Изучение влияния легирования на поведение мартенситной стали при ползучести

УДК 539.3

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ПОВЕДЕНИЕ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ

© Р.В. Мишнев, Н.Р. Дудова

Ключевые слова: мартенситная сталь; легирование; ползучесть.

Исследовано влияние легирования на свойства стали при испытании на ползучесть.

В настоящее время актуальна проблема повышения КПД энергоблоков за счет повышения параметров пара до сверхкритических (Т = 650 °С, Р = 30-35 МПа), что требует внедрения новейших жаропрочных материалов. Повышение характеристик жаропрочности сталей возможно на основе новых принципов легирования, при которых неравновесная структура сохраняет свою стабильность при высоких температурах и напряжениях за счет устойчивых к коагуляции наноразмерных частиц вторичных фаз, подавляющих миграцию меж-зеренных границ.

Как было показано в недавних исследованиях [1], одним из эффективных путей повышения сопротивления ползучести является легирование кобальтом и повышение содержания бора. В данной работе проводилось исследование перспективной стали мартенситного класса типа 10Х10К3В2МФБР, созданной на основе широко используемой стали Р92 за счет модификации химического состава (добавление 3 % Со, повышение содержания В до 0,008 %, а также снижение содержания N с целью предотвращения образования нежелательной фазы BN). Особенное внимание уделялось изучению влияния частиц вторых фаз на стабильность мартенситной структуры в процессе ползучести.

Испытания на длительную прочность проводили до разрушения при Т = 650 °С и напряжениях 120180 МПа с использованием машины рычажного типа ATS2330 на плоских образцах с базой 25 мм и сечением 7x3 мм. Исследование структуры и частиц вторых фаз проводили на фольгах и репликах с использованием просвечивающего электронного микроскопа JE0L-2100.

Было установлено (рис. 1), что сталь модифицированного химического состава демонстрирует значительно более высокое сопротивление ползучести при Т = 650 °С, чем сталь Р92, поскольку время до разрушения стали 10Х10К3В2МФБР при всех напряжениях более чем на порядок выше, чем стали Р92. Линейная зависимость времени до разрушения от напряжений исследуемой стали свидетельствует о действии единого механизма ползучести.

Расчет предела длительной прочности на базе 105 ч с использованием параметра Ларсена-Миллера (рис. 2) показал, что предел длительной прочности для стали

10Х10К3В2МФБР (ст^0 = 111 МПа) в 1,5 раза больше, чем у стали Р92 (ст^^0 = 72 МПа) [2].

Рис. 1. Зависимость времени до разрушения от приложенного напряжения для стали 10Х10К3Ф2МФБР и стали Р92 [2]

Рис. 2. Зависимость напряжения от параметра Ларсена-Миллера для стали 10Х10К3В2МФБР при Т = 650 °С

Структура мартенсита отпуска в исходном состоянии стали 10Х10К3В2МФБР (рис. 3) характеризуется повышенной плотностью дислокаций внутри реек (1,7-1014 м-2), ширина которых составляет 460 нм. По границам выделены наноразмерные карбиды М23С6 (60 нм), часть которых содержит в своем составе бор, а внутри реек - карбонитриды VN и №С (30 нм). Кроме того, отмечено небольшое количество мелких частиц МС (25 нм).

После испытания на ползучесть при всех исследуемых напряжениях были обнаружены схожие изменения структуры и фазового состава стали. Так, основным изменением в микроструктуре является увеличение ширины мартенситных реек (до 700 нм).

1599

Значительные изменения происходят с частицами вторых фаз. Во-первых, происходит коагуляция выделенных по границам зерен и реек карбидов М23С6 (с 60 до 70 нм). Во-вторых, образуются частицы фазы Лавеса (135 нм). В-третьих, происходит обогащение карбидов №С ванадием, в то время как нитриды 'УК растворяются (рис. 4). Размер карбидов №С остается стабильным в процессе ползучести (30 нм).

* М

і'

Рис. 3. Микроструктура стали 10Х10К3В2МФБР после испытания на ползучесть

дополнительное легирование благоприятно повлияло на поведение стали в процессе ползучести и позволило увеличить время до разрушения относительно стали аналога Р92.

Сравнение микроструктуры и фазового состава исследуемой стали и стали Р92 позволяют предположить, что причины более высокого сопротивления ползучести новой стали заключаются в следующем.

Во-первых, легирование кобальтом повышает эффективность твердорастворного упрочнения.

Во-вторых, особенности дисперсионного упрочнения в стали обусловливают большую стабильность мартенситной структуры в процессе ползучести по сравнению со сталью Р92. Так, карбиды в новой стали более устойчивы к коагуляции за счет легирования бором (обнаружено, что часть карбидов содержит бор М23(ВС)6). Уменьшение содержания азота привело к уменьшению в несколько раз доли карбонитридов в стали (рис. 5), а именно, частиц УЫ В частности, растворение частиц УЫ и обогащение карбидов ЫЪС ванадием в процессе ползучести предотвращает образование нежелательной 7-фазы (СЯУЫ), которая в стали Р92 приводит к деградации сопротивления ползучести. Кроме того, можно предположить, что в модифицированной стали достигнуто более оптимальное соотношение фаз М23С6 (упрочняющей преимущественно границы реек и зерен) и МХ (обеспечивающей упрочнение внутри мартенситных реек). Равномерное эффективное упрочнение материала по границам и внутри мартенситных реек обусловливает гомогенное протекание деформации без локализации в приграничных зонах, что обеспечивает более высокое сопротивление ползучести.

Рис. 5. Мольная доля вторых фаз в сталях Р92 и 10Х10К3В2МФБР, рассчитанная с помощью Thermo-Calc, при Т = 650 °С

ЛИТЕРАТУРА

1. Helis L., Toda Y., Hara T., Miyazaki H., Abe F. Effect of cobalt on the microstructure of temped martensitic 9Cr steel for ultra-supercritical power plants // Mater. Sci. Eng. 2009. A 510-511. Р. 88-94.

2. Kimura K., Sawada K., Kushima H., Kubo K. Effect of stress on creep deformation property of ASME Grade P92/T92 steels // Int. J. Mat. Res. 2008. V. 99. Р. 395-401.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Рис. 4. Типичный химический состав частиц в рабочей части образца стали 10Х10К3В2МФБР после испытания на ползучесть при температуре 650 °С при напряжении 160 МПа

Таким образом, проведенные исследования модифицированной стали 10Х10К3В2МФБР показали, что

Mishnev R.V., Dudova N.R. RESEARCH OF EFFECT OF ALLOYING ON BEHAVIOR MARTENSITIC STEEL DURING CREEP

Influence of alloying on mechanical properties of martensitic steel during creep is investigated.

Key words: martensitic steel; alloying; creep.

1б00