автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние качества металла на локализацию повреждаемости и механические свойства конструкционных сталей и сплавов

01: УУ-З/'Г^/с; -А

Министерство общего и профессионального образования РФ Санкт-Петербургский государственный технический университет

На правах рукописи УДК 669.14:621.039

ПЕТКОВА АНИ ПЕТРОВА

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛА НА ЛОКАЛИЗАЦИЮ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Специальность: 05.02.01 - Материаловедение (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: засл. деятель науки и техники, акад. АИН РФ, доктор технических наук, профессор Паршин A.M.

Санкт-Петербург 1999 г.

^¿Ж^г

Содержание

Введение............................................................................................................... 7

Глава I. Влияние плотности и равномерности распределения дислокаций и структурно-фазовых превращений на прочность и пластичность металлов и сплавов................................................................................. 9

1.1. Природа упрочнения металлов и пути повышения их прочности. Схема изменения прочности в зависимости от плотности дислокаций по И.А.Одингу......................................................................................................... 9

1.2. Развитие представлений И.А.Одинга о зависимости прочности металла от плотности дислокаций........................................................................ 20

1.3. Роль пластичности в обеспечении высокой прочности ............... 33

1.3.1. Влияние пластичности и вязкости на прочность металлов и сплавов. Предотвращение локализации пластической деформации и развития преждевременных хрупких разрушений.................................................................. 33

1.3.2. Влияние неравномерности распределения дислокационной плотности на прочностные свойства........................................................................ 36

1.4.Структурные аспекты работоспособности и надежности конструкционных материалов. Структурно-кинетическая концепция А.М.Паршина..... 39

1.4.1.Однородность распада твердых растворов как одна из основных мер предотвращения локализации пластического деформирования .............. 39

1.4.2. Влияние величины и уровня напряжений на границе раздела "формирующаяся избыточная фаза-матрица" и степени пластичности на работоспособность сплавов..................................... .................................................. 40

1.5. Выводы........................................................................................... 41

1.6. Формулировка задач исследования............................................. 43

Глава II. Качество металла, особенности металлургического передела и их связь

с прочностными и вязкопластическими свойствами сталей. Каскадная теория прочности сталей.................................................................. 45

2.1. Понятие качества металла........................... .................................... 45

2.1.1. Дефекты строения и их влияние на эксплуатационные характеристики сталей....................................................................................................... 45

2.1.2. Применение вакуумных переплавов для устранения описанных дефектов ............................................................................................................. 46

2.2. Условия металлургического передела. Их роль в предотвращении деградации металла в конструкции................................................................. 49

2.3. Прочность и пластичность в связи с качеством металла. Влияние условий металлургического передела и качества металла на прочностные и вязко-пластические свойства сталей........................................................................... 55

2.4. Наличие критической плотности дислокаций в металле, при которой происходит локализация пластической деформации...................................... 56

2.5. Влияние неметаллических включений и вторичных фаз на характер пластической деформации в сталях...........................................................................59

2.6. Связь качества металла и условий металлургического передела с критической плотностью дислокаций в металле............................................ 67

2.7. Связь "каскадов прочности" с применяемыми технологическими процессами металлургического передела и изготовления конструкции ........ 68

2.8. Влияние фактора времени и других нежелательных условий эксплуатации на падение прочности на примере аустенитной роторной стали типа ЗХ19Н9ВМБТ...............................................:..................................................... 71

2.8.1. Изменение микроструктуры стали с увеличением времени выдержки ......................................................................................................................... 74

2.8.2. Связь структурно-фазовых превращений с изменением механических свойств стали в процессе длительного изотермического старения......... 81

2.9. Вакуумные переплавы как мера повышения чистоты сталей по вредным примесям и неметаллическим включениям и сопротивляемости хрупкому разрушению........................................................................................................ 83

г

2.10. Выводы.......................................................................................... 90

Глава III. Стабилизированные и нестабилизированные аустенитные стали .. 94

3.1. Аустенитные стали с небольшим содержанием никеля................ 94

3.2. Недостатки стабилизированных аустенитных сталей и пути их устранения ............................................................................................................... 95

3.2.1. Фазы внедрения титана (или ниобия) и свойства указанных сталей. Содержание в них углерода и азота................................................................... 95

3.2.2. Содержание 6-феррита и его влияние на свойства сталей.........100

3.2.3. Неметаллические включения и их влияние на качество рабочих поверхностей стабилизированных сталей............................................................. 101

3.2.4. Образование карбидов хрома типа Сг2зСб ..................................104

3.2.5. Межкристаллитная коррозия стабилизированных сталей.........108

3.2.6. Радиационное распухание стабилизированных аустенитных сталей и сплавов............................................................................................................. 113

3.3. Создание особо чистой нестабилизированной титаном коррозионно-стойкой аустенитной хромоникелевой стали двойного вакуумного переплава типа 01Х18Н14ВИ+ВД...................................................................................... 117

3.3.1. Химический состав разработанной стали. Содержание титана и углерода ................................................................................................................. 118

3.3.2. Содержание в разработанной стали нитридов и карбонитридов титана и неметаллических включений................................................................. 119

3.3.3. Плотность разработанной нестабилизированной стали в сравнении со сталями данного класса обычной выплавки.................................................123

3.3.4. Процессы образования хромистых карбидов и с-фазы в разработанной нестабилизированной стали и сталях типа 18-8, 15-15 и других композиций ....................................................................................................................... 125

3.3.5. Склонность разработанной нестабилизированной аустенитной стали к межкристаллитной коррозии...................................................................... 130

3.3.6. Металлографический анализ характера распределения дислокаций в нестабилизированных сталях типов 01Х18Н14ВИ+ВД и 1X18Н9..............131

3.3.7. Металлографический анализ характера распределения дисперсных частиц в нестабилизированных сталях типов 01Х18Н14ВИ+ВД и 1X18Н9 ..136

3.3.8. Склонность разработанной стали к радиационному распуханию и сопротивляемость радиационной повреждаемости..........................................138

3.3.9. Двойной вакуумный переплав как мера получения более равномерного распределения дислокаций внутри зерен в аустенитных сталях...... 139

3.4. Выводы.............................................................................................141

Глава IV. Механические свойства и работоспособность аустенитных сталей и сплавов при умеренных и высоких температурах.......................... 144

4.1.Падение полного и равномерного относительных удлинений облученных аустенитных сталей в интервале температур синеломкости (200-400 °С) и его причины.....................................................................................................144

4.2. Критерий оценки работоспособности аустенитных материалов в области умеренных температур .............................................................................147

4.3. Механические свойства и работоспособность стали двойного вакуумного переплава типа 01Х18Н14ВИ+ВД при умеренных и высоких температурах ........................................................................................................................148

4.3.1. Полное относительное удлинение и сужение разработанной стали в диапазоне температур 20-700 °С по сравнению со сталями типов 18-8 и 15-15....................................................................................................................148

4.3.2. Полное и равномерное относительное удлинение разработанной стали в сравнении со сталями различных способов выплавки при умеренных температурах.......................................................................................................153

4.3.3. Прочностные свойства сталей типов 18-14 двойного вакуумного переплава и 18-8 обычной выплавки в диапазоне температур 20-700 °С...... 153

4.4. Работоспособность разработанной стали и сохранение ее в экстремальных условиях, например, при нейтронном облучении............................ 158

4.5. Практическое применение особо чистой стали двойного вакуумного переплава типа 01Х18Н14ВИ+ВД.....................................................................159

4.6. Выводы............................................................................................ 161

Основные выводы и заключение....................................................................... 162

Литература......................................................................................................... 167

Приложение I..................................................................................................... 179

Приложение II..................................................................................................... 183

Введение

Весьма важной задачей в настоящее время представляется повышение работоспособности и ослабление вредного влияния нейтронного воздействия на конструкционные материалы ядерных и термоядерных установок. Прочность и деформационная способность сталей и сплавов, а также и другие критерии работоспособности в значительной мере определяются (особенно в тяжелых условиях эксплуатации, например, при нейтронном облучении) однородностью механических свойств, уменьшающих локализацию повреждаемости.

Обеспечить высокую изотропность свойств можно путем повышения качества металла исходной аустенитной стали, применяя при ее производстве чистые шихтовые материалы и вакуумные переплавы. Создавая нестабилизированные низкоуглеродистые коррозионно-стойкие стали с небольшим содержанием никеля, можно значительно снизить содержание в них фаз внедрения титана (или ниобия) и неметаллических включений. В отличие от стабилизированных качественных аустенитных сталей типа 18-8, высококачественные нестабилизированные аустенитные стали не будут подвержены выкрашиванию хрупких карбидов и карбонитридов титана (или ниобия), что существенно повысит их газоплотность, коррозионную стойкость и вязкопластические свойства. Это, несомненно, положительно отразится на их работоспособности и предотвратит возможную деградацию металла в конструкции. Таким образом, повышение качества металла является одним из путей предотвращения преждевременных хрупких разрушений и обеспечения требуемой работоспособности конструкций, особенно в условиях нейтронного облучения.

Этот путь должен обеспечить значительное увеличение срока службы конструкционных материалов. Это особенно важно в настоящее время, когда стоит задача увеличения срока службы водо-водяных действующих и

проектируемых реакторов ядерных энергетических установок до 60-80 и более лет. При этом следует учитывать, что материалы атомных энергетических установок по сравнению с материалами традиционных энергетических установок находятся в более сложных условиях эксплуатации, так как нейтронное облучение ускоряет процессы ползучести, усиливает временную зависимость прочности, резко снижает деформационную способность при умеренных и высоких температурах, смещает интервал хладноломкости в область более высоких температур, вызывает порообразование и радиационное распухание, а также понижает сопротивляемость коррозионному разрушению. Только обеспечение высокой изотропности свойств сплавов является действенной мерой для обеспечения равномерного течения материала, сопротивляемости его радиационному распуханию, коррозионной повреждаемости и т. п., особенно в условиях нейтронного облучения.

Учитывая вышесказанное, целью настоящей работы является исследование влияния условий металлургического передела и качества получаемой продукции на механические свойства аустенитных сталей и обоснование применения низкоуглеродистых нестабилизированных сталей высокой чистоты по карбидам и неметаллическим включениям с небольшим содержанием никеля в качестве конструкционных материалов для тонкостенных конструкций.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 184 страницы: 112 машинописных страниц текста, 52 рисунка, 4 таблицы, приложения на 6 страницах. Список литературы содержит 147 наименований.

Глава I. Влияние плотности и равномерности распределения дислокаций и структурно-фазовых превращений на прочность и пластичность металлов и сплавов.

1.1. Природа упрочнения металлов и пути повышения их прочности. Схема изменения прочности в зависимости от плотности дислокаций по И.А.Одингу

Пластичность кристаллов как физическая проблема является одной из старейших в физике твердого тела. Основные открытия в области физики пластичности начались в 20-х годах благодаря применению новейших достижений экспериментальной и теоретической физики.

Работами отечественных ученых А.И. Иоффе, И.В. Обреимова, H.H. Давиденкова, Я.И. Френкеля, Г.В. Журкова, М.В. Классен-Неклюдовой и других, а также зарубежных ученых (Е. Орован, Г. Тейлор, М. Поляни, Е. Шмид, и др.) был заложен фундамент для развития теории физики пластической деформации кристаллических тел. В результате в середине 30-х годов был получен большой экспериментальный материал, нашедший отражение в ряде обзоров и монографий [1-10].

Основным достижением этого периода было установление того обстоятельства, что процесс пластической деформации в различных материалах обладает рядом закономерностей. Прежде всего, этот процесс характеризуется кристаллографичностью, заключающейся в том, что деформация кристаллов осуществляется путем относительного перемещения их разных частей по определенным кристаллографическим плоскостям вдоль определенных кристаллографических направлений. Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлением с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу наименьшая. Было также установлено, что возникновение пластической деформации в кристаллах происходит при достижении некоторой величины касательных напряжений (тк),

действующих в плоскости и в направлении сдвига. Эти напряжения получили название критических скалывающих напряжений, или предела текучести при сдвиге. На опыте значения критических скалывающих напряжений оказались очень малыми - порядка нескольких десятков или даже нескольких граммов на квадратный миллиметр - и отличающимися от теоретических расчетов на несколько порядков. Поэтому скольжение не представляется как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой (рис. 1.1, а). Такой жесткий или синхронный сдвиг потребовал бы напряжений в сотни и даже в тысячи раз превышающих те, при которых в действительности протекает деформация. Усилие для осуществления такого синхронного сдвига было рассчитано Я.И. Френкелем: т = а/Ь-ст/2-тс, где а - модуль касательной упругости, а - межатомное расстояние в направлении скольжения (ММ на рис. 1, а), Ь - межплоскостное расстояние [11]. Для плотных металлических решеток отношение а/Ь близко к единице. Например, для железа теоретический предел текучести должен быть равен 13000 МПа, хотя в действительности оно составляет 150 МПа.

Кроме того оказалось, что абсолютные значения критических скалывающих напряжений зависели от ряда факторов: температуры, скорости деформации, содержания примесей в кристалле и т.д.

Наконец, оказалось, что при пластической деформации кристаллов наблюдается так называемое деформационное упрочнение, заключающееся в том, что для осуществления пластической деформации кристалла приходится непрерывно повышать приложенные силы.

Естественно, что для понимания физической природы пластичности и упрочнения кристаллов необходимо было прежде всего представлять себе смысл процессов, происходящих при пластической деформации. Однако все попытки объяснить указанные выше особенности пластической деформации оставались безуспешными, пока Орованом [6], Тейлором [7] и Поляни [8] не

и

была предложена идея о существовании в кристаллах линейных дефектов -дислокаций.

Именно наличием в кристалле дислокаций объясняется низкое опытное значение критического скалывающего напряжения. Сдвиг в кристалле распространяется постепенно. В каждый момент времени в нем участвуют не все атомы по обе стороны от плоскости скольжения, а только те, которые находятся в области дислокации, вокруг края экстраплоскости (рис. 1.1, б). В результате если при одновременном сдвиге верхней части кристалла относительно нижней (см. рис. 1.1, а) необходимо преодолеть межатомные связи между всеми атомами в плоскости скольжения, то при перемещении дислокации в соседнее положение разрываются межа�