Изучение стабильности структуры перспективной жаропрочной стали мартенситного класса в процессе ползучести

УДК 539.3

ИЗУЧЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СТРУКТУРЫ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЖАРОПРОЧНОЙ СТАЛИ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА В ПРОЦЕССЕ ПОЛЗУЧЕСТИ

© А. Э. Федосеева, Н.Р. Дудова

Ключевые слова: мартенситные стали; субзеренная структура; дислокационная структура; ползучесть. Исследована стабильность субзеренной и дислокационной структур в стали мартенситного класса нового поколения 10Х9К3В2МФБР в процессе ползучести при температуре 650 °С и различных напряжениях в интервале 100-200 МПа.

Жаропрочные стали мартенситного класса применяются в тепловых электростанциях как материал для изготовления элементов котлов и паропроводов. В связи с переходом на сверхкритические параметры пара (Т = 650 °С, Рм = 25-30 МПа) возникла необходимость в разработке и исследовании мартенситных сталей нового поколения, обладающих повышенным сопротивлением ползучести при температурах выше 600 °С. В данной работе проводилось изучение изменений микроструктуры мартенситной стали нового поколения в процессе ползучести при температуре 650 °С.

Материал и методики. В качестве материала исследования была использована сталь мартенситного класса, созданная на основе стали Р92 (10Х9В2МФБР) путем дополнительного легирования кобальтом (табл. 1). Сталь была подвергнута нормализации (1050 °С, 0,5 ч) и отпуску (750 °С, 3 ч).

Испытания на ползучесть проводили до разрушения при Т = 650 °С и номинальных напряжениях 100200 МПа с шагом 20 МПа. Исследования структуры проводили на растровом и просвечивающем электронных микроскопах Quanta 600 и JE0L-2100. Исследования проводились в деформированной (шейке) и в не-деформированной части (захвате).

Таблица 1

Химический состав сталей

Массовая доля элементов, %

Марка стали C Cr Co Mo W V Nb B N

ЮХ9К3В2МФБР 0,1 9,4 3,0 0,5 1,8 0,2 0,05 0,005 0,05

Р92 (ЮХ9В2МФБР) 0,1 8,8 - 0,5 1,6 0,2 0,07 0,003 0,04

Результаты. В исходном состоянии неравновесная структура состоит из мелких вытянутых (суб)зерен, отделенных границами исходных аустенитных зерен, блоков/субзерен/реек, вдоль которых выделены карбиды М23С6 (<! = 90 нм). Внутри реек присутствуют мелкие карбонитриды МХ (<! = 30 нм). Повышенная внутренняя энергия [1] полученной структуры обусловлена высокой плотностью дислокаций 2• 1014 м-2.

Рис. 1. Зависимость напряжения от времени до разрушения для стали 10Х9К3В2МФБР. Для сравнения приведены данные для стали Р92 [2]

Изучение поведения стали при ползучести (рис. 1) показало, что она демонстрирует большее время до разрушения при одинаковых напряжениях, чем сталь Р92. То есть легирование стали кобальтом привело к улучшению сопротивления ползучести, которое, однако, более выражено при больших напряжениях и малых временах испытания. А при напряжениях менее 140 МПа или времени испытания более 2000 ч наблюдается изменение линейной зависимости напряжение -время до разрушения.

Было обнаружено, что это изменение поведения стали при ползучести связано с различными изменениями микроструктуры. Так, перелом коррелирует с началом резкого увеличения размера субзерен в процессе ползучести с 0,6 до 1,5 мкм (рис. 2). На рис. 3 видно, что после длительных испытаний на ползучесть микронная субзеренная структура формируется в условиях, когда частицы карбидов М23С6 крупные (185 нм) и довольно редко распределены вдоль границ зерен реек. При кратковременных же испытаниях, когда карбиды устойчивы к коагуляции (90-120 нм), и эффективно упрочняют границы реек и зерен, сохраняется субзеренная структура субмикронного размера.

Как известно, равновесные значения размера субзерен и расстояния между дислокациями X в процессе ползучести зависят от приложенных напряжений [3]:

1595

X-

3,9Gb

і

Р f,c

где - размер зерна; О - модуль сдвига; Ь - вектор Бюргерса; ст - приложенное напряжение; - плотность свободных дислокаций.

Рис. 2. Зависимость размера субзерен от приложенных напряжений стали 10Х9К3В2МФБР. Пунктирная линия соответствует равновесному значению размера субзерна, вычисленного с помощью формулы

б)

Рис. 3. Микроструктура

Сравнение экспериментальных данных с расчетным равновесным размером субзерен (рис. 2) показывает, что после испытания на ползучесть размер субзерен приближается к равновесному в области низких на-

пряжений (менее 140 МПа). Отметим, что размер субзерен после длительного отжига в захвате образца остается почти постоянным и гораздо меньше равновесного значения.

Кроме того, в процессе ползучести существенно увеличивается расстояние между дислокациями (рис. 4). Причем интенсивный рост междислокационного расстояния происходит при длительных испытаниях, что также коррелирует с изменением поведения стали при ползучести. Как показывает сравнение экспериментальных и расчетных данных, расстояние между дислокациями не достигает равновесного значения даже при наиболее длительном испытании (более 11 тыс. ч).

Рис. 4. Зависимость расстояния между дислокациями от приложенных напряжений стали 10Х9К3В2МФБР. Пунктирная линия соответствует равновесному значению расстояния между дислокациями, вычисленного по формуле

Это свидетельствует о сохранении эффективности дисперсионного упрочнения в стали 10Х9К3В2МФБР даже при длительных испытаниях. То есть даже довольно крупные карбиды М23С6, выделенные по границам (суб)зерен, наряду с однородно распределенными карбонитридами МХ сдерживают трансформацию дислокационной структуры в равновесную вплоть до 11 тыс. ч.

Таким образом, проведенные исследования показывают, что легирование кобальтом мартенситной стали типа Р92 обеспечило повышение стабильности субзе-ренной и дислокационной структур при испытании на ползучесть вплоть до 11 тыс. ч.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кайбьшев Р.О., Скоробогатых В.Н., Щенкова И.А. Новые стали мартенситного класса для тепловой энергетики. Жаропрочные свойства // ФММ. 2010. Т. 105. № 8. С. 1-14.

2. Т92/Р92 Book, Vallourec and Mannesmann tubes, 1998.

3. Hald J., Korcakova L. Precipitate stability in creep resistant ferritic steels - experimental investigation and modeling // ISIJ International. 2003. № 43. P. 420-427.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Fedoseyeva A.E., Dudova N.R. INVESTIGATION OF STRUCTURE STABILITY OF ADVANCED HEAT-RESISTANT MARTENSITIC STEEL DURING CREEP

Stability of sub-grain and dislocation structure of 10Х9К3В2MFBR martensitic steel during creep at 650 °C and applied stresses 100-200 MPa is investigated.

Key words: martensitic steels; sub-grain structure; dislocation structure; creep.

и

и

1596