автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние мехнико-термической обработки на водородную хрупкость и межкристаллитную коррозию нержавеющей стали аустенитного класса

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Взаимодействие примесных атомов и дислокаций в металлах

1.1.1. Природа взаимодействия.

1.1.2. Формирование примесных атмосфер и их строение

1.1.3. Особенности распада твердого раствора, контролируемого дислокационно-примесным взаимодействием

1.2. Механико-термическая обработка

1.2.1. Выделения на дислокациях

1.2.2. Полигонизация как стадия возврата

1.2.3. Основные механизмы полигонизации и свойства малоугловых границ

1.3. Водородная хрупкость

1.4. Межкристаллитная коррозия аустенитных сталей 1.4Д. Влияние углерода

1.4.2. Влияние термической обработки

1.4.3. Причины межкристаллитной коррозии

1.4.4. Влияние холодной пластической деформации

ХШ съезд КПСС определил основные задачи науки на пути научно-технического прогресса в условиях социалистической системы хозяйства. К наиболее важным задачам отнесено развитие теоретических исследований в главных (определяющих) областях технического развития, разработка принципиально новых совершенных технологических методов обработки, создание новых высококачественных материалов для различных отраслей народного хозяйства.

К важнейшим задачам, в пределах общей проблемы получения высокопрочных и надежных конструкционных материалов, относятся повышение общего уровня прочности и сопротивляемости хрупкому разрушению, жаропрочности, стойкости в активных средах и т.д. Наряду с традиционными металловедческими методами (легирование, модифицирование , нанесение покрытий, оптимизация режимов термической обработки, создание новых сплавов), в последнее десятилетие получили широкое распространение методы, базирующиеся на потенциальных возможностях упрочнения и стабилизации свойств уже применяемых промышленных сплавов и сталей. Научной основой решения последней из этих проблем является теория дефектов кристаллического строения.

Наиболее прогрессивными и эффективными способами получения комплекса повышенных механических свойств машиностроительных материалов, являются способы, основывающиеся на различных комбинациях теплового и механического упрочнения путем воздействия на дислокационную структуру металлов и сплавов с целью направленного изменения механических и физико-химических свойств. Такое упрочнение базируется на создании упорядоченных дислокационных структур в металлической матрице, характеризующихся резким торможением подвижности дефектов кристаллического строения.

Механико-термическая обработка (МГО) включает в себя методы создания упорядоченных дислокационных структур в дорекристалли-зационном интервале температур со специальной стабилизацией упрочненного состояния. Эта группа методов обеспечивает создание внутренних границ в зернах (субграниц), препятствующих транскристал-литному перемещению дислокаций, не вызывает изменения физико-химических свойств металла самих субзерен, однако, механические свойства и степень искаженности решетки в субобъемах изменяются существенным образом в результате повышения плотности дефектов, специфического распределения их и взаимодействия с растворенными атомами и частицами дисперсных вьщелений, что приводит к резкому изменению конструкционных свойств материала.

Трудами ведущих специалистов по физике твердого тела решены многие фундаментальные вопросы теории дефектов кристаллического строения. Однако трудности использования общих металлофизических подходов, а в ряде случаев и модельных представлений, математический аппарат которых недостаточно отработан, для реальных конструкционных материалов пока еще велики. А поэтому, к сожалению, во многих случаях значительно большего успеха добились исследователи на пути разработки технологически приемлемых методов упрочнения и констатирующего изучения свойств разнообразных металлических материалов в упрочненном состоянии, чем в физическом обосновании методов термопластической обработки и прогнозировании свойств в зависимости от условий последующей службы упрочненного металла.

Между тем накопленный опыт упрочнения и необходимость скорейшего использования его в промышленных масштабах требует научно-обоснованной оптимизации технологических режимов и параметров термопластического упрочнения, а также прогнозирования свойств металлов в высокопрочном состоянии, что делает весьма актуальным разработку соответствующей теоретической базы. Практически реальный путь создания физических основ, а затем общей теории высокопрочного состояния заключается, по-видимому, в последовательном решении на современном металлофизическом уровне ряда фундаментальных проблем прочности (к числу которых относятся также задачи термопластического упрочнения и стабилизации неравновесных структур), накоплении и количественном анализе экспериментальных данных по отдельным проблемам и последующем обобщении их с привлечением смежных разделов науки.

В химическом машиностроении в последние годы наблюдается интенсификация технологических процессов, повышение давления, температуры и агрессивности среды, а также создание целого ряда новых химических производств. Стаж, из которых изготавливается оборудование, должны, прежде всего, обладать высокой коррозионной стойкостью и хорошими прочностными свойствами. Аустенитные нержавеющие стали находят широкое применение в химическом машиностроении благодаря их высокой стойкости в различных агрессивных средах. Однако повышение прочностных свойств в аустенитных нержавеющих сталях осложняется тем, что вводимые легирующие элементы (образующие твердые растворы внедрения) и используемые методы обработки стали зачастую ухудшают ее основное свойство - высокую коррозионную стойкость.

Использование методов термопластического упрочнения аустенитных нержавеющих сталей позволит, по-видимому, использовать такие специфические свойства дислокационных субграниц, ломимо повышения прочностных свойств, как способность сегрегировать на своей поверхности атомы, образующие твердые растворы внедрения, и тем самым вызывать перераспределение карбидных фаз в структуре стали. Известно, что одним из наиболее неприятных недостатков хромоникелевых сталей аустенитного класса является, кроме сравнительно низкой прочности, их склонность к межкристаллитной коррозии. Определяющее влияние на склонность к МКК оказывает присутствие углерода в стали, который связывает хром в карбиды, выделяясь по границам зерна сплошной цепочкой, препятствуя тем самым пассивации железной матрицы. Перераспределение примесей внедрения между границами и специально созданными субграницами в существенной степени устранят вышеуказанные недостатки. Следует ожидать, что в этом случае в результате перераспределения растворенного углерода между границами и объемом зерен "безопасная" его концентрация может быть повышена.

Все вышеизложенное предопределяет необходимость в проведении исследований, направленных на изучение внутренних процессов, происходящих в аустенитных у глеро до с о держащих сталях на различных стадиях механико-термической обработки. Знание механизмов взаимодействия углерода с атомами легирующих элементов, с дислокациями и другими дефектами кристаллического строения в различных темпе-ратурно-временных интервалах даст возможность прогнозировать изменение свойств материалов при деформации, нагреве, обоснованно назначать режимы термической, упрочняющей и других видов обработки, снижающих опасность хрупкого и коррозионного разрушения изделий в процессе эксплуатации.

Поэтому исследование закономерностей образования субструктуры в аустенитных нержавеющих сталях и получение субструктурного состояния, стойкого к водородному охрупчиванию и межкристаллитной коррозии (МКК), является актуальной задачей. Решение проблемы увеличения долговечности и надежности конструкций из стали, подвергнутой механико-термической обработке, важно как в теоретичеоком, так и в практическом аспектах.

Целью настоящей работы явилась разработка метода повышения стойкости аустенитных углеродосодержащих нержавеющих сталей к водородному озфулчиванию и МКК на базе комплексного изучения и оптимизации параметров субструктурного упрочнения.

Выводы по разделу

1. Изучено влияние МТО на склонность к межкристаллитной коррозии аустенитной нержавеющей стали типа XI8HI2 с различным содержанием углерода (0,02-0,1%).

2. Показано, что МТО стали уменьшает скорость МКК.

3. Температурно-временные области склонности к МКК в результате МТО смещаются в сторону больших выдержек и к более низким температурам. Увеличение содержания углерода в стали с 0,04% до 0,1% уменьшает эффект МТО, но не снимет его проявления полностью.

- 100

4. Методами световой и электронной микроскопии установлена связь уменьшения склонности к МКК после механико-термической обработки с выделением карбидов хрома по субграницам внутризерен-ных областях, что предотвращает образование сетки из карбидов хрома по границам зерен.

- 101 -общие вывода

1. Методами внутреннего трения и прямыми структурными методами проведено комплексное исследование процессов, протекающих в ходе механико-термической обработки нержавеющей стали типа 18-12, показывающее принципиальную возможность использования субструктурного упрочнения для эффективного снижения водородной хрупкости и МКК для условий работы водородного термокомпрессора.

2. Систематическими измерениями изучена специфика распада твердого раствора аустенизированных и деформированных образцов нержавеющих сталей типа 18-12 с различным содержанием углерода (0,01-^0,25% С) и зафиксирована стадийность этого процесса в зависимости от предистории образцов, подтвержденная электронно-микроскопическими исследованиями.

3. Выявлены структурные и температурно-кинетические факторы, контролирующие склонность аустенитной углеродосодержащей стаж типа 18-12 к МКК и водородному охрупчиванию, на базе чего разработана методика оптимизации основных параметров МТО с црив-лечением данных измерений амплитудозависимого внутреннего трения.

4. Определена минимальная критическая концентрация примесей внедрения (0,03$), при которой на температурных кривых внутреннего трения проявляется релаксационный максимум С-К, и определена скорость распада твердого раствора в функции роста концентрации углерода.

5. Установлена возможность увеличения содержания углерода с 0,02$ до 0,05$ в хромоникелевых сталях аустенитного класса в результате создания субструктуру без появления склонности к МКК и одновременном увеличении прочности стали на 20$.

6. Установленный в работе оптимальный режим (пластическая деформация на 17$, температура полигонизационного отжига 920 К

- 102 при длительности 50 час), обеспечивающей оптимальный комплекс механических свойств и служебных характеристик стали типа 18-12, использован при проектировании и создании водородного термокомпрессора специального назначения.

7. Полученные в работе данные высокотемпературных измерений модуля нормальной упругости нержавеющей стали утверждены ГОССТАНДАРТОМ СССР в качестве рекомендуемых справочных данных (таблицы РСД).

- юз

1. Котрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах» М., "Металлургия", 1958» 364 с. с ил.

2. Одинг И.А. Теория дислокаций и ее применение. М., Иэд-во

3. АН ССОР, 1959, 80 с. с ил. 3« Макклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М., Мир, 1970, 443 с. с ил.

4. Хирт Дж., Лоте Н. Теория дислокаций. М., Атомиздат, 1972,4 «600 с. с ил.

5. Гордиенко Л.К. Субструктурное упрочнение металлов и сплавов.< »

6. М., "Наука", 1973, 224 с. с ил.t ' I . « •

7. Teutohico Ъ., Cjaranato A., Jucke K.T. Arpl. Phys., 1964, 35 p. 5181-5204.4 <

8. Ttompson D., Holmes D., y. Appl. Phys., 1956, 27, p. 713-724.* ' * > ' •

9. Granato A., Hikata A., Jucke K, Acta Metal., 1957, 6, p.470.л . t . ,

10. Hornuny wi Phys. stats, sol., 1972, 54, p. 34I-354.15* Ямафуджи К., Бадэр Ч. В кн.: Актуальные вопросы теории дислокаций, Изд-во "Мир", 1968, с. 115

11. Головин С.А., Левин Д.М., Тихонова К.В., Судник В.А.

12. В кн.: Материаловедение} Физика и химия конденсирования- •. t t ■ *сред. Воронеж, ВПИ, 1975» вып. 3, с, 3-9.i ' • I

13. Juke К. Schlipf J.J. The Interactions between Dislocation.p. 5X81-5196.. * t ' * • -.

14. Simpson H., SolinA., Phys. Hev., 1972, 685, P« 1382.' 4 4 4 , -.„ ,

15. Shoek G., Selger A. Acta Metal., 1959» 6, p. 469-4-78.t * .

16. Jucke K., Granato A., Teutoniko L., Y. Appl. Phys., 1968, v. 39, P. 5I8I-5I96.21» Бауэр У. В кн.: Актуальные вопросы теории дислокаций, М.,

17. Владимиров В.Н., Орлов А.Н. В кн.: Усталость и вязкость. t , tразрушения металлов", М., Наука, 1974, с. I4I-I46.

18. Криштал М.А., Троицкий И.В. ФИХОМ, 1971» № I, с. 35-39.

19. Криштал М.А., Головин С.А. "Внутреннее трение и структура-•-•--- l — . . tметаллов", М., Металлургия, 1976, 376 с. с ил.

20. Фридель Ж. Дислокации, М., Мир, 1976, 644 с. с ил.« .

21. Бокштейн С.З., Гинзбург С.С., Кишкин С.Г. к др. МИТОМ, 1969, № 5, с. 59.4 4'.

22. Cottroll А.Н., Bilby В.А. Phyl. Mag., 1951, v. А 264, 3,4 jp. 269-274.

23. Любов Б.Ч., Соловьев В.А., ФММ, 1965, т.19, вып. 3» с. 961-934.

24. Гутникова Г.М., Любов Б.Ч., Синеок В.А. ФИХОМ, 1970, № 2, с. 43-51.

25. Любов Б.Я. Кинетическая теория фазовых превращений, М., Металлургия, 1969.

26. Баллоу Р., Ньюман Р. В кн.: "Термически активные процессыв кристаллах", М., "Мир", 1973* с. 7:-146.t « . »

27. Кгеуе Н. Metallkunde, 1970, Bd; 61, S. 180.* ■■ t

28. Strouffer D.C., Straus A.M. Trans ASME, 1973 2, p. 229-234.

29. Чигал В. Межкристаллирная коррозия нержавеющих сталей. Л., Химия,1969, 231 с. с ил.i'li I

30. Calm I.W. "Acta Met", т. 5, 169- л, 1957.

31. Наттинг Дж. Сб. "Механизмы упрочнения твердых тел", Изд-во "Металлургия", 1965.

32. Singal Z.K., Martin L. "Acta Met", v. 15, 1603-1610, 1967.

33. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М., Металлургия, 1977» 4-31 с. с ил.

34. Cahn R.W. Poligonization In* "Progress in metal, Physics", 2, London, Butter-worth scient. Publ., 1950.• • 4

35. Orowan E. Dislocation in Metals. Cohen M. (Bd) N.T., 1954,176.

36. Коттрелл A.X. Успехи физических наук, 1952, № 46, 1979.

37. Mott H.F. Proc. Phys. Soc., 1951, B64, 72945» Лариков Л.Н. Сб. Физические основы прочности и пластичности металлов, М., Металлургиздат, 1963, 255 о.

38. Калачев Б.А., Габибуллин P.M., ФХММ, 1976, т. 12, № 5, с. 41-43 с. с ил.

39. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов, М., "Металлургия", 1967» 266 с. с ил.

40. Попов К.В. Динамическое деформированное старение металлов и хрупкость водородного типа. Новосибирск, "Наука", 1969» 96 с. с ил.

41. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. "Водород и несовершенства структуры металла", М., "Металлургия", 1979» 221 с. с ил.

42. Склюев П.В., Квашет Р.И., Шапиро М.Б. "Сталь", 1956, Ш 10, с. 909-915.

43. Bastien Р. "Material pru£." 1959, I. N I, S. 3-12

44. Shin H.M., Johnson H.H. "Script a Met all", 1977, v II, N 2, p. 151-154.

45. Максимчук В.П., ФХММ, 1976, т. 12, № 5, с. 16-20 с ил.

46. Тетельман А. В кн.: Разрушение твердых тел. Пер. с англ.

47. М., "Металлургия", 1967, с. 261-301 с ил., с. 463-499 с ил. « . * .

48. Bastien P.G., Ason P.,Plusguelles G.P. "Iron Steet Inst", I960, v 196, IT I, p. 89-90.

49. Рзенеладзе Ш.й. ФММ, 1974, т. 38, J£ 4, с. 858-863.57» Рачински В., Смолявски М. "Защита металлов", 1969, т. 5,4 41. К 5, С. 482-490.

50. Смолявски М. "Защита металлов", 1967, т. 3, № 3, с. 267-291 с ил. 59* Калачев Б.А. Водородная хрупкость цветных металлов. М., "Металлургия", 1966, с. 256 с ил.4 • ■ ,

51. Morlet J.С., Johnson H.H., Iroinno A.R. " J. Iron Steel1.st." 1958, v 189, N I, p. 37-44. i

52. Peterson J.A., Gihala R., Troiane A.E. "Iron Steel Inst." 1969, v 207, 23 I, p. 86-91.л " 'I. '

53. Troiano A.El "Trans Acmer" Soc. Metals, I960, v 52, N I, p.54.80.

54. Потак Я.М. Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. М., Оборонгиз, I960, № 52, 1С I, с. 54-80 64. Петч Н. В кн.: Разрушение, т. I, Пер. с англ. М., "Мир", 1973, с. 376-420 с ил.- 107 , . * t 65T Petch fTj. "Shil. Mag." 1956, v I, N 4 p. 331-337.

55. Потак Я.М. Бреспавцев О.П. В кн.: Некоторые: проблемы прочности твердого тела. М.,Л. Изд-во АН СССР, 1959, с. 152-164.

56. Williams D.P., Nelson H.G. "Met. Trans", 1970, v I,11. N I, p. 63-68.. 1 , 1 11

57. Nelson H.G., Williams D.P., Teyelman A.S. "Met. Trans",1971, v 2, H, p. 953-959.

58. Карпенко Г.В., Литвин А.К., Тканев В.И., Сошко А.И. ФХММ, 1973, т. 9, № 4, с. 6-12.

59. Карпенко Г.В., Василенко И.И., Хитаршвили М.Г., Федченко B.C. ДАН СССР, т. 185, № 5, с. Ю34-Ю36.

60. Федорченко B.C., Василенко И.И., Гайдаренко И.Е. ФХММ,1972, т. 8, № 3, 107-Ю8 с. с ил.

61. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. М., "Металлургия", 1979, 221 с. сил.

62. Чигал В. Межкристаллитная корозия нержавеющих сталей.| в

63. Химия, 1969, 232 с. 75» Гуляев А.П., Андрушова Н.В., Захаров Ю.В. Митом 1972,7, с. 27-3376. Токарева Т.Б., Гуляев А.П., Шварцман Л.А., Петрова Е.Ф.

64. Шапиро М.Б., Шварц Г.Л., Сталь, № 5, 1954, 449 с.

65. Колотыркин Я.М., Книжева В.М. Свойства карбидных фаз и коррозионная стойкость нержавеющих сталей. Коррозия и защита от коррозии, т. 3» М., ВИНИТИ, 1974, 207 с.

66. Книжева В.М., Чигал В., Колотыркин Я.М. Защита металлов, 1975, т. XI, № 5, с. 531-549.

67. Чигал В. Защита металлов, 1968, т. 4, № 6, с. 637-655»1..

68. Юрченко Ю.Ф., Агапов Г.И. Коррозия сварочных соединений в окислительных средах. М., Машиностроение, 1976, 150 с.

69. Ульяник Е.А. Коррозионостойкие стали и сплавы, М., Металлургия, 1980, 207 с.

70. Aust К., Armijo J., Koch Е.Р.,Westfbroek I. Trans Amer. Soc. Metals 1968, 61.8$. Aast K.T., Armijo J.S., Westfbrock I.H., ASM Trans. Quart.,t1967, 60 p. 360.

71. Aust K.T., Armijo I.S., Westhrock J.H., ASM, Trans, 1966,4 • * tp. 544.. I . - - 4

72. Armijo I.S., Corrosion, 1968, 24, p. 24.t , •

73. Armijo I.S. Corrosion Sci. 1967, 2> Р* ВД" . . t t t

74. Bain E.C., Abom E.H., Rutherford J.J., Trans. Amer. Soc.4

75. Steel, Treat, 1933, 21, p. 481-509.

76. Гудремон Э. Специальные стали, 1959, т. I, 868 сл

77. Томашов Н.Д., Чернова Г.П. Коррозия и коррозионностойкие сплавы, М., Металлургия, 1975, 232.

78. Левин И.А., Максимова Г.Ф. Ж. црикладной химии, 1963, 36, № 10, 2163 с.

79. Левин И.А., Сб. "Труды Ш-го международного конгресса по коррозии металлов", М., "Мир", 1968, 2, с. 401-410.95* Левин И.А. , Максимов!?.Ф. Химическое машиностроение, № 5, 1961.

80. Ос tober-December. 99* Саррак В.И., Суворова С.О., Глазкова И.С. Сб. "Механизмы внутреннего трения в твердых телах" М.,"Наука", 1975» с. 129-132.

81. Толмачева Г.А., Толмачев А.А., Усова Л.Ф. Сб. "Механизмы внутреннего трения в твердых телах". М., "Наука", 1975» с. 133-135.

82. TROISIME Congres international HYDRO GENE et materiauk.,

83. II/VT 1982 Paris. Thompson A.W. Bernstein J.M., ip. 845-850.

84. Proceedings JIMI-2, Hydrogen in Metals, 1977, Paris, Shusii .

85. Нагаda, TaiQi Sohmura, p. 281-284.

86. Proceedings JIMIS-2, Hydrogen in Metals, 1977, Paris,14 .p. 525-528, J, Dvejero Garcia, J. Chene, M. Aucouturier.

87. МИТОМ, 1981, № 6, с, 60-63. В.Я.Гольдштейн, В.И. Завьялова, А.И. Пискунова.

88. Саррак В.И., Суворова О.С., Глазкова С.И. Сб."Механизмы внутреннего трения в твердых телах", М., Наука, 1975» с. 127-130

89. Саррак В.И., Суворова С.О. Сб. "Релаксационные явления в твердых телах", М., Металлургия, 1968, с. 457-459»- но 107* Саррак В.И., Шилов Н.А», Энтин Р.И. Релаксационные явления в твердых телах. М., Металлургия, 1968.

90. Шапиро М.Б., Шварц Г.Л., Сталь 1954, й 5» i

91. Aust К.Т., Trans, of the Met. Soc. of AJME, 1969, 245. p. 2117.

92. Бабаков А.А. Нержавеющие стали. Свойства и химическая стойкость в различных агрессивных средах. Госхимиздат. М., 1951.

93. Коломбье Л., Гохман И. Нержавеющие и жаропрочные стали. И.Л., М., 1965.

94. Криштал М.А., Головин С.А. Пигузов Ю.В. Внутреннее трениев металлах и сплавах. М», Металлургиздат, 1964, 245 с. с ил.•'Г11'!i ttutiM

95. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЛУЖБА СТАНДАРТНЫХ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ (ГСССД)союзный научно-исследовательский центр ГСССД (ВНИЦ ГСССД)1ST -J5- Решением Всесоюзного научно-исследоВателЬского ентра Государственной слуЖбы стандартных спраВочных

96. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ

97. От заказчика • От испол.г'-'тсля:ач.лабораториигП.уЧНШ'1 руководитель теми Д.т. If. ,ПрО^.- Позвонков Ф.М1. J*

98. Утверждаю: Замдиректора НИИХЙММАШ1. С о п и ям1. Печать НИИХИММАШа1. АКТ

99. Об окончании ивнедрении хоздоговорной работы по теме !5/82 "Исследование влияния субструктурного упрочнения на поведение нержавеющих сталей типа 18*10 в среде рабочего газа мсоких температур и давлений с целью прогнозирования ресурса заботы".

100. От исполнителя: Научный руководитель темы д.т.н.,проф.1. Позвонков Ф.М1. Гордиенко JI.Kновская Т.И