, продолжает ли она расширяться в аустенит или изменяет направление расширения, чтобы обойти структуру аустенита, она будет потреблять много энергии, что приводит к снижению скорости роста трещины, повышенной коррозионной стойкости под напряжением;

Как упоминалось выше, H имеет более высокую растворимость твердого тела и более низкую тенденцию сегрегации в структуре аустенита, а скорость диффузии H в аустените намного меньше, чем в структуре мартенсита, что является высоким Полезными водородными ловушками в высокопрочной нержавеющей стали приводят к снижению восприимчивости к водородному охрупчиванию в передней части трещины, что, в свою очередь, снижает скорость роста трещин и повышает подверженность коррозии под напряжением.

Следует отметить, что стабильность аустенита также является ключевым параметром для определения подверженности стали коррозии под напряжением. После того, как стресс или деформация вызывает мартенситную трансформацию, свежий мартенсит, преобразованный из аустенита, не может подавить рост трещины. Он также будет служить новым источником диффузии водорода для повышения восприимчивости к водородному охрупчиванию стали.

Таким образом, прочность, ударная вязкость, коррозия под напряжением и восприимчивость стали к водородному охлаждению зависят от сложной многоуровневой многофазной структуры, а традиционный метод проб и ошибок используется для проектирования и производства сверхвысокопрочной стали со сверхвысокой прочностью, ударной вязкостью и отличными эксплуатационными характеристиками. Нержавеющая сталь сложная, цикл длинный, а стоимость высокая.

По сравнению с методом проб и ошибок, рациональный метод проектирования, такой как создание серии многомасштабных аналитических моделей прочности и ударной вязкости, коррозионных характеристик под напряжением и производительности водородного охрупчивания, таких как «атомный размер-наноразмер-микромасштаб», будет более целенаправленным. Установить стандарты проектирования для высокопрочной нержавеющей стали с помощью результатов анализа моделирования, оптимизировать форму, размер и содержание осажденных фаз, мартенситных и аустенитных конструкций в стали и далее сочетать многомасштабное моделирование с фактическими процессами разработки материалов, что значительно снизит сложность в исследованиях и разработках материалов, уменьшая затраты и сокращая цикл исследований и разработок.


Outlook

Как металлический конструкционный материал с отличной прочностью, ударной вязкостью и безопасностью обслуживания, высокопрочная нержавеющая сталь имеет широкие перспективы применения в областях авиации, аэрокосмической, океанической инженерии и атомной промышленности в будущем.

Учитывая суровые условия применения этого типа стали, исследование нового поколения высокопрочной нержавеющей стали должно не только сосредоточиться на дальнейшем преодолении узкого места соответствия сверхвысокой пластичности и ударной вязкости, но и учитывать отличную безопасность обслуживания.

В процессе проектирования сплавов и составления процесса термообработки традиционный метод проб и ошибок постепенно переходит к рациональным методам проектирования, таким как проектирование сплавов с термической / кинетической поддержкой, машинное обучение искусственного интеллекта и т. Д., Чтобы значительно улучшить цикл разработки новых высокопрочных коррозионно-стойких сплавов, сэкономить затраты на НИОКР.

Исследования механизма упрочнения и упрочнения высокопрочной нержавеющей стали по-прежнему нуждаются в дальнейшем углубленном изучении, особенно в понимании поведения частиц второй фазы осаждения для многофазного композитного упрочнения и суперпозиции значений вклада усиления.

Исследования влияния содержания аустенита, размера, морфологии и стабильности в стали на ударную вязкость высокопрочной нержавеющей стали являются относительно достаточными, но не было создано эффективной математической модели для количественной оценки ее вклада в ударную вязкость этой стали.

Кроме того, необходимо срочно решить исследования механизма коррозионного растрескивания под напряжением и восприимчивости к водородному охрупчиванию сверхвысокопрочной высокопрочной нержавеющей стали при сложной упрочняющей системе, чтобы обеспечить теоретическую основу для конструкции долговечности сверхвысокопрочной высокопрочной нержавеющей стали.

Copyright © 2023 Manufacturers.Best