Ultra Yüksek Çekme Dayanımlı Paslanmaz Çelik

Ocak 11, 2023

Anahtar Kelimeler: ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çelik, güçlendirme ve sertleştirme mekanizması, hidrojen gevrekleşmesi, stres korozyonu, çökelmiş faz, ters dönüştürülmüş östenit

Yüksek Mukavemetli Paslanmaz Çelik Uygulaması

Yüksek mukavemetli paslanmaz çelik, havacılık, deniz mühendisliği ve enerji alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır, örneğin:

  • Uçağın ana taşıyıcı üyesi
  • raptiye
  • uydu jiroskopu
  • uzay gemisi kabuğu
  • Açık deniz petrol platformu
  • otomobil endüstrisi
  • nükleer enerji endüstrisi
  • Dişli ve Rulman İmalatı

Yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin gelişim tarihi

  • Yüksek performanslı korozyona dayanıklı yapısal çelik için havacılık ve deniz mühendisliğinin ihtiyaçlarını karşılamak için, Amerikan Carnegie Illionois Steel Company, 1946'da ilk nesil martensitik çökeltme sertleştirme paslanmaz çeliğini başarıyla geliştirdi - Paslanmaz W.
  • Paslanmaz W çelik alaşım sistemi temelinde, Cu ve Nb elemanları eklenir ve Al ve Ti elemanları çıkarılır. Amerika Birleşik Devletleri'nin Arm-co Çelik Şirketi, 1948'de 17-4PH çeliği geliştirdi. İyi mukavemeti, tokluğu ve korozyon direnci nedeniyle, sadece F-15 uçak iniş takımı bileşenlerinde değil, aynı zamanda bağlantı elemanlarının ve motorların üretiminde de yaygın olarak kullanılmaktadır. parçalar, ancak soğuk deformasyon kabiliyeti zayıftır. Enine mekanik özelliklere elverişsiz olan yüksek sıcaklık δ-ferriti azaltmak için, ferrit oluşturan eleman Cr'nin içeriğini azaltarak ve Ni elemanının içeriğini artırarak, 17-4PH çeliğinin enine sünekliğinin üstesinden gelen 15-5PH çelik geliştirilmiştir Kötü eksiklikler, gemilerin ve sivil uçakların ve diğer yük taşıyıcı bileşenlerin imalatında kullanılmıştır.
  • 1960'ların başında, International Nickel Corporation maraging çeliğini icat etti ve yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin geliştirilmesi için maraging güçlendirme kavramını tanıttı, böylece paslanmaz çeliğin geliştirilmesinin perdesini açtı.
  • 1961 yılında, Amerikan Marangoz Teknoloji Şirketi ilk olarak Mo içeren maraging paslanmaz çelik Custom450'yi geliştirdi.
  • 1967 ve 1973'te Pyromet X-15 ve Pyromet X-12 art arda geliştirildi. Bu dönemde, Amerika Birleşik Devletleri ayrıca AM363, In736, PH13-8Mo, Unimar CR, vb.
  • Martin ve arkadaşları, sırasıyla 1997 ve 2003 yıllarında Custom465 ve Custom475 çeliklerinin buluş patentlerini aldılar ve bunları sivil havacılık uçaklarında uyguladılar.
  • İngiltere, FV448, 520, 520 (B) ve 520 (S) gibi yüksek mukavemetli paslanmaz çelik kaliteleri geliştirmiştir.
  • Almanya, 1967 ve 1971'de Ultrafort401, 402 ve benzerlerini geliştirdi.
  • Amerikan çelik kalitelerini taklit etmenin ve geliştirmenin yanı sıra, eski Sovyetler Birliği de bağımsız olarak bir dizi yeni çelik kalitesini araştırdı. Yaygın çelik kaliteleri arasında 0Х15Н8Ю, 0Х17Н5М3, 1Х15Н4АМ3, 07Х16Н6, vb. ve 00Х12К14Н5М5Т, 00Х14К14Н4М3Т gibi daha yüksek Co içeriğine sahip çelik kaliteleri bulunur.
  • 2002 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nden QuesTek, ABD Savunma Bakanlığı'nın Stratejik Çevre Araştırma ve Geliştirme Programı'nın (SERDP) kirlilik önleme projesini üstlendi. Malzeme Genom Projesi aracılığıyla, uçak iniş takımları için yeni bir ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çelik Ferrium® S53 türü tasarladı ve geliştirdi ve 2008'in sonunda yayınladı. AMS5922 Havacılık ve Uzay Standardı, Ferrium®S53 yaklaşık 1930 MPa mukavemete ve 55 MPa m1/2'den fazla kırılma tokluğuna (KIC) sahiptir. 2017 yılında Amerika Birleşik Devletleri'ndeki MMPDS omurga malzemesi el kitabına eklenmiştir. Bu materyal Amerika Birleşik Devletleri'nde A-10'a başarıyla uygulanmıştır. Savaş uçakları ve T-38 uçakları, yeni nesil taşıyıcı tabanlı uçakların iniş takımları için tercih edilen malzemelerdir.

Ultra yüksek dayanımlı paslanmaz çeliğin araştırma ilerlemesi

Ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin iyi özellikleri esas olarak ultra yüksek mukavemet, mükemmel plastisite ve tokluk, mükemmel korozyon direnci, stres korozyon direnci ve korozyon yorulma performansını içerir.

Aşağıdakiler, ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin bu özelliklerini keşfetme ilerlemesidir.

Yüksek mukavemetli paslanmaz çelikte alaşım tasarımı ve güçlendirme aşamaları

Ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin tipik oda sıcaklığı yapıları şunları içerir:

1. İnce çıta martensit matrisi

Çıta martensit, kendi yüksek çıkık yoğunluğu nedeniyle yüksek mukavemete sahiptir.

2. Uygun miktarda kalıntı (veya ters dönüşüm) östenit

Metastabil artık (ters dönüşüm) östenit, çatlak ucundaki stres konsantrasyonunu hafifletebilir ve malzemenin tokluğunu artırabilir.

3. Yağış güçlendirme fazı dağınık olarak dağılmış

Yaşlanma tedavisi sırasında çökelen nano ölçekli güçlendirme aşaması, çeliğin mukavemetini daha da artırabilir. Çökeltilmiş fazın alaşım bileşimine göre, karbür (MC, M2C), intermetalik bileşik (NiAl, Ni3Ti) ve element Zenginleştirilmiş faz (ε faz, α fazı) vb. Ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çelikte, çökeltilmiş fazın güçlendirme potansiyeli, çökeltilmiş fazın doğasına ve boyutuna, sayı yoğunluğuna, hacim fraksiyonuna ve mekansal dağılımına bağlıdır. Optimum performansın elde edilip edilemeyeceği, esas olarak çökeltilmiş fazın çökeltme davranışının termal ve kinetik özelliklerinin kontrolüne bağlıdır ve daha sonra alaşım bileşiminin düzenlenmesine ve ısıl işlem işleminin formülasyonuna rehberlik eder.


Kimyasal bileşim ve mekanik özellikler arasındaki ilişki üzerine araştırmalar

Cr

Ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin bileşimini tasarlarken, çeliğin iyi korozyon direncine sahip olmasını sağlamak için, genel çelikteki Cr içeriği% 10'dan fazla olmalıdır ve Cr ayrıca martensitik dönüşüm sıcaklığını azaltan bir elemandır.

Ni

Ni, paslanmaz çeliğin potansiyelini ve pasivasyon eğilimini artırabilir, çeliğin korozyon direncini artırabilir, çeliğin plastisitesini ve tokluğunu, özellikle de düşük sıcaklıkta çeliğin tokluğunu artırabilir ve Ni ayrıca güçlendirici bir η-Ni3Ti fazı oluşturacaktır.

Mo

Mo ilavesi esas olarak ikincil sertleşme etkisini arttırmaktır. Yaklaşık% 2 Mo, çeliğin farklı çözelti işleme koşulları altında yüksek bir sertlik sağlamasına neden olabilir ve yaşlanma işlemi sırasında çökelen Mo bakımından zengin çökeltiler güçlendirici bir rol oynar. Çeliğin iyi tokluğu korumasını sağlayın ve Mo, paslanmaz çeliğin deniz suyu korozyon direncini de artırabilir.

Co

Co, martensitte çıkık alt yapısının geri kazanımını inhibe edebilir, çökelti oluşumu için daha fazla nükleasyon bölgesi sağlayabilir, α-Fe'de Mo'nun çözünürlüğünü azaltabilir ve Mo içeren çökeltilerin oluşumunu teşvik edebilir.

Ti

Çeliğe az miktarda Ti eklenmesi, çeliğin mukavemetini önemli ölçüde artıracaktır, ancak aşırı ekleme, çeliğin tokluğunu azaltacaktır.

Tipik ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin kimyasal bileşimi ve mekanik özellikleri aşağıdaki tabloda gösterilmiştir:

15-5PH çelik

Birinci nesil yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin tipik bir temsilcisi olarak, 15-5PH çeliğin alaşım özellikleri şunlardır:

  • Çeliğin korozyon direncini sağlamak için yaklaşık% 15 Cr kullanılır;
  • Yaklaşık% 5'lik Ni içeriği, deneyde kullanılan çeliğin Cr-Ni eşdeğerini dengeleyebilir, böylece çelik oda sıcaklığında martensitik bir yapı elde edebilir ve aynı zamanda çelikteki δ ferriti azaltabilir;
  • Yaklaşık% 4 Cu eklemek güçlendirici bir rol oynar;
  • Az miktarda Nb, tane sınırlarını sabitleme ve taneleri rafine etme rolünü oynayan C ile MC fazını oluşturabilir.
  • 550 °C'de yaşlanma tedavisinden sonra, martensit matrisi üzerinde çökelmiş fcc yapısına sahip çok sayıda Cu-zengin faz ve Cu-zengin faz ile martensit matrisi arasındaki oryantasyon ilişkisi, K-S ilişkisini (111)Cu//(011)M, [11ˉ0] Cu//[11ˉ1]M'yi tatmin eder.

Habibi-Bajguirani ve ark. tarafından yapılan çalışmalar, yaşlanma sürecinde 15-5PH çelikte iki farklı tipte Cu çökeltisi olduğunu göstermiştir. 500 °C'nin altında yaşlanıldığında öncelikle bcc yapısına sahip küme parçacıkları oluşacaktır. Bu küme Daha sonra bir 9R yapısına dönüşecek ve sonunda bir fcc çökeltilmiş fazına dönüşecektir. Çökeltilmiş faz ekstraktının X-ışını mikroanaliz sonuçları, bu çökeltilmiş fazın aslında Cu-bakımından zengin bir faz olduğunu göstermektedir. 650 ~ 700 ° C'de yaşlandığında, fcc Cu-zengin faz ilk başta matris ile tutarlı bir ilişki sürdürür ve daha sonra yarı tutarlı bir K-S ilişkisine dönüşür.

PH13-8Mo

İkinci nesil yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin tipik bir temsilcisi olan PH13-8Mo, düşük karbonlu bir alaşım tasarımını benimser ve özellikleri şunlardır:

  • Çeliğin korozyon direncini sağlamak için yaklaşık% 13 Cr kullanılır;
  • Yaklaşık% 8 Ni, Schaeffler diyagramında düşük karbonun neden olduğu Cr-Ni eşdeğer dengesizliğini telafi edebilir, δ-ferrit içeriğini azaltabilir ve çeliğin çıta martensitik yapı elde etmesini sağlayabilir;
  • % 1 Al eklenmesi, çelikte bir güçlendirme fazı oluşturabilir ve matrisin güçlendirilmesinde rol oynayabilir.

Schober ve ark. yaşlanma sürecinde Ti elementinin çökeltilerin evrimi üzerindeki etkisini incelemişlerdir:

  • Ti elemanı eklenmeden PH13-8Mo çelikte, çökeltilmiş faz sadece NiAl fazıdır.
  • Ti elemanı eklendikten sonra, çelikteki çökeltilmiş fazlar G fazı ve η fazıdır. Düzenli intermetalik bileşik NiAl, yaşlanma tedavisinin ilk aşamasında Ti elemanı eklenmeden PH13-8Mo çeliğinde çökeltilir. Yaşlanma süresinin uzamasıyla birlikte, NiAl fazındaki alaşım elementleri yavaş yavaş stokiyometrik dengeye eğilimlidir ve sertlik maksimum değere ulaşır. Ti eklenmiş çelikte, yaşlanma işleminin ilk aşamasında çelikte Ni, Si, Al ve Ti bakımından zengin bir çökeltme fazı çökeltilir ve çeliğin sertliği şu anda maksimuma ulaşır. Yaşlanma süresinin uzaması ile birlikte çelikte elipsoidal Ni16Si7Ti6-G fazı ve kısa çubuk şeklinde Ni3(Ti, Al)-η fazı oluşacaktır.

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

Li ve ark., 1900 MPa'ya kadar mukavemete sahip Cr-Ni-Co-Mo bazlı martensitik çökeltme sertleştirici paslanmaz çelik üzerinde çalışmış ve ultra yüksek mukavemetin, çoklu güçlendirme fazlarının kompozit güçlendirilmesi nedeniyle elde edildiğine inanmışlardır.

Çeliğin nominal bileşimi 0.004C-13.5Cr-12.7Co-3.3Mo-4.4Ni-0.5Ti-0.2Al'dir (atomik fraksiyon% ).

Çelikte temel olarak üç çeşit çökeltilmiş faz vardır: η-Ni3 (Ti, Al) fazı, Mo-zengin R' fazı ve Cr-zengin α' fazı. Bu çökelmiş fazlar, sırasıyla yaşlanmanın erken aşamasında Ni-Ti-Al-zengin, Mo-zengin ve Cr-zengin küme parçacıklarından dönüştürülür. Yaşlanma sürecinde, η-Ni3 (Ti, Al) fazı, Mo-zengin R' fazının ve Cr-zengin α' fazının ayrılması nedeniyle yavaş büyür.


Alaşım tasarımı için yeni bir hesaplama modeli

Yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin geliştirilmesi perspektifinden bakıldığında, mukavemet seviyesi arttıkça, tek bir güçlendirme fazının güçlendirilmesi yavaş yavaş çok fazlı kompozit güçlendirmeye dönüşür. Tek tip çökeltilmiş fazın güçlendirilmesi ile karşılaştırıldığında, kompozit güçlendirme çelik mukavemetinin daha da iyileştirilmesi için daha elverişlidir.

Bununla birlikte, alaşım bileşiminin ve yaşlanma sisteminin farklı tipte çökelmiş fazların çökelmesi ve büyüme davranışı üzerindeki etkisi oldukça farklıdır. Farklı alaşım bileşimlerinin ve ısıl işlem sistemlerinin yeni çelik kaliteleri tasarlarken farklı ve çeşitli çökeltili fazlar elde edebileceği göz önüne alındığında, geleneksel deneme-yanılma deneyleri ve veri birikimine dayalı yapay sinir ağı simülasyonları kullanılarak alaşım tasarım sürecinde hala eksiklikler vardır. Yeni bir tür fiziksel metalurji tabanlı modele acilen ihtiyaç duyulmaktadır.

Örneğin, Xu ve ark. ve Parn ve ark. alaşım bileşimi için makine öğrenimi tabanlı bir hesaplama modeli önerdi. Bu model, alaşım bileşimini ve ilgili ısıl işlem parametrelerini entegre ederek, istenen özelliklerin genetik bir çerçeve içinde gelişmesini sağlar. Bu model, güçlendirme aşaması olarak MC karbür ile ultra yüksek mukavemetli çelik tasarımına uygulanır. Ayrıca Cu kümeleri, Ni3Ti ve NiAl çökeltilmiş fazlar için de uygundur. MC karbür, zengin Cu fazı ve Ni3Ti intermetalik bileşiği içeren çok tipli bir güçlendirme fazı tasarlamak için de uygulanabilir. Model, alaşım bileşimi tasarımı için daha güvenilir bir yol sağlayan çelik mekanik özellikleri, korozyon direnci ve mikroyapı gibi ilgili parametrelerin simülasyonunu içerir.


Sertleştirme Aşaması ve Sertleştirme Mekanizması

Ters dönüştürülmüş östenitin yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin tokluğu üzerindeki etkisi, morfolojisi, içeriği, dağılımı ve kararlılığı ile yakından ilgilidir.

Özellikleri, ısıl işlem işleminin ısıtma hızı, izotermal sıcaklığı ve zamanı, östenit oluşturucu elemanların difüzyonu ve ayrışması, östenitin çekirdeklenme konumu ve büyüklüğü ve matristeki çıkık yoğunluğundan etkilenir.

Mevcut çalışmalar, ters dönüştürülmüş östenit oluşumu için üç mekanizma olduğunu göstermiştir,

  • Difüzyonsuz kesme ters çevirme mekanizması,
  • varyant kısıtlama mekanizması,
  • Östenit büyüme mekanizmasını korudu.

Kesme mekanizması, difüzyonsuz kesme mekanizmasının östenitten martensit'e ters işleminden kaynaklanır. Orijinal östenit ile belirli bir kristal derece faz ilişkisini koruyan martensit tarafından oluşturulan ters dönüştürülmüş östenit ve orijinal östenit aynı faz ilişkisini sürdürür.

Modifikasyon kısıtlama mekanizması, difüzyon tarafından kontrol edilen ters dönüştürülmüş östenit oluşumu sırasında, çekirdeklenme pozisyonunun orijinal östenit, karbür ve matris ile belirli bir kristalografik faz ilişkisini kesinlikle koruyacağına ve böylece ters dönüştürülmüş östenitin dönüşümünü sınırlayacağına işaret etmektedir. Varyant türleri. Tutulan östenitin büyüme mekanizması, söndürmeden sonra martensitik çelikteki artık östenitin, sonraki temperleme işleminde östenit stabilize edici elemanların difüzyonu yoluyla büyümeye devam edeceğine ve böylece daha fazla "dönüşümün tersine çevrileceğine" inanmaktadır. "Yeni östenitik örgüt için.

0Cr13Ni4Mo martensitik paslanmaz çelik üzerine yapılan araştırmalar, karbür (Cr23C6) ve östenitin, östenit dönüşümü başlangıç sıcaklığından (AS) biraz daha yüksek olan iki fazlı bölgede temperleme sırasında birlikte çökeldiğini göstermektedir. Karbür, östenit ve arayüzdeki Cr ve Ni elementlerinin dağılımının daha ileri analizi, Cr'nin karbür içindeki ayrışmasının, Ni elementinin östeniti tersine çevirmek için dağılımını teşvik ettiğini ve Ni elementinin zenginleşmesinin östenit oluşumu için kimyasal itici gücü tersine çevirdiğini ve ara yüz enerjisini arttırdığını göstermektedir.

Bu nedenle, Ni-bakımından zengin bölge, temperleme sırasında ters dönüştürülmüş östenitin çekirdeklenme yeri olarak kullanılabilir, yani ters dönüştürülmüş östenit oluşumu, Ni elementinin difüzyonu ile kontrol edilir.

Atomların difüzyonu daha önemli olmasına rağmen, temperleme sıcaklığını daha da artırın, ancak sıcaklıktaki artış nedeniyle, temperlenmiş martensitin östenite dönüşümü için itici güç koşulu yerine getirilmiştir, bu nedenle şu anda ters dönüştürülmüş östenitin oluşum mekanizması yoktur Difüzyonun kesme mekanizması.

Modifikasyon kısıtlama mekanizmasını daha ayrıntılı olarak açıklamak için, Nakada ve ark. ters dönüştürülmüş östenit ile önceki östenit ve martensit matrisi arasındaki kristal derece faz ilişkisini incelemişlerdir. 13Cr-6Ni çeliğinin temperlenmesinden sonra, orijinal bir östenit tanesinde, ters dönüştürülmüş östenit sadece martensit çıta sınırında eşit olarak dağıtılmakla kalmaz, aynı zamanda bloklar ve paketler arasındaki arayüzde ters dönüşüme sahiptir. Dönüştürülmüş östenit ve çoğu orijinal östenit ile aynı oryantasyonu korurken, oryantasyonun küçük bir kısmı orijinal östenitten farklıdır. Önceki bir östenit alışkanlık yüzeyinde ve bir martensit çıta grubunda ters dönüştürülmüş östenit varyantlarının 12 faz ilişkisi olabilir.

K-S ilişkisini takip etme öncülü altında, yakın paketlenmiş düzleme paralel olarak sadece 6 farklı martensit çıta demeti olduğu ve her bir martensit çıta demeti içinde sadece 2 ters dönüşüm östenit demeti olduğu gözlemlenebilir. vücut varyantı.

Bu, {111} γ düzlem ailesindeki östenitin üçlü simetrisi nedeniyle, martensitik bir çıta grubundaki 12 ters dönüştürülmüş östenit varyantının 2 tipe ayrılabileceğini, yani orijinal östenit Yönelimli V1 varyantları ve V1'e ikiz olan V2 varyantları ile aynı olduğunu göstermektedir.

Lee ve Aaron-son tarafından önerilen iki boyutlu yapı modeline göre, ters dönüştürülmüş östenitin kritik çekirdek şekli, çekirdeklenme enerjisinin en aza indirilmesi gereksinimini karşılamalıdır.

Çıta arayüzünde oluşan ters dönüştürülmüş östenit genellikle orijinal östenit tanelerinin oryantasyonu ile tutarlıdır ve çekirdeğin α' / γ arayüzü, martensit matrisinin her iki tarafı ile K-S ilişkisini korurken, orijinal östenit tane sınırı Östenitik çekirdek sadece bir taraftaki matrisle K-S ilişkisini korur.

Bu nedenle, orijinal östenit tane sınırındaki ters dönüştürülmüş östenit, tutarlı ve tutarsız arayüzler tarafından sarılması nedeniyle küresel bir şekil oluşturacak ve sınırın iki tarafındaki yüzey enerjisi ve elastik gerinim enerjisindeki fark, çıtada ise Ters dönüştürülmüş östenit, uzatılmış iğne benzeri morfoloji oluşturma eğilimindedir.

Ters dönüştürülmüş östenit içeriğinin artması, malzemenin plastisitesini ve tokluğunu artırabilirken, çok fazla ters dönüştürülmüş östenit genellikle çeliğin akma dayanımının bozulmasına neden olur.

Schnitzer ve ark. sırasıyla güçlendirme fazı NiAl ve sertleştirme fazı ters transformasyon östenitinin PH13-8Mo'daki genel akma dayanımı üzerindeki etkisini hesapladılar ve yaşlanma tedavisinden sonra akma dayanımındaki% 40'lık azalma, ters transformasyon östenitinin yüksek içeriğine bağlandı, Geri kalanı NiAl fazının kabalaşmasına bağlandı.

Bu nedenle, yüksek tokluğun gerekli olduğu durumlarda, ters dönüştürülmüş östenit içeriğini arttırmak için, ancak malzemenin mukavemetini kaybetme pahasına daha yüksek bir yaşlanma sıcaklığı kullanılmalıdır. Ek olarak, bazı çalışmalar ters dönüştürülmüş östenitin plastisite üzerindeki olumsuz etkisini de bulmuştur. Örneğin, Viswanathan ve ark.'nın sonuçları, plastisitenin ters dönüştürülmüş östenit ile iyileştirilmesinin sadece yaşlanmanın erken aşamasında meydana geldiğini ve uzun sürenin de malzemenin ciddi kırılganlığına neden olacağını göstermiştir. kırık.


Hidrojen Gevrekliğine Duyarlılık ve Gerilme Korozyonu Araştırması

Mukavemet seviyesi arttıkça, yüksek mukavemetli çelikler stres korozyon çatlamasına (stres korozyon çatlaması, SCC) ve hidrojen gevrekleşmesine (hidrojen gevrekleşmesi, HE) karşı daha hassas hale gelir. Özellikle, kirletici veya aşındırıcı gaz bileşenleri ve H atomları stresle birlikte yüksek mukavemetli çelik üzerinde hareket ettiğinde, çatlak başlangıcına neden olmak ve çatlayana kadar kademeli olarak genişlemek çok kolaydır.

Bu tür bir kırılma, aşındırıcı ortamlarda hizmet veren ve büyük güvenlik tehlikelerine ve mülk kayıplarına neden olan yüksek mukavemetli çelik yapısal parçaların ana arıza modudur.

Hidrojen gevrekleşmesine duyarlılık

Diffüzyon hidrojen, çeliğin plastisite kaybına neden olan ana faktördür. Difüzyon hidrojeninin hareketliliğini azaltan herhangi bir önlem, malzemelerin hidrojen gevrekleşmesine karşı direncini etkili bir şekilde artırabilir.

Güçlü hidrojen tuzakları, çelik tarafından emilen aşırı doymuş hidrojen içeriğini önemli ölçüde artırabilir, böylece matrise giren hidrojeni zararsız hale getirebilir.

Yukarıdaki bakış açısı, yüksek mukavemetli çeliğin hidrojen kaynaklı gecikmeli kırılmasının gözleminde bir dereceye kadar doğrulanmıştır, yani yüksek mukavemetli çelik, çekme mukavemetinden daha düşük bir statik stresin etkisi altındayken, bir hizmet süresinden sonra anlık kırılgan kırılmaya maruz kalacaktır. Statik yük altındaki arıza, H atomlarının matrise girmesinden kaynaklanmaktadır.

Çelikte ana güçlendirme fazı ve sertleştirme fazı olarak, yaşlanma sırasında çökelen çok sayıda dağınık ikinci faz güçlendirme partikülü ve ters dönüştürülmüş östenit, çelikte önemli hidrojen tuzakları olarak kabul edilebilir.

Birçok araştırma, H'nin malzemede difüzyonunu önlemek için ısıl işlem yoluyla çelikteki "iyi huylu hidrojen tuzaklarının" (iyi huylu hidrojen tuzakları) sayısını ve yoğunluğunu düzenlemeye odaklanmış ve böylece malzemenin hidrojen gevrekleşmesine karşı direncini arttırmıştır.

Çok sayıda çalışma, karbürlerin çelikte tipik "iyi huylu hidrojen tuzakları" olduğunu ve çeliğin hidrojen gevrekleşmesine duyarlılığını etkili bir şekilde artırabileceğini göstermiştir. Örneğin, sementit parçacıklarını küreselleştirerek veya östenit tek fazlı bölgede oluştuktan ve soğuduktan sonra temperleme sıcaklığına hızla ısıtarak sementiti rafine ederek, çeliğin hidrojen gevrekleşme duyarlılık direnci etkili bir şekilde geliştirilebilir.

Ek olarak, Ti, V ve Nb gibi mikro alaşımlı elementler eklenerek, etkili hidrojen tuzakları olarak kullanılabilen çelikte TiC, VC ve NbC gibi karbürler oluşturulur. Takahashi ve ark., TiC ve V4C3 tuzaklarının döteryum atomlarını yakaladığını doğrudan gözlemlemek için APT'yi kullandılar. H esas olarak TiC ve matris arasındaki arayüzde sıkışıp kalırken, V4C3'teki tuzak bölgeleri esas olarak yarı tutarlı arayüzdeki uyumsuz çıkıkların temel konumlarıdır. İlk prensip hesaplamaları ve sonlu elemanlar analizi yardımıyla, TiC çökelmesi için TiC-matris arayüzünün ana hidrojen tuzağı olduğu, karbon boşluklarının ise V4C3'teki ana tuzak bölgeleri olduğu doğrulanmıştır.

İntermetalik bileşikler ve hidrojen tuzakları olarak element bakımından zengin fazlar hakkında çok az rapor vardır.

Son zamanlarda, Li ve ark., buhar türbini kanatlarının son aşaması için 17-4PH çeliğinin ve PH13-8Mo çeliğinin hidrojen gevrekleşme davranışını karşılaştırdı. Araştırma sonuçları, çelikteki çökeltilerin tipinin ve martensit matrisi ile çökeltiler arasındaki kristalografik ilişkinin, PH13-8Mo çeliğinin 17-4PH çelikten daha yüksek görünür hidrojen difüzyon katsayısına ve daha düşük görünür hidrojen çözünürlüğüne sahip olmasının ana nedenidir.

PH13-8Mo çelikteki tutarlı β-NiAl fazı ile karşılaştırıldığında, H atomlarını yakalamak için daha güçlü bir yeteneğe sahip olan 17-4PH çelikteki matrisle tutarsız bir Cu bakımından zengin faz vardır. Bunun nedeni, Cu-bakımından zengin fazın oktahedral boşluğunun yarıçapının 0.0529 nm olmasıdır, bu da βNiAl fazının oktahedral boşluğunun yarıçapının (0.0206 nm) yaklaşık iki katıdır.

Dahası, β-NiAl fazı ile matris arasındaki tutarlı arayüzle karşılaştırıldığında, Cu-zengin faz ile matris arasındaki tutarlı olmayan arayüz daha fazla H atomunu yakalayabilir.

Ek olarak, tutarlı arayüzdeki uyumsuz çıkığın çekirdeği ve çekirdeğe bitişik daha az çarpık kafes zayıf hidrojen tuzaklarıdır ve tutarsız çökelmiş fazın hidrojen tuzağını çözme enerjisi, tutarlı çıkığınkinden daha yüksektir. Kafesin desorpsiyon enerjisi çökelmiş fazdır.

Martensit matrisi ile karşılaştırıldığında, artık (veya ters transformasyon) östenitte H'nin difüzyon hızı daha düşüktür (östenitte difüzyon hızı: 10-15 ~ 10-16m2 / s, martensit Difüzyon hızı: 10-10 ~ 12-12m2 / s) ve H'nin östenitteki çözünürlüğü martensittekinden daha yüksektir. Ek olarak, H için östenitin sabitleme enerjisi 55kJ / mol'e ulaşabilir ve bu da onu geri dönüşümsüz bir H tuzak bölgesi haline getirir.

Bununla birlikte, östenitin farklı sistemlerin çeliklerinde, malzemenin hidrojen gevrekleşmesine duyarlılığına göre etkisi hala yaygın olarak tartışılmaktadır. Bazı sonuçlar, çelikteki ters dönüştürülmüş östenit ve ince tutulan östenitin, H'nin matriste difüzyonunu etkili bir şekilde önleyebildiğini ve böylece çeliğin hidrojen gevrekleşme duyarlılık direncini artırabildiğini göstermektedir.

Aksine, bazı bilim adamları, östenit içinde çözünen H atomlarının, istifleme hatası enerjisini azaltabileceğini, TRIP etkisinin ortaya çıkma olasılığını artırdığını ve bir "hidrojen kaynağı" olarak yeni martensitin H atomlarını serbest bırakacağını ve malzemenin Kırılgan olmasına neden olacağını belirtti.

Fan ve ark., ters dönüştürülmüş östenitin S41500 martensitik paslanmaz çeliğin hidrojen gevreklik kırılma davranışı üzerindeki etkisini bildirmişlerdir (nominal bileşim 0.04C-13Cr-4.1Ni-0.6Mo-0.7Mn, %). Ni'nin ters dönüştürülmüş östenitinde, östenit/martensit ve östenit/karbür arayüzünde H atomlarının zenginleşmesi söz konusu değildir.

Temperleme işleminden sonra numunenin yarı-bölünme kırığının TEM gözlem sonuçları, kırık yolunun, temperlenmiş martensit ile yeni oluşan martensit (NFM) arasındaki arayüz boyunca, dönüşüme bağlı plastisite (TRIP) etkisi altında olduğunu göstermektedir; bu, H'nin çoğunun orijinal östenit tane sınırında ayrılmak yerine ters östenit tarafından yakalanmış olmasıdır. bu da ters östenitin stabilitesini azaltır ve martensitik dönüşümü teşvik eder.

Faz dönüşümü gerçekleştikten sonra, yeni ortaya çıkan martensit, büyük miktarda H atomunu serbest bırakmak için bir hidrojen kaynağı olarak hareket edecek ve büyük miktarda H atomunun çevre arayüzünde toplanmasına neden olacak ve ortaya çıkan kırık morfolojisi, granüller arası bir kırık morfolojisinden ziyade yarı yarı-bölünme morfolojisidir.

Hidrojen kaynaklı çatlaklar genellikle çıtalarda, izofaz demetlerinde, çıta gruplarında ve orijinal Avusturya tahıl sınırlarında çekirdeklenir ve daha sonra çatlaklar dış gerilimin etkisi altında çıta demetlerinden geçer ve çıta grupları ve orijinal Avusturya tahıl sınırları boyunca yayılır.

Yüksek mukavemetli paslanmaz çelikte, birçok martensitik çok seviyeli yapı arayüzü (orijinal östenit tane sınırı, martensit çıta grubu sınırı, martensit çıta demeti sınırı ve martensit çıta sınırı) ve faz sınırları yüksek mukavemetli paslanmaz çeliktir. Hidrojen gevrekleşmesine karşı daha yüksek duyarlılığın nedenlerinden biri.

17-4PH çelikte hidrojen difüzyonu ve hidrojen gevrekleşme davranışının araştırma sonuçları, katı çözelti durumu örneğinin hidrojen gevrekleşme duyarlılık direncinin, en yüksek yaşlanma durumu örneğininkinden daha yüksek olduğunu göstermektedir. Bu fenomen esas olarak yaşlanma durumu örneğindeki Cu-zengin faz ve matristen kaynaklanmaktadır. Faz sınır fazı daha fazla H yakalar ve ara yüzey bağlama kuvvetinin zayıflaması, hidrojen yüklü numunenin en yüksek yaşlanma durumunda kırılgan kırılmasına neden olur.

Çözelti arıtma sıcaklığının artmasıyla birlikte, 17-4PH çeliğin hidrojen gevrekleşmesine ve hidrojen difüzyon katsayısına duyarlılığı önce artmış ve sonra azalmıştır.

Bunun temel nedeni, çözelti sıcaklığının çelikteki orijinal östenitin tane sınırları üzerindeki etkisinden ve sonraki yaşlanma tedavisi sırasında çökelmiş fazların sayı yoğunluğundan kaynaklanmaktadır. Çözelti sıcaklığının artmasıyla, orijinal östenit taneleri büyür ve tane sınır alanı artar. azalır, ancak Cu atomları için matrisin katı çözünürlüğü artar, bu da yaşlanma işlemi sırasında Cu-bakımından zengin fazların çökelmesini teşvik eder ve çökeltilmiş fazların yoğunluğundaki ve boyutundaki artış, birlikte H'yi yakalayabilen bir arayüz sağlayan daha fazla faz arayüzü sağlar.

Açıkçası, yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin hidrojen gevrekleşmesine duyarlılık, çelikteki karmaşık çok seviyeli ve çok fazlı yapı tarafından ortaklaşa belirlenir. Analitik ve karakterizasyon yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle, çeşitli hidrojen tuzaklarının yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin hidrojen gevrekleşme duyarlılığı üzerindeki etkisini nicel olarak belirlemek hala zordur.

Farklı mukavemet seviyelerine dayanan farklı güçlendirme sistemleri tarafından güçlendirilen yüksek mukavemetli paslanmaz çeliklerin hidrojen gevrekleşme duyarlılığının etkileyen faktörlerinin hala sistematik ve derinlemesine incelenmesi gerekmektedir.

Karmaşık alaşım sistemi ve çok fazlı kaplin güçlendirme ile ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin hidrojen gevrekleşmesine duyarlılığı acilen çalışılmalıdır.

Şu anda, yazarın ekibi, çok fazlı kompozit çökeltme ile güçlendirilmiş yeni bir 2200MPa yüksek mukavemetli paslanmaz çelik türü geliştirmiştir. ), çift yaşlanma örneğinin APT analiz sonuçları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Şekilden çelikte belirgin Mo / Cr / C, Mo / Cr ve saf Cr bakımından zengin kümeler olduğu görülebilir. Daha ileri analizler, çelikteki çökelmiş fazların intermetalik bileşikler, karbürler ve Cr bakımından zengin fazları içerdiğini göstermektedir. Mukavemet, üç çökeltinin birleştirilmiş güçlendirilmesiyle elde edilir ve aynı zamanda şimdiye kadar bildirilen en yüksek mukavemet seviyesine sahip yüksek mukavemetli paslanmaz çeliktir.


Stres korozyon çatlaması

Amerikan uçak bileşeni arıza soruşturma raporu, stres korozyonu çatlamasının, servis sırasında uçağın kilit yük taşıyıcı bileşenlerinin ani arıza kazalarının ana biçimlerinden biri olduğunu göstermektedir.

İniş takımlarının çoğu, stres korozyonu veya yorgunluk çatlağı büyümesi nedeniyle nihayet kırılır.

Şu anda, stres korozyonu sadece yüksek teknoloji ve havacılık, uzay, enerji ve kimya endüstrisi gibi endüstrilerde değil, aynı zamanda yaygın olarak kullanılan hemen hemen tüm korozyona dayanıklı çeliklerde ve alaşımlarda da meydana gelmektedir.

Bu nedenle, ultra yüksek mukavemetli çeliğin stres korozyonu çatlama mekanizmasını ve ultra yüksek mukavemetli çeliğin stres korozyonunu etkileyen faktörleri analiz etmek, ultra yüksek mukavemetli çeliğin stres-korozyon koruma önlemlerini belirlemek için büyük bilimsel değere ve pratik öneme sahiptir.

Malzemelerin korozyon direnci, yüksek mukavemetli çeliklerin stres korozyon çatlamasını sınırlayan önemli bir faktör haline gelmiştir ve çukur korozyonu, korozyonun en yaygın ve en zararlı şeklidir.

Çoğu stres korozyon çatlaması, çukurlaşma çukurlarından kaynaklanır. Ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin yaşlanma tedavisi sırasında, aşırı doymuş martensit matrisinden çökelmiş fazlar mikroyapıda homojensizliğe neden olur. Çukurlaşma korozyonunun birincil kaynağı.

Çökeltilmiş fazın yakınındaki pasivasyon filmi nispeten zayıftır ve Cl'nin girişi pasif filmin tahrip olmasına neden olur ve çökeltilmiş faz ile matris arasında bir mikro pil oluşur, böylece matrisi çözer, çökelmiş fazı pul pul döker ve çukurlaşma korozyonu oluşturur. Örneğin, Cr bakımından zengin karbür M23C6, M6C ve intermetalik bileşik Laves fazı ve σ, etraflarında Cr-fakir bir alan oluşturmak kolaydır ve bu da çukurlaşma korozyonunun ortaya çıkmasına neden olur.

Luo ve ark. ve Yu Qiang, yaşlanma süresinin üç boyutlu atom probu tomografisi kullanarak 15-5PH ultra yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin mikroyapısı ve elektrokimyasal davranışı üzerindeki etkisini inceledi.

Cu bakımından zengin kümeler ve (Cu, Nb) nanopartikülleri, yaşlanma süresi 1 ila 240 dakika arasında değiştiğinde gözlenmiştir. Kısa süreli yaşlanma tedavisi ile karşılaştırıldığında, uzun süreli yaşlanma tedavisinden sonra örneklerin yüzeyi Cl tarafından saldırıya daha duyarlıydı.

240 dakika yaşlandıktan sonra, çökeltilerin etrafındaki Cr içeriği de azalacaktır ve bu parçalar Cr-fakir alanlar oluşturmaya eğilimlidir. Pasivasyon filmindeki Cr / Fe oranının azaltılması, pasivasyon filminin çukurlaşma korozyon direncinin düşmesinin nedenidir.

Ek olarak, Cr bakımından zengin karbürlerin tahıl sınırları üzerindeki sürekli çökelmesi, çeliğin taneler arası korozyon direncini azaltacaktır. Örneğin, çalışmalar AISI316Ti paslanmaz çeliğinin AISI321 paslanmaz çelikten daha taneler arası korozyona karşı daha yüksek dirence sahip olduğunu bulmuştur. Bunun nedeni, TiC'nin çökelmesinin, taneler arası korozyona yol açan çökeltiler olan Cr bakımından zengin karbürlerin oluşumunu azaltmasıdır. şeylerden biri.

Yüksek mukavemetli paslanmaz çelikte en önemli sünek faz olarak, östenitin içeriği, morfolojisi, boyutu ve stabilitesi de çeliğin stres korozyon duyarlılığını etkileyecektir.

Aynı boyut, şekil ve stabilite durumunda, östenit içeriği arttıkça, gerilme korozyon çatlama eşiği (KISCC) artar ve çeliğin stres korozyon çatlama hassasiyeti azalır.

Bunun nedeni, martensitik çıta sınırında oluşan film benzeri östenit yapının çeliğin tokluğunu arttırması ve hidrojen kaynaklı çatlakların büyüme hızını azaltmasıdır. Çatlak büyüme hızındaki düşüşün iki ana nedeni vardır:

Çatlak, martensit matrisinden film benzeri östenite yayıldığında, östenit içine genişlemeye devam edip etmediği veya östenit yapısını atlamak için genleşme yönünü değiştirip değiştirmediği, çok fazla enerji tüketecek ve çatlak büyüme hızı Azalmış, artmış stres korozyon direnci;

Yukarıda belirtildiği gibi, H, östenit yapısında daha yüksek katı çözünürlüğe ve daha düşük ayrışma eğilimine sahiptir ve östenitteki H'nin difüzyon oranı, yüksek olan martensit yapısındakinden çok daha küçüktür Yüksek mukavemetli paslanmaz çelikteki faydalı hidrojen tuzakları, çatlağın önündeki hidrojen gevrekleşmesine duyarlılığın azalmasına neden olur, bu da çatlak büyüme hızını azaltır ve stres korozyonuna duyarlılığı arttırır.

Östenitin stabilitesinin, çeliğin gerilme korozyonuna duyarlılığını belirlemek için de önemli bir parametre olduğu belirtilmelidir. Stres veya gerinim martensitik transformasyona neden olduktan sonra, östenitten dönüştürülen taze martensit çatlak büyümesini baskılayamaz. Ayrıca, çeliğin hidrojen gevrekleşmesine duyarlılığı artırmak için yeni bir hidrojen difüzyon kaynağı olarak da hizmet edecektir.

Özetle, çeliğin mukavemeti, tokluğu, stres korozyonu ve hidrojen gevrekleşmesi duyarlılığı, karmaşık çok seviyeli çok fazlı yapıdan etkilenir ve geleneksel deneme yanılma yöntemi, hem ultra yüksek mukavemet, tokluk hem de mükemmel servis performansı ile ultra yüksek mukavemetli çelik tasarlamak ve üretmek için kullanılır. Paslanmaz çelik zordur, döngü uzundur ve maliyeti yüksektir.

Deneme yanılma yöntemiyle karşılaştırıldığında, mukavemet ve tokluk, stres korozyon performansı ve "atomik boyut-nano ölçek-mikro ölçek" gibi hidrojen gevrekleştirme performansının bir dizi çok ölçekli analiz modelinin oluşturulması gibi rasyonel tasarım yöntemi daha amaçlı olacaktır. Simülasyon analizi sonuçları aracılığıyla yüksek mukavemetli paslanmaz çelik için tasarım standartları oluşturun, çelikteki çökeltilmiş fazların, martensit ve östenit yapıların şeklini, boyutunu ve içeriğini optimize edin ve çok ölçekli simülasyonu, malzeme araştırma ve geliştirmedeki zorluğu büyük ölçüde azaltacak, maliyet girdisini azaltacak ve araştırma ve geliştirme döngüsünü kısaltacak gerçek malzeme geliştirme süreçleriyle birleştirin.


Outlook

Mükemmel mukavemet, tokluk ve servis güvenliğine sahip metal bir yapısal malzeme olarak, yüksek mukavemetli paslanmaz çelik, gelecekte havacılık, uzay, okyanus mühendisliği ve nükleer endüstri alanlarında geniş uygulama beklentilerine sahiptir.

Bu tür çeliğin zorlu uygulama ortamı göz önüne alındığında, yeni nesil yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin keşfi, yalnızca ultra yüksek mukavemetli-mükemmel plastisite ve tokluk eşleştirme darboğazını daha da kırmaya odaklanmakla kalmamalı, aynı zamanda mükemmel servis güvenliğini de dikkate almalıdır.

Alaşım tasarımı ve ısıl işlem süreci formülasyonu sürecinde, geleneksel deneme yanılma yöntemi, yeni yüksek mukavemetli korozyona dayanıklı alaşımların geliştirme döngüsünü büyük ölçüde iyileştirmek, Ar-Ge maliyetlerinden tasarruf etmek için termal/kinetik destekli alaşım tasarımı, yapay zeka makine öğrenimi vb. gibi rasyonel tasarım yöntemlerine kademeli olarak geçmektedir.

Yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin güçlendirme ve sertleştirme mekanizması üzerine yapılan araştırmaların, özellikle çok fazlı kompozit güçlendirme için ikinci faz parçacıklarının çökeltme davranışının anlaşılması ve güçlendirme katkı değerlerinin üst üste binmesi için daha derinlemesine olması gerekmektedir.

Östenit içeriğinin, boyutunun, morfolojisinin ve çelikteki stabilitenin yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin tokluğu üzerindeki etkisi üzerine yapılan araştırmalar nispeten yeterlidir, ancak bu çeliğin tokluğuna katkısını nicel olarak tahmin etmek için etkili bir matematiksel model oluşturulmamıştır.

Ek olarak, karmaşık güçlendirme sistemi altında ultra yüksek mukavemetli yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin stres korozyon çatlama mekanizması ve hidrojen gevrekleşme duyarlılığı üzerine yapılan araştırmaların, ultra yüksek mukavemetli yüksek mukavemetli paslanmaz çeliğin dayanıklılık tasarımı için teorik bir temel sağlamak için acilen çözülmesi gerekmektedir.

Copyright © 2023 Manufacturers.Best