Độ bền kéo cực cao thép không gỉ

Tháng Một 11, 2023

Từ khóa: thép không gỉ cường độ cực cao, cơ chế tăng cường và làm cứng, lún hydro, ăn mòn ứng suất, pha kết tủa, austenite biến đổi ngược

Ứng dụng của thép không gỉ cường độ cao

Thép không gỉ cường độ cao được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, kỹ thuật hàng hải và các lĩnh vực năng lượng, chẳng hạn như:

  • Thành viên mang chính của máy bay
  • bộ móc kẹp
  • con quay hồi chuyển vệ tinh
  • Vỏ tàu vũ trụ
  • Giàn khoan dầu ngoài khơi
  • ngành công nghiệp ô tô
  • Công nghiệp năng lượng hạt nhân
  • Sản xuất bánh răng và vòng bi

Lịch sử phát triển của thép không gỉ cường độ cao

  • Để đáp ứng nhu cầu của hàng không vũ trụ và kỹ thuật hàng hải đối với thép kết cấu chống ăn mòn hiệu suất cao, Công ty Thép Carnegie Illionois của Mỹ đã phát triển thành công thế hệ thép không gỉ làm cứng kết tủa martensitic đầu tiên - Stainless W vào năm 1946.
  • Trên cơ sở hệ thống hợp kim thép không gỉ W, các phần tử Cu và Nb được thêm vào và các phần tử Al và Ti được loại bỏ. Công ty thép Arm-co của Hoa Kỳ đã phát triển thép 17-4PH vào năm 1948. Do sức mạnh tốt, độ dẻo dai và chống ăn mòn, nó không chỉ được sử dụng trong các bộ phận thiết bị hạ cánh của máy bay F-15, mà còn được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ốc vít và động cơ. các bộ phận, nhưng khả năng biến dạng lạnh của nó kém. Để giảm nhiệt độ cao δ-ferrite không thuận lợi cho các tính chất cơ học ngang, bằng cách giảm hàm lượng nguyên tố tạo ferrite Cr và tăng hàm lượng nguyên tố Ni, thép 15-5PH đã được phát triển, khắc phục độ dẻo ngang của thép 17-4PH Những thiếu sót kém, đã được sử dụng trong sản xuất tàu và máy bay dân dụng và các thành phần chịu tải khác.
  • Vào đầu những năm 1960, Tập đoàn Nickel Quốc tế đã phát minh ra thép maraging và đưa ra khái niệm tăng cường maraging để phát triển thép không gỉ cường độ cao, do đó mở ra bức màn phát triển thép không gỉ maraging.
  • Năm 1961, Công ty Công nghệ Thợ mộc Hoa Kỳ lần đầu tiên phát triển thép không gỉ maraging chứa Mo Custom450.
  • Năm 1967 và 1973, Pyromet X-15 và Pyromet X-12 được phát triển liên tiếp. Trong giai đoạn này, Hoa Kỳ cũng liên tiếp phát triển AM363, In736, PH13-8Mo, Unimar CR, v.v.
  • Martin et al đã nhận được bằng sáng chế phát minh của thép Custom465 và Custom475 lần lượt vào năm 1997 và 2003, và áp dụng chúng trong máy bay hàng không dân dụng.
  • Vương quốc Anh đã phát triển các loại thép không gỉ có độ bền cao như FV448, 520, 520 (B) và 520 (S).
  • Đức đã phát triển Ultrafort401, 402, v.v. vào năm 1967 và 1971.
  • Ngoài việc bắt chước và cải tiến các loại thép của Mỹ, Liên Xô cũ cũng độc lập nghiên cứu một loạt các loại thép mới. Các loại thép phổ biến bao gồm 0Х15Н8Ю, 0Х17Н5М3, 1Х15Н4АМ3, 07Х16Н6, v.v., cũng như các loại thép có hàm lượng Co cao hơn, chẳng hạn như 00Х12К14Н5М5Т, 00Х14К14Н4М3Т, v.v.
  • Năm 2002, QuesTek của Hoa Kỳ đã thực hiện dự án ngăn ngừa ô nhiễm của Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Môi trường Chiến lược (SERDP) của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ. Thông qua Dự án bộ gen vật liệu, nó đã thiết kế và phát triển một loại thép không gỉ mới có độ bền cực cao Ferrium® S53 cho thiết bị hạ cánh máy bay, và xuất bản nó vào cuối năm 2008. Tiêu chuẩn hàng không vũ trụ AMS5922, Ferrium®S53 có độ bền khoảng 1930 MPa và độ bền gãy (KIC) hơn 55 MPa m1 / 2. Nó đã được thêm vào hướng dẫn sử dụng vật liệu xương sống MMPDS ở Hoa Kỳ vào năm 2017. Vật liệu này đã được áp dụng thành công cho A-10 tại Hoa Kỳ. Máy bay chiến đấu và máy bay T-38 là những vật liệu ưa thích cho thiết bị hạ cánh của thế hệ máy bay hoạt động trên tàu sân bay tiếp theo.

Tiến độ nghiên cứu của thép không gỉ cường độ cực cao

Các đặc tính tốt của thép không gỉ có độ bền cực cao chủ yếu bao gồm độ bền cực cao, độ dẻo và độ dẻo dai tuyệt vời, chống ăn mòn tuyệt vời, chống ăn mòn căng thẳng và hiệu suất chống ăn mòn.

Sau đây là tiến trình khám phá các tính chất này của thép không gỉ có độ bền cực cao.

Thiết kế hợp kim và các giai đoạn tăng cường bằng thép không gỉ cường độ cao

Cấu trúc nhiệt độ phòng điển hình của thép không gỉ cường độ cực cao bao gồm:

1. Ma trận martensite máy tiện mịn

Lath martensite có độ bền cao do mật độ trật khớp cao.

2. Lượng austenite dư (hoặc biến đổi ngược) thích hợp

Austenite dư thừa (biến đổi ngược) có thể làm giảm nồng độ ứng suất ở đầu vết nứt và cải thiện độ dẻo dai của vật liệu.

3. Giai đoạn tăng cường lượng mưa phân tán phân tán

Giai đoạn tăng cường quy mô nano kết tủa trong quá trình xử lý lão hóa có thể cải thiện hơn nữa độ bền của thép. Theo thành phần hợp kim của pha kết tủa, nó có thể được chia thành ba loại, đó là cacbua (MC, M2C), hợp chất liên kim loại (NiAl, Ni3Ti) và pha làm giàu nguyên tố (pha ε, pha α), v.v. Trong thép không gỉ có độ bền cực cao, tiềm năng tăng cường của pha kết tủa phụ thuộc vào bản chất của pha kết tủa và kích thước, mật độ số, phần thể tích và phân bố không gian của nó. Việc có thể đạt được hiệu suất tối ưu hay không chủ yếu phụ thuộc vào việc kiểm soát các đặc tính nhiệt và động học của hành vi kết tủa của pha kết tủa, sau đó hướng dẫn quy định thành phần hợp kim và công thức của quá trình xử lý nhiệt.


Nghiên cứu về mối quan hệ giữa thành phần hóa học và tính chất cơ học

Cr

Khi thiết kế thành phần của thép không gỉ có độ bền cực cao, để đảm bảo rằng thép có khả năng chống ăn mòn tốt, hàm lượng Cr trong thép nói chung phải lớn hơn 10% và Cr cũng là một yếu tố làm giảm nhiệt độ biến đổi martensitic.

Ni

Ni có thể cải thiện tiềm năng và xu hướng thụ động của thép không gỉ, tăng khả năng chống ăn mòn của thép, cải thiện độ dẻo và độ dẻo dai của thép, đặc biệt là độ dẻo dai của thép ở nhiệt độ thấp, và Ni cũng sẽ tạo thành một pha η-Ni3Ti tăng cường.

Mo

Việc bổ sung Mo chủ yếu là để tăng hiệu quả làm cứng thứ cấp. Khoảng 2% Mo có thể làm cho thép duy trì độ cứng cao trong các điều kiện xử lý dung dịch khác nhau, và kết tủa giàu Mo kết tủa trong quá trình lão hóa đóng vai trò tăng cường. Làm cho thép duy trì độ dẻo dai tốt, và Mo cũng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn nước biển của thép không gỉ.

Đồng

Co có thể ức chế sự phục hồi của cấu trúc phụ trật khớp trong martensite, cung cấp nhiều vị trí tạo mầm hơn cho sự hình thành kết tủa, giảm độ hòa tan của Mo trong α-Fe và thúc đẩy sự hình thành các kết tủa chứa Mo.

Ti

Thêm một lượng nhỏ Ti vào thép sẽ làm tăng đáng kể độ bền của thép, nhưng việc bổ sung quá mức sẽ làm giảm độ dẻo dai của thép.

Thành phần hóa học và tính chất cơ học của thép không gỉ cường độ cực cao điển hình được thể hiện trong biểu đồ sau:

Thép 15-5PH

Là một đại diện điển hình của thế hệ thép không gỉ cường độ cao đầu tiên, các đặc tính hợp kim của thép 15-5PH là:

  • Khoảng 15% Cr được sử dụng để đảm bảo khả năng chống ăn mòn của thép;
  • Hàm lượng Ni khoảng 5% có thể cân bằng Cr-Ni tương đương với thép được sử dụng trong thí nghiệm, do đó thép có thể thu được cấu trúc martensitic ở nhiệt độ phòng, đồng thời giảm δ-ferrite trong thép;
  • Thêm khoảng 4% Cu đóng vai trò củng cố;
  • Một lượng nhỏ Nb có thể tạo thành pha MC với C, đóng vai trò ghim ranh giới hạt và tinh chế hạt.
  • Sau khi xử lý lão hóa ở 550 °C, một số lượng lớn các pha Cu-rich với cấu trúc fcc kết tủa trên ma trận martensite, và mối quan hệ định hướng giữa pha Cu-rich và ma trận martensite thỏa mãn mối quan hệ K-S (111)Cu//(011)M, [11ˉ0] Cu//[11ˉ1]M.

Các nghiên cứu của Habibi-Bajguirani và cộng sự đã chỉ ra rằng có hai loại kết tủa Cu khác nhau trong thép 15-5PH trong quá trình lão hóa. Khi lão hóa dưới 500 °C, các hạt cụm có cấu trúc bcc sẽ được hình thành đầu tiên. Cụm này Sau đó nó sẽ phát triển thành cấu trúc 9R và cuối cùng biến thành giai đoạn kết tủa FCC. Kết quả phân tích vi mô tia X của chiết xuất pha kết tủa cho thấy pha kết tủa này thực sự là một pha Cu-rich. Khi lão hóa ở 650 ~ 700 °C, pha giàu Cu fcc duy trì mối quan hệ mạch lạc với ma trận lúc đầu, sau đó chuyển thành mối quan hệ K-S bán mạch lạc.

Ph13-8Mo ·

Là một đại diện điển hình của thép không gỉ cường độ cao thế hệ thứ hai, PH13-8Mo áp dụng thiết kế hợp kim carbon thấp và đặc điểm của nó là:

  • Khoảng 13% Cr được sử dụng để đảm bảo khả năng chống ăn mòn của thép;
  • Khoảng 8% Ni có thể bù đắp cho sự mất cân bằng tương đương Cr-Ni trong sơ đồ Schaeffler do carbon thấp gây ra, giảm hàm lượng δ-ferrite và làm cho thép thu được cấu trúc martensitic tiện;
  • Thêm 1% Al có thể tạo thành một giai đoạn tăng cường trong thép và đóng một vai trò trong việc tăng cường ma trận.

Schober et al. đã nghiên cứu tác dụng của nguyên tố Ti đối với sự tiến hóa của kết tủa trong quá trình lão hóa:

  • Trong thép PH13-8Mo mà không thêm phần tử Ti, pha kết tủa chỉ là pha NiAl.
  • Sau khi thêm nguyên tố Ti, các pha kết tủa trong thép là pha G và pha η. Hợp chất liên kim loại có trật tự NiAl được kết tủa trong thép PH13-8Mo mà không cần thêm nguyên tố Ti ở giai đoạn đầu của quá trình xử lý lão hóa. Với sự kéo dài thời gian lão hóa, các nguyên tố hợp kim trong pha NiAl dần dần có xu hướng cân bằng cân bằng và độ cứng đạt đến giá trị tối đa. Trong thép có thêm Ti, một pha kết tủa giàu Ni, Si, Al và Ti được kết tủa trong thép ở giai đoạn đầu xử lý lão hóa và độ cứng của thép đạt đến mức tối đa tại thời điểm này. Với việc kéo dài thời gian lão hóa, pha Ellipsoidal Ni16Si7Ti6-G và pha Ni3 (Ti, Al) -η hình que ngắn sẽ được hình thành trong thép.

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

Li et al. đã nghiên cứu một loại thép không gỉ làm cứng kết tủa martensitic dựa trên Cr-Ni-Co-Mo với cường độ lên tới 1900 MPa, và tin rằng độ bền cực cao thu được do sự tăng cường tổng hợp của nhiều giai đoạn tăng cường.

Thành phần danh nghĩa của thép là 0,004C-13,5Cr-12,7Co-3,3Mo-4,4Ni-0,5Ti-0,2Al (phần nguyên tử %).

Chủ yếu có ba loại pha kết tủa trong thép, pha η-Ni3 (Ti, Al), pha R 'giàu Mo 'và pha α giàu Cr. Các pha kết tủa này được chuyển đổi từ các hạt cụm giàu Ni-Ti-Al, Mo-rich và Cr ở giai đoạn đầu lão hóa tương ứng. Trong quá trình lão hóa, giai đoạn η-Ni3 (Ti, Al) phát triển chậm do sự phân tách của pha R ' giàu Mo và giai đoạn α giàu Cr.


Một mô hình tính toán mới cho thiết kế hợp kim

Từ quan điểm phát triển thép không gỉ cường độ cao, khi mức độ cường độ tăng lên, việc tăng cường một giai đoạn tăng cường duy nhất dần dần phát triển thành tăng cường hỗn hợp nhiều pha. So với việc tăng cường một loại pha kết tủa duy nhất, tăng cường composite có lợi hơn cho việc cải thiện hơn nữa cường độ thép.

Tuy nhiên, ảnh hưởng của thành phần hợp kim và hệ thống lão hóa đến sự kết tủa và hành vi tăng trưởng của các loại pha kết tủa khác nhau là khá khác nhau. Xem xét rằng các thành phần hợp kim và hệ thống xử lý nhiệt khác nhau có thể thu được các pha kết tủa khác nhau và khác nhau khi thiết kế các loại thép mới, vẫn còn thiếu sót trong quy trình thiết kế hợp kim bằng cách sử dụng các thí nghiệm thử và sai truyền thống và mô phỏng mạng thần kinh nhân tạo dựa trên tích lũy dữ liệu. Một loại mô hình dựa trên luyện kim vật lý mới là rất cần thiết.

Ví dụ, Xu et al. và Parn et al. đã đề xuất một mô hình tính toán dựa trên máy học cho thành phần hợp kim. Mô hình này tích hợp thành phần hợp kim và các thông số xử lý nhiệt tương ứng, cho phép các đặc tính mong muốn phát triển trong khuôn khổ di truyền. Mô hình này được áp dụng cho việc thiết kế thép cường độ siêu cao với cacbua MC là pha tăng cường. Nó cũng thích hợp cho các cụm Cu, các pha kết tủa Ni3Ti và NiAl. Nó cũng có thể được áp dụng để thiết kế một pha tăng cường đa loại, bao gồm cacbua MC, pha Cu phong phú và hợp chất liên kim loại Ni3Ti tăng cường hợp kim với nhau. Mô hình bao gồm mô phỏng các thông số tương ứng như tính chất cơ học của thép, chống ăn mòn và cấu trúc vi mô, cung cấp một con đường đáng tin cậy hơn cho thiết kế thành phần hợp kim.


Giai đoạn làm cứng và cơ chế cứng

Tác dụng của austenite biến đổi ngược đến độ dẻo dai của thép không gỉ cường độ cao có liên quan chặt chẽ đến hình thái, hàm lượng, độ phân tán và độ ổn định của nó.

Các đặc tính của nó bị ảnh hưởng bởi tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ đẳng nhiệt và thời gian của quá trình xử lý nhiệt, sự khuếch tán và phân tách các yếu tố hình thành austenite, vị trí và kích thước tạo mầm của austenite và mật độ trật khớp trong ma trận.

Các nghiên cứu hiện có đã chỉ ra rằng có ba cơ chế hình thành austenite biến đổi ngược,

  • Cơ chế đảo ngược cắt không khuếch tán,
  • cơ chế hạn chế biến thể,
  • Cơ chế tăng trưởng austenite được giữ lại.

Cơ chế cắt bắt nguồn từ quá trình nghịch đảo của cơ chế cắt không khuếch tán từ austenite đến martensite. Austenite biến đổi ngược được hình thành bởi martensite duy trì mối quan hệ pha tinh thể nhất định với austenite ban đầu, và austenite ban đầu duy trì cùng mối quan hệ pha.

Cơ chế hạn chế sửa đổi chỉ ra rằng trong quá trình hình thành austenite biến đổi ngược được điều khiển bằng khuếch tán, vị trí tạo mầm của nó sẽ duy trì nghiêm ngặt mối quan hệ pha tinh thể nhất định với austenite, cacbua và ma trận ban đầu, do đó hạn chế sự biến đổi của austenite biến đổi ngược. Các loại biến thể. Cơ chế tăng trưởng của austenite được giữ lại tin rằng austenite dư trong thép martensitic sau khi làm nguội sẽ tiếp tục phát triển thông qua sự khuếch tán của các nguyên tố ổn định austenite trong quá trình ủ tiếp theo, do đó tiếp tục "đảo ngược biến đổi". "Đối với tổ chức austenitic mới.

Nghiên cứu về thép không gỉ martensitic 0Cr13Ni4Mo cho thấy cacbua (Cr23C6) và austenite đồng kết tủa trong quá trình ủ ở vùng hai pha cao hơn một chút so với nhiệt độ bắt đầu biến đổi austenite (AS). Phân tích sâu hơn về cacbua, austenite và sự phân bố của các nguyên tố Cr và Ni trên giao diện cho thấy sự phân tách Cr trong cacbua thúc đẩy sự phân bố nguyên tố Ni để đảo ngược austenite, và sự làm giàu của nguyên tố Ni làm giảm đảo ngược động lực hóa học cho sự hình thành austenite và tăng năng lượng giao thoa,

Do đó, vùng giàu Ni có thể được sử dụng làm vị trí tạo mầm của austenite biến đổi ngược trong quá trình ủ, nghĩa là sự hình thành austenite biến đổi ngược được kiểm soát bởi sự khuếch tán của nguyên tố Ni.

Tiếp tục tăng nhiệt độ ủ, mặc dù sự khuếch tán của các nguyên tử có ý nghĩa hơn, nhưng do sự gia tăng nhiệt độ, điều kiện động lực cho sự biến đổi của martensite được tôi luyện thành austenite đã được thỏa mãn, do đó cơ chế hình thành của austenite biến đổi ngược tại thời điểm này là không có cơ chế cắt khuếch tán.

Để giải thích thêm về cơ chế hạn chế sửa đổi, Nakada et al. đã nghiên cứu mối quan hệ pha độ tinh thể giữa austenite biến đổi ngược và ma trận austenite và martensite trước đó. Sau khi tôi luyện thép 13Cr-6Ni, trong một hạt austenite nguyên bản, austenite biến đổi ngược không chỉ phân bố đồng đều trong ranh giới máy tiện martensite, mà còn có sự biến đổi ngược tại giao diện giữa các khối và gói. Austenite biến đổi, và hầu hết chúng duy trì cùng một hướng với austenite ban đầu, trong khi một phần nhỏ của định hướng khác với austenite ban đầu. Có thể có 12 mối quan hệ pha của các biến thể austenite biến đổi ngược trong bề mặt thói quen austenite trước đó và một nhóm máy tiện martensite.

Có thể quan sát thấy rằng dưới tiền đề tuân theo mối quan hệ K-S, chỉ có 6 hướng khác nhau của các bó máy tiện martensite song song với mặt phẳng đóng gói gần, và chỉ có 2 bó austenite biến đổi ngược bên trong mỗi bó máy tiện martensite. biến thể cơ thể.

Điều này cho thấy rằng do tính đối xứng ba của austenite trong họ {111} γ mặt phẳng, 12 biến thể austenite biến đổi ngược trong nhóm máy tiện martensitic có thể được chia thành 2 loại, nghĩa là giống như các biến thể Austenite Oriented V1 ban đầu và các biến thể V2 kết nghĩa với V1.

Theo mô hình xây dựng hai chiều do Lee và Aaron-son đề xuất, hình dạng hạt nhân quan trọng của austenite biến đổi ngược phải đáp ứng yêu cầu giảm thiểu năng lượng tạo mầm.

Austenite biến đổi ngược được hình thành ở giao diện máy tiện thường phù hợp với hướng của các hạt austenite ban đầu và giao diện α / γ của lõi duy trì mối quan hệ K-S với cả hai mặt của ma trận martensite, trong khi ranh giới hạt austenite ban đầu Lõi austenit chỉ duy trì mối quan hệ K-S với ma trận ở một bên.

Do đó, austenite biến đổi ngược ở ranh giới hạt austenite ban đầu sẽ tạo thành hình cầu do được bao bọc bởi các giao diện mạch lạc và không mạch lạc, và sự khác biệt về năng lượng bề mặt và năng lượng biến dạng đàn hồi ở hai bên của ranh giới, trong khi ở máy tiện Austenite biến đổi ngược có xu hướng hình thành hình thái giống như kim thon dài.

Sự gia tăng hàm lượng austenite biến đổi ngược có thể cải thiện độ dẻo và độ dẻo dai của vật liệu, trong khi quá nhiều austenite biến đổi ngược thường dẫn đến suy giảm cường độ chảy của thép.

Schnitzer et al. lần lượt tính toán ảnh hưởng của giai đoạn tăng cường NiAl và giai đoạn cứng biến đổi ngược austenite đến cường độ năng suất tổng thể trong PH13-8Mo, và giảm 40% cường độ năng suất sau khi xử lý lão hóa được cho là do hàm lượng cao của austenite biến đổi ngược, Phần còn lại được quy cho sự thô hóa của pha NiAl.

Do đó, trong trường hợp yêu cầu độ dẻo dai cao, nên sử dụng nhiệt độ lão hóa cao hơn để tăng hàm lượng austenite biến đổi ngược, nhưng phải trả giá bằng việc mất đi độ bền của vật liệu. Ngoài ra, một số nghiên cứu cũng đã tìm thấy tác dụng phụ của austenite biến đổi ngược đối với độ dẻo. Ví dụ, kết quả của Viswanathan et al. cho thấy sự cải thiện độ dẻo bằng austenite biến đổi ngược chỉ xảy ra trong giai đoạn đầu lão hóa, và thời gian kéo dài cũng sẽ gây ra độ giòn nghiêm trọng của vật liệu. gãy xương.


Mẫn cảm với nghiên cứu về sự lún hydro và ăn mòn do ứng suất

Khi mức độ bền tăng lên, thép cường độ cao trở nên nhạy cảm hơn với nứt ăn mòn ứng suất (nứt ăn mòn ứng suất, SCC) và lún hydro (lún hydro, HE). Đặc biệt, khi các thành phần khí gây ô nhiễm hoặc ăn mòn và các nguyên tử H tác động lên thép cường độ cao kết hợp với ứng suất, rất dễ gây ra sự khởi đầu vết nứt và dần dần mở rộng cho đến khi nứt.

Loại gãy xương này là chế độ hỏng hóc chính của các bộ phận kết cấu thép cường độ cao phục vụ trong môi trường ăn mòn, gây ra các mối nguy hiểm lớn về an toàn và tổn thất tài sản.

Mẫn cảm với sự lún hydro

Hydro khuếch tán là yếu tố chính gây ra sự mất độ dẻo của thép. Bất kỳ biện pháp nào làm giảm tính di động của hydro khuếch tán đều có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống lại tính nhạy cảm của hydro của vật liệu.

Bẫy hydro mạnh có thể làm tăng đáng kể hàm lượng hydro siêu bão hòa được hấp thụ bởi thép, do đó làm cho hydro đi vào ma trận vô hại.

Quan điểm trên đã được xác nhận ở một mức độ nhất định trong việc quan sát sự đứt gãy chậm do hydro gây ra của thép cường độ cao, nghĩa là khi thép cường độ cao chịu tác động của ứng suất tĩnh thấp hơn độ bền kéo của nó, nó sẽ trải qua gãy giòn tức thời sau một thời gian phục vụ. Sự thất bại dưới tải trọng tĩnh là do sự xâm nhập của các nguyên tử H vào ma trận.

Là giai đoạn tăng cường chính và giai đoạn cứng trong thép, một số lượng lớn các hạt tăng cường pha thứ hai phân tán và austenite biến đổi ngược kết tủa trong quá trình lão hóa có thể được coi là bẫy hydro quan trọng trong thép.

Rất nhiều nghiên cứu đã tập trung vào việc điều chỉnh số lượng và mật độ của "bẫy hydro lành tính" (bẫy lành tính) trong thép thông qua xử lý nhiệt để ngăn chặn sự khuếch tán của H trong vật liệu, từ đó cải thiện khả năng chống lại độ nhạy sáng của hydro của vật liệu.

Một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cacbua là "bẫy hydro lành tính" điển hình trong thép và có thể làm tăng hiệu quả tính nhạy cảm với sự lún hydro của thép. Ví dụ, bằng cách hình cầu hóa các hạt xi măng hoặc tinh chế xi măng bằng cách làm nóng nhanh đến nhiệt độ ủ sau khi hình thành và làm mát trong vùng một pha austenite, khả năng chống bám dính hydro của thép có thể được cải thiện một cách hiệu quả.

Ngoài ra, bằng cách thêm các nguyên tố vi hợp kim như Ti, V và Nb, các cacbua như TiC, VC và NbC được hình thành trong thép, có thể được sử dụng làm bẫy hydro hiệu quả. Takahashi et al. đã sử dụng APT để quan sát trực tiếp rằng bẫy TiC và V4C3 đã bắt giữ các nguyên tử deuterium. H chủ yếu bị mắc kẹt trên giao diện giữa TiC và ma trận, trong khi các vị trí bẫy trong V4C3 chủ yếu là các vị trí cốt lõi của trật khớp không phù hợp trên giao diện bán mạch lạc. Với sự trợ giúp của các tính toán nguyên tắc đầu tiên và phân tích nguyên tố hữu hạn, người ta xác nhận thêm rằng đối với lượng mưa TiC, giao diện ma trận TiC là bẫy hydro chính, trong khi các vị trí tuyển dụng carbon là vị trí bẫy chính trong V4C3.

Có rất ít báo cáo về các hợp chất liên kim loại và các pha giàu nguyên tố như bẫy hydro.

Gần đây, Li et al. đã so sánh hành vi lún hydro của thép 17-4PH và thép PH13-8Mo cho giai đoạn cuối của cánh tuabin hơi. Kết quả nghiên cứu cho thấy loại kết tủa trong thép và mối quan hệ kết tinh giữa ma trận martensite và kết tủa, Đó là lý do chính khiến thép PH13-8Mo có hệ số khuếch tán hydro rõ ràng cao hơn và độ hòa tan hydro biểu kiến thấp hơn thép 17-4PH.

So với pha β-NiAl mạch lạc trong thép PH13-8Mo, có một pha Cu-rich không mạch lạc với ma trận trong thép 17-4PH, có khả năng bắt giữ các nguyên tử H mạnh hơn. Điều này là do bán kính của khoảng cách bát diện của pha Cu-rich là 0,0529nm, gấp khoảng hai lần bán kính (0,0206 nm) của khoảng cách bát diện của pha βNiAl.

Hơn nữa, so với giao diện mạch lạc giữa pha β-NiAl và ma trận, giao diện không mạch lạc giữa pha Cu-rich và ma trận có thể bẫy nhiều nguyên tử H hơn.

Ngoài ra, lõi của sự trật khớp không phù hợp trên giao diện mạch lạc và mạng tinh thể ít bị biến dạng hơn liền kề với lõi là bẫy hydro yếu và năng lượng khử bẫy hydro của pha kết tủa không mạch lạc cao hơn so với sự trật khớp mạch lạc. Năng lượng giải hấp của pha kết tủa mạng tinh thể.

So với ma trận martensite, tốc độ khuếch tán của H trong austenite dư (hoặc biến đổi ngược) thấp hơn (tốc độ khuếch tán trong austenite: 10-15 ~ 10-16m2 / s, trong tốc độ khuếch tán martensite: 10-10 ~ 10-12m2 / s), và độ hòa tan của H trong austenite cao hơn so với martensite. Ngoài ra, năng lượng ghim của austenite cho H có thể đạt tới 55kJ / mol, làm cho nó trở thành một vị trí bẫy H không thể đảo ngược.

Tuy nhiên, ảnh hưởng của austenite trong thép của các hệ thống khác nhau liên quan đến tính nhạy cảm của hydro của vật liệu vẫn còn được tranh luận rộng rãi. Một số kết quả cho thấy austenite biến đổi ngược và austenite được giữ lại tốt trong thép có thể ngăn chặn hiệu quả sự khuếch tán của H trong ma trận, do đó cải thiện khả năng chống nhạy cảm với sự lún hydro của thép.

Ngược lại, một số học giả chỉ ra rằng các nguyên tử H hòa tan vào austenite có thể làm giảm năng lượng lỗi xếp chồng của nó, làm cho hiệu ứng TRIP có nhiều khả năng xảy ra hơn và martensite mới như một "nguồn hydro" sẽ giải phóng các nguyên tử H, dẫn đến độ giòn của vật liệu.

Fan et al. đã báo cáo tác dụng của austenite biến đổi ngược đối với hành vi gãy xương lún hydro của thép không gỉ martensitic S41500 (thành phần danh nghĩa 0,04C-13Cr-4,1Ni-0,6Mo-0,7Mn, %). Trong austenite biến đổi ngược của Ni, không có sự làm giàu của các nguyên tử H tại giao diện của austenite / martensite và austenite / cacbua.

Kết quả quan sát TEM về gãy gần như phân tách của mẫu sau khi xử lý ủ cho thấy đường gãy nằm dọc theo giao diện giữa martensite được tôi luyện và martensite mới hình thành (NFM) dưới hiệu ứng dẻo do biến đổi (TRIP), đó là Bởi vì hầu hết H đã được chụp bởi austenite đảo ngược thay vì tách biệt ở ranh giới hạt austenite ban đầu, làm giảm sự ổn định của austenite đảo ngược và thúc đẩy sự biến đổi martensitic.

Sau khi biến đổi pha xảy ra, martensite non trẻ sẽ hoạt động như một nguồn hydro để giải phóng một lượng lớn nguyên tử H, khiến một lượng lớn nguyên tử H tập trung tại giao diện xung quanh, và hình thái gãy xương kết quả là một hình thái gần như phân tách chứ không phải là một hình thái gãy xương giữa các hạt.

Các vết nứt do hydro thường tạo hạt nhân tại các máy tiện, bó isophase, nhóm máy tiện và ranh giới hạt nguyên bản của Áo, và sau đó các vết nứt đi qua các bó máy tiện dưới tác động của ứng suất bên ngoài và lan truyền dọc theo các nhóm máy tiện và ranh giới hạt nguyên bản của Áo.

Trong thép không gỉ cường độ cao, nhiều giao diện cấu trúc đa cấp martensitic (ranh giới hạt austenite ban đầu, ranh giới nhóm máy tiện martensite, ranh giới bó máy tiện martensite và ranh giới máy tiện martensite) và ranh giới pha là thép không gỉ cường độ cao. Một trong những lý do cho tính nhạy cảm cao hơn đối với sự lún hydro.

Kết quả nghiên cứu về khuếch tán hydro và hành vi lún hydro trong thép 17-4PH cho thấy khả năng chống nhạy cảm với hơi hydro của mẫu trạng thái dung dịch rắn cao hơn so với mẫu trạng thái lão hóa đỉnh. Hiện tượng này chủ yếu là do pha Cu-rich và ma trận trong mẫu trạng thái lão hóa. Pha ranh giới pha thu được nhiều H hơn và sự suy yếu của lực liên kết giữa các mặt gây ra sự gãy giòn của mẫu tích điện hydro ở trạng thái lão hóa đỉnh.

Với sự gia tăng nhiệt độ xử lý dung dịch, độ nhạy cảm với sự lún hydro và hệ số khuếch tán hydro của thép 17-4PH đầu tiên tăng lên và sau đó giảm.

Điều này chủ yếu là do ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch đến ranh giới hạt của austenite ban đầu trong thép và mật độ số của các pha kết tủa trong quá trình xử lý lão hóa tiếp theo. Với sự gia tăng nhiệt độ dung dịch, các hạt austenite ban đầu trở nên lớn hơn và diện tích ranh giới hạt tăng lên. giảm, nhưng độ hòa tan rắn của ma trận cho các nguyên tử Cu tăng lên, điều này thúc đẩy sự kết tủa của các pha Cu-rich trong quá trình lão hóa, và sự gia tăng mật độ và kích thước của các pha kết tủa cung cấp nhiều giao diện pha hơn, cùng nhau cung cấp một giao diện có thể bẫy H .

Rõ ràng, tính nhạy cảm với sự lún hydro của thép không gỉ cường độ cao được xác định chung bởi cấu trúc đa cấp và nhiều pha phức tạp trong thép. Do những hạn chế của phương pháp phân tích và mô tả đặc tính, vẫn còn khó xác định định lượng ảnh hưởng của các bẫy hydro khác nhau đến tính nhạy cảm của hydro của thép không gỉ cường độ cao.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tính nhạy cảm của sự nhạy cảm với hydro của thép không gỉ cường độ cao được tăng cường bởi các hệ thống tăng cường khác nhau dựa trên các mức cường độ khác nhau vẫn cần được nghiên cứu một cách có hệ thống và sâu sắc.

Tính nhạy cảm với sự lún hydro của thép không gỉ cường độ siêu cao với hệ thống hợp kim phức tạp và tăng cường khớp nối nhiều pha cần được nghiên cứu khẩn cấp.

Hiện tại, nhóm tác giả đã phát triển một loại thép không gỉ cường độ cao 2200MPa mới được tăng cường bởi lượng mưa composite nhiều pha. ), kết quả phân tích APT của mẫu lão hóa kép được thể hiện trong hình dưới đây.

Có thể thấy từ hình vẽ rằng có các cụm Mo / Cr / C, Mo / Cr và Cr-rich tinh khiết rõ ràng trong thép. Phân tích sâu hơn cho thấy các pha kết tủa trong thép bao gồm các hợp chất liên kim loại, cacbua và pha giàu Cr. Sức mạnh có được nhờ sự tăng cường kết hợp của ba kết tủa, và nó cũng là thép không gỉ có độ bền cao với mức cường độ cao nhất được báo cáo cho đến nay.


Căng thẳng ăn mòn nứt

Báo cáo điều tra sự cố hỏng hóc thành phần máy bay của Mỹ cho thấy nứt ăn mòn ứng suất là một trong những hình thức chính của các vụ tai nạn hỏng hóc đột ngột của các bộ phận chịu tải trọng chính của máy bay trong quá trình phục vụ.

Hầu hết các bánh răng hạ cánh cuối cùng đã bị hỏng do ăn mòn ứng suất hoặc tăng trưởng vết nứt mỏi.

Hiện nay, ăn mòn ứng suất xảy ra không chỉ trong công nghệ cao và các ngành công nghiệp như hàng không, hàng không vũ trụ, năng lượng và công nghiệp hóa chất, mà còn trong hầu hết các loại thép và hợp kim chống ăn mòn thường được sử dụng.

Do đó, phân tích cơ chế bẻ khóa ăn mòn ứng suất của thép cường độ siêu cao và các yếu tố ảnh hưởng đến ăn mòn ứng suất của thép cường độ cực cao có giá trị khoa học lớn và ý nghĩa thực tế để xác định các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn ứng suất của thép cường độ siêu cao.

Khả năng chống ăn mòn của vật liệu đã trở thành một yếu tố quan trọng hạn chế nứt ăn mòn ứng suất của thép cường độ cao, và ăn mòn rỗ là dạng ăn mòn phổ biến nhất và có hại nhất.

Hầu hết các vết nứt ăn mòn do ứng suất bắt nguồn từ các hố rỗ. Trong quá trình xử lý lão hóa bằng thép không gỉ có độ bền cực cao, các pha kết tủa được kết tủa từ ma trận martensite siêu bão hòa gây ra sự không đồng nhất trong cấu trúc vi mô. Nguồn ăn mòn rỗ chính.

Màng thụ động gần pha kết tủa tương đối yếu và sự xâm nhập của Cl gây ra sự phá hủy màng thụ động, và một pin vi mô được hình thành giữa pha kết tủa và ma trận, do đó hòa tan ma trận, tẩy tế bào chết cho pha kết tủa và hình thành ăn mòn rỗ. Ví dụ, cacbua giàu Cr M23C6, M6C và hợp chất liên kim loại Laves pha và σ dễ dàng tạo thành một khu vực nghèo Cr xung quanh chúng, dẫn đến sự xuất hiện của ăn mòn rỗ.

Luo et al. và Yu Qiang đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lão hóa đến cấu trúc vi mô và hành vi điện hóa của thép không gỉ cường độ cực cao 15-5PH bằng cách sử dụng chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử ba chiều.

Các cụm sao cu và các hạt nano (Cu, Nb) đã được quan sát thấy khi thời gian lão hóa dao động từ 1 đến 240 phút. So với điều trị lão hóa ngắn hạn, bề mặt của các mẫu sau khi điều trị lão hóa lâu dài dễ bị Cl tấn công hơn.

Sau khi lão hóa trong 240 phút, hàm lượng Cr xung quanh kết tủa cũng sẽ giảm và các bộ phận này dễ bị hình thành các khu vực nghèo Cr. Việc giảm tỷ lệ Cr / Fe trong màng thụ động là lý do cho sự suy giảm khả năng chống ăn mòn rỗ của màng thụ động.

Ngoài ra, sự kết tủa liên tục của cacbua giàu Cr trên ranh giới hạt sẽ làm giảm khả năng chống ăn mòn giữa các hạt của thép. Ví dụ, các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng thép không gỉ AISI316Ti có khả năng chống ăn mòn giữa các hạt cao hơn thép không gỉ AISI321. Lý do là sự kết tủa của TiC làm giảm sự hình thành các cacbua giàu Cr, là kết tủa dẫn đến ăn mòn giữa các hạt. một trong những điều.

Là pha dễ uốn quan trọng nhất trong thép không gỉ cường độ cao, hàm lượng, hình thái, kích thước và độ ổn định của austenite cũng sẽ ảnh hưởng đến tính nhạy cảm ăn mòn ứng suất của thép.

Trong trường hợp có cùng kích thước, hình dạng và độ ổn định, khi hàm lượng austenite tăng, ngưỡng nứt ăn mòn ứng suất (KISCC) tăng lên và độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất của thép giảm.

Lý do là cấu trúc austenite giống như màng được hình thành trên ranh giới máy tiện martensitic cải thiện độ dẻo dai của thép và làm giảm tốc độ tăng trưởng của các vết nứt do hydro gây ra. Có hai lý do chính cho sự giảm tốc độ tăng trưởng crack:

Khi vết nứt lan truyền từ ma trận martensite sang austenite giống như màng, cho dù nó tiếp tục mở rộng vào austenite hay thay đổi hướng giãn nở để vượt qua cấu trúc austenite, nó sẽ tiêu tốn rất nhiều năng lượng, dẫn đến tốc độ tăng trưởng vết nứt Giảm, tăng khả năng chống ăn mòn ứng suất;

Như đã đề cập ở trên, H có độ hòa tan rắn cao hơn và xu hướng phân tách thấp hơn trong cấu trúc austenite, và tốc độ khuếch tán của H trong austenite nhỏ hơn nhiều so với cấu trúc martensite, cao Các bẫy hydro có lợi trong thép không gỉ cường độ cao dẫn đến giảm tính nhạy cảm với sự lún hydro ở phía trước vết nứt, do đó làm giảm tốc độ tăng trưởng vết nứt và tăng tính nhạy cảm với ăn mòn ứng suất.

Cần lưu ý rằng độ ổn định của austenite cũng là một thông số quan trọng để xác định tính nhạy cảm ăn mòn ứng suất của thép. Sau khi căng thẳng hoặc căng thẳng gây ra sự biến đổi martensitic, martensite tươi biến đổi từ austenite không thể ngăn chặn sự phát triển của vết nứt. Nó cũng sẽ phục vụ như một nguồn khuếch tán hydro mới để tăng tính nhạy cảm với sự lún hydro của thép.

Tóm lại, độ bền, độ dẻo dai, ăn mòn ứng suất và tính nhạy cảm với hơi hydro của thép đều bị ảnh hưởng bởi cấu trúc đa pha đa cấp phức tạp, và phương pháp thử nghiệm và sai sót truyền thống được sử dụng để thiết kế và sản xuất thép cường độ cực cao với cả độ bền cực cao, độ dẻo dai và hiệu suất phục vụ tuyệt vời. Thép không gỉ khó khăn, chu kỳ dài và chi phí cao.

So với phương pháp thử và sai, phương pháp thiết kế hợp lý, chẳng hạn như thiết lập một loạt các mô hình phân tích đa quy mô về độ bền và độ dẻo dai, hiệu suất ăn mòn ứng suất và hiệu suất lún hydro như "kích thước nguyên tử-kích thước nano-vi mô", sẽ có mục đích hơn. Thiết lập các tiêu chuẩn thiết kế cho thép không gỉ có độ bền cao thông qua kết quả phân tích mô phỏng, tối ưu hóa hình dạng, kích thước và hàm lượng của các pha kết tủa, cấu trúc martensite và austenite trong thép, đồng thời kết hợp hơn nữa mô phỏng đa quy mô với các quy trình phát triển vật liệu thực tế, điều này sẽ làm giảm đáng kể Khó khăn trong nghiên cứu và phát triển vật liệu, giảm chi phí đầu vào và rút ngắn chu kỳ nghiên cứu và phát triển.


Outlook

Là một vật liệu kết cấu kim loại có sức mạnh, độ dẻo dai và an toàn dịch vụ tuyệt vời, thép không gỉ cường độ cao có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không, hàng không vũ trụ, kỹ thuật đại dương và công nghiệp hạt nhân trong tương lai.

Theo quan điểm của môi trường ứng dụng khắc nghiệt của loại thép này, việc khám phá một thế hệ thép không gỉ cường độ cao mới không chỉ tập trung vào việc vượt qua nút thắt cổ chai của độ dẻo và độ dẻo dai tuyệt vời có độ bền cực cao, mà còn tính đến an toàn dịch vụ tuyệt vời.

Trong quá trình thiết kế hợp kim và xây dựng quy trình xử lý nhiệt, phương pháp thử nghiệm và sai sót truyền thống dần dần được chuyển sang các phương pháp thiết kế hợp lý như thiết kế hợp kim hỗ trợ nhiệt / động học, máy học trí tuệ nhân tạo, v.v., để cải thiện đáng kể chu kỳ phát triển của các hợp kim chống ăn mòn cường độ cao mới, Tiết kiệm chi phí R &D.

Nghiên cứu về cơ chế tăng cường và làm cứng của thép không gỉ cường độ cao vẫn cần phải đi sâu hơn, đặc biệt là sự hiểu biết về hành vi kết tủa của các hạt pha hai để tăng cường composite nhiều pha và sự chồng chất của việc tăng cường các giá trị đóng góp.

Nghiên cứu về ảnh hưởng của hàm lượng austenite, kích thước, hình thái và độ ổn định của thép đối với độ dẻo dai của thép không gỉ cường độ cao là tương đối đủ, nhưng không có mô hình toán học hiệu quả nào được thiết lập để ước tính định lượng đóng góp của nó vào độ dẻo dai của loại thép này.

Ngoài ra, nghiên cứu về cơ chế bẻ khóa ăn mòn ứng suất và tính nhạy cảm của hydro của thép không gỉ cường độ cao có độ bền cực cao theo hệ thống tăng cường phức tạp cần được giải quyết khẩn cấp, để cung cấp cơ sở lý thuyết cho thiết kế độ bền của thép không gỉ cường độ cao siêu cao.

Copyright © 2023 Manufacturers.Best