Влияние водорода на свойства высокопрочной коррозионностойкой стали внс65-ш (18х13н4к4с2ам3-ш) и пути устранения водородной хрупкости

УДК: 621.785.01

Н.М. Вознесенская1, О.А. Тонышева1, А.В. Леонов1, К.В. Дульнев1

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СВОЙСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ КОРРОЗИОННОСТОЙКОЙ СТАЛИ ВНС65-Ш (18Х13Н4К4С2АМ3-Ш) И ПУТИ УСТРАНЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ

DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-10-3 -9

Сталь ВНС65-Ш является сталью переходного класса с ав>1670 МПа, которая предназначена для силовых деталей и узлов изделий авиационной техники. В статье изложены результаты исследования влияния диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) на пластичность стали. Показано отрицательное влияние поверхностного «наклепа» на удаление ДПВ при термообработке.

Исследованы режимы термообработки, обеспечивающие минимальное содержание ДПВ в образцах и восстановление пластичности стали. Показано положительное влияние обезводороживающей термообработки в вакуумной печи на восстановление пластичности.

Ключевые слова: высокопрочная сталь, коррозионностойкая сталь, диффузионно-подвижный водород, поперечное сужение, пластичность, термообработка, поверхностный наклеп.

N.M. Voznesenskaya1, O.A. Tonusheva1, A. V. Leonov1, K. V. Dulnev1

HYDROGEN INFLUENCE ON HIGH-STRENGTH CORROSION-RESISTANT STEEL VNS65-Sh PROPERTIES AND WAYS OF ELIMINATION OF HYDROGEN EMBRITTLEMENT

High strength corrosion-resistant steel VNS65-Sh is the transitional class steel. This steel is used for manufacturing of the high-loaded power details and nodes for aviation engineering. The results of diffusion mobility hydrogen (DMH) influence on steel plasticity characteristics are shown in this article. The negative influence of surface cold working on removal of DMH during heat treatment is shown.

The different modes of heat treatment providing the minimum content of DMH in samples and recovery of steel plasticity of are investigated. Positive influence of heat treatment in vacuum furnace on recovery of steel plasticity is shown.

Keywords: high strength steel, corrosion-resistant steel, diffusion mobility hydrogen, reduction of area, plasticity, heat treatment, surface cold working.

^Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru

Введение

В рамках инновационных разработок ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации комплексной научной проблемы 8.2. «Высокопрочные конструкционные и коррозион-ностойкие свариваемые стали с высокой вязкостью разрушения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») для высоконагруженных силовых деталей самолетов пятого поколения применена

суперпрочная коррозионностойкая сталь ВНС65-Ш с ов>1670 МПа и высокими характеристиками надежности [1-5].

Повышение прочности неизбежно сопровождается снижением ударной вязкости и возрастанием чувствительности к концентраторам напряжений, т. е. остро встает вопрос об обеспечении надежности работы металла в эксплуатационных условиях.

Материал для исследования - высокопрочная коррозионностойкая сталь ВНС65-Ш переходного (аустенито-мартенситного) класса с ов>1670 МПа. Сталь выплавляли заданного фазового состава с контролем в процессе выплавки магнитности литых проб и доводкой химического состава до заданной величины магнитности, что позволяет получить в микроструктуре стали заданное количество остаточного аустенита и тем самым обеспечить наряду с высокой прочностью высокие значения пластичности и вязкости.

Для получения высокой прочности сталь легирована углеродом и азотом (в сумме Ес+м~0,27%), кремнием и кобальтом. Высокое сопротивление коррозионному растрескиванию обеспечивается легированием молибденом и кремнием. Легирование стали церием, лантаном и иттрием позволяет уменьшить содержание примесей и измельчить зерно [4].

Получение высокого комплекса механических и коррозионных свойств обеспечивает разработанный режим упрочняющей термообработки (закалка, обработка холодом и низкий отпуск).

По сравнению с существующими широко применяемыми высокопрочными сталями аналогичного назначения, сталь ВНС65-Ш обладает преимуществами по прочностным характеристикам и превосходит эти стали по усталостной долговечности более чем на 30%.

Выплавка высокопрочных коррозионностойких сталей, легированных азотом, на металлургических заводах в основном производится в открытых дуговых или индукционных печах с последующим электрошлаковым переплавом. Однако при внедрении этих сталей для деталей, изготавливаемых из крупных полуфабрикатов, имели место случаи разрушения ответственных деталей [6].

Увеличение толщины детали привело при кратковременных испытаниях на растяжение к снижению пластических характеристик (в основном поперечного сужения), особенно на образцах, вырезанных из центральной зоны сечения заготовки. Образцы после испытания на разрыв имели кристаллические вырывы в зоне излома, так называемые «флокены при растяжении», возникающие на стадии образования на образцах шейки.

Ранее авторами работ [7-9] установлено, что снижение пластичности высокопрочных коррозионностойких сталей приводит к повышенному содержанию водорода, количество которого в центре заготовки больше, чем на периферии.

В отличие от малолегированных и среднелегированных высокопрочных сталей для коррозионностойких сталей опасность хрупкого разрушения под действием водорода существенно выше, так как повышенное содержание хрома в коррозионностойких сталях резко тормозит диффузию водорода и его удаление в процессе нагревов при горячей деформации и термической обработке [10, 11].

Современные гипотезы водородной хрупкости сталей основаны на том факте, что под действием растягивающих напряжений диффузионно-подвижная часть водорода (в виде атомов или протонов) перемещается в зону максимальных напряжений, в которой с течением времени создаются высокие концентрации водорода [12].

Исследования авторов данной статьи показали, что водородное охрупчивание определяет не общее содержание водорода в металле, а только его диффузионно-подвижную часть, выделяющуюся при 200-500°С и обладающую малой энергией связи с дефектами кристаллической решетки. Эта часть водорода (в виде атомов или протонов) постепенно перемещается в зону максимальных напряжений, где создаются

высокие концентрации водорода, которые способствуют значительному снижению пластичности стали. Для этого требуется приложение критического (порогового) уровня напряжений, величина которых зависит от типа и структуры стали, концентрации диффузионно-подвижного водорода, типа напряженного состояния и т. д.

Повышенное содержание диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) в сталях, кроме пластичности, снижает прочность образцов с острым надрезом, вызывает склонность к замедленному разрушению, снижает малоцикловую усталость [13]. Все это может приводить к преждевременным хрупким разрешениям деталей.

Эффективным методом борьбы с образованием преждевременных хрупких разрушений стали, получаемой с помощью электрошлакового переплава, явилось уменьшение содержания ДПВ путем применения обезводороживающих термических обработок.

Исследования* стали ВНС-2 электрошлакового переплава показали, что при последовательном повышении температуры вакуумного нагрева со 100 до 500°С количество выделяемого водорода возрастает. При 500°С выделяется предельное количество водорода, который считается диффузионно-подвижным. Такое же количество водорода может быть выделено при более низких температурах, но за большее время нагрева. Повышение температуры нагрева с 500 до 600°С не приводит к дополнительному выделению водорода. При нагреве свыше 650-800°С происходит увеличение количества выделяемого водорода, которое приближается к концентрации общего водорода [13]. На рис. 1 представлены данные по выделению водорода в вакууме при последовательных температурах нагрева на стали ВНС-2 [14].

5Г й Ч О

а о ч о м о

SP S

ч о

4-

3-

2-

1 -

200 400 600 800 1000 Температура последовательных нагревов, °С

1200

Рис. 1. Выделение водорода в вакууме при последовательных температурах нагрева на стали ВНС-2

5

0

Поскольку, как показано в ряде работ**, охрупчивание стали, содержащей водород, связано с концентрацией ДПВ, то возникает вопрос о возможности перехода общего водорода (ОВ) в ДПВ и проявления водородной хрупкости на металле, уже прошедшем обезводороживание и содержащем малое количество ДПВ. По данным работы [14], на стали ВНС-2, прошедшей обезводороживающий отжиг при 500°С и содержащей

* Проведены Н.М. Вознесенской и Р.А. Савинковым.

** Исследования Я.М. Потака и Н.М. Вознесенской.

после этого ~0,Ы0-4% (по массе) (~0,11 см3/100 г Ме) ДПВ и ~7-10-4% (по массе) (~7 см3/100 г Ме) ОВ, такой переход ОВ в ДПВ не происходит при нагревах стали в печи до высоких температур аустенизации (800-1300°С). Эти результаты могут свидетельствовать о высокой стабильности распределения водорода между низкоэнергетическими (ДПВ) и высокоэнергетическими (ОВ) «ловушками», которое восстанавливается после проведения закалочных нагревов и прохождения мартенситного превращения.

В другой серии опытов* исследована возможность перехода ОВ^ДПВ путем холодной пластической деформации и последующего вылеживания при комнатной температуре. На предварительно обезводороженном металле (сталь ВНС-2), содержащем 0,1-10-4% (по массе) (0,11 см3/100 г Ме) ДПВ и 2-10-4% (по массе) (2,2 см3/100 г Ме) ОВ, проводилась холодная деформация со степенью обжатия ~50%. Сразу после деформации было обнаружено некоторое повышенное содержание ДПВ. Вылеживание после деформации при комнатной температуре в течение 4 мес привело к дополнительному росту ДПВ до 0,8-10-4 % (по массе) (0,9 см3/100 г Ме) и, соответственно, к снижению концентрации ОВ.

На основе этих результатов сделан вывод, что пластическая деформация приводит к дроблению (разрушению) ловушек для ОВ (сульфиды, карбиды) и способствует его переходу в диффузионно-подвижное состояние. Установление нового равновесия требует некоторого времени, и вылеживание пластически деформированного металла обеспечивает большую степень перехода ОВ^ДПВ.

Следует отметить, что малая скорость дегазации наводороженного металла также зависит от наличия на свободной поверхности оксидных пленок, хотя скорость доставки водорода к поверхности может быть достаточно велика [14, 15].

При исследовании механических свойств крупных поковок из стали ВНС65-Ш получены неудовлетворительные свойства по характеристикам пластичности - в основном значений поперечного сужения (у). В связи с этим проведены исследования влияния содержания ДПВ в поковках из стали ВНС65-Ш и различных режимов обезво-дороживания на восстановление пластичности стали.

Материалы и методы

Исследования проводили на металле крупных поковок размером 170*500*800 мм из стали ВНС65-Ш, полученных свободной ковкой на прессах со степенью укова 8. Поковки предназначены для изготовления ответственных деталей планера. Из поковок вырезали заготовки размером 15*15*70 мм, которые обрабатывали по различным режимам обезводороживающей и упрочняющей термической обработки.

Механические свойства определяли при растяжении образцов 05 мм, изготовленных из заготовок после окончательной термообработки.

Содержание ДПВ определяли** на анализаторе водорода марки АВ-1 на образцах 04 мм и длиной 7 мм, которые вырезали из головок образцов после испытания при растяжении.

Перед упрочняющей термической обработкой заготовки из стали ВНС65-Ш для удаления ДПВ подвергали обезводороживающему отпуску с выдержкой 15 ч. Нагрев под закалку проводили как в вакуумной печи с ускоренным охлаждением после выдержки в атмосфере азота (при давлении 5 ат), так и в атмосферной печи с последующим охлаждением в масле. Продолжительность выдержки при нагреве под закалку менялась с 1 до 3 ч.

Часть заготовок перед обезводороживающим отпуском подвергали поверхностному наклепу с обдувкой корундом.

* Проведены Н.М. Вознесенской.

** Исследование содержания ДПВ в образцах проведено Д.М. Давыдовым.

Результаты и обсуждение

В табл. 1 представлено влияние среды нагрева (вакуумная или атмосферная печь) при обезводороживании и при нагреве при температуре закалки на механические свойства и содержание ДПВ в образцах из стали ВНС65-Ш.

Таблица 1

Механические свойства и содержание диффузионно-подвижного водорода (ДПВ) в образцах, изготовленных из заготовок размером 15*15*70 мм без обдувки корундом

Печь для наг] рева заготовок Ов О0,2 55 у Содержание ДПВ [Н], см3/100 г Ме

для обезводороживаю-щего отпуска для закалки с выдержкой в течение 3 ч** МПа %

Вакуумная* Вакуумная 1710 1720 1290 1310 20,0 21,0 58,0 56,0 0,10-0,12

Атмосферная Вакуумная 1670 1710 1260 1360 21,0 22,0 55,0 56,0 0,12-0,13

Вакуумная Атмосферная 1700 1710 1270 1280 18,5 19,5 48,0 51,0 0,13-0,15

Атмосферная Атмосферная 1700 1720 1320 1290 20,0 19,0 50,0 48,0 0,20

* Вакуум 10-2 мм рт. ст. (133,310-2 Па). ** После закалки проводили обработку холодом и отпуск.

Из полученных данных видно, что после термообработки в вакуумной и атмосферной печах механические свойства, включая пластические характеристики (5 и у), удовлетворяют предъявляемым требованиям. Содержание ДПВ в образцах не превышало 0,2 см3/100 г Ме. Лучшие результаты получены после обезводороживания в вакуумной и атмосферной печи с последующим нагревом под закалку в вакуумной печи -средние значения поперечного сужения составляют у=56-57%. Содержание ДПВ составляло 0,10-0,13 см3/100 г Ме.

В табл. 2 представлено влияние продолжительности выдержки при закалке и поверхностного наклепа с обдувкой корундом заготовок перед обезводороживанием на механические свойства образцов и содержание в них ДПВ.

Таблица 2

Влияние обдувки корундом заготовок размером 15*15*70 мм перед обезводороживающим отпуском и продолжительности выдержки при температуре закалки на содержание диффузионно-подвижного водорода

Состояние Печь для Нагрев под закалку** Механические Содержание

поверхности обезводороживающего в атмосферной печи свойства ДПВ [Н],

заготовок отпуска в течение 15 ч в течение, ч ов, МПа у, % см3/100 г Ме

Обдувка Атмосферная 1 1730 18-22 0,66-0,72

корундом 2 1740 30 0,48-0,60

3 1700 38 0,40

Вакуумная* 3 1710 40 0,36

Без обдувки Атмосферная 3 1720 50 0,22

корундом

* Вакуум 10-2 мм рт. ст. (133,310-2 Па). ** После закалки проводили обработку холодом и отпуск.

Из полученных данных видно, что в образцах, изготовленных из заготовок с обдувкой корундом перед обезвороживающим отпуском, при выдержке при температуре закалки в течение 1 ч содержится повышенное количество ДПВ (0,66-0,72 см3/100 г Ме), что привело к резкому снижению значений поперечного сужения (у=18-20% вместо требуемых у>45%).

Увеличение продолжительности выдержки при нагреве под закалку до 2 и 3 ч заготовок с обдувкой корундом перед обезводороживающим отпуском приводит к некоторому снижению содержания ДПВ до 0,48-0,6 см3/100 г Ме (после 2 ч выдержки) и до 0,36-0,40 см3/100 г Ме (после 3 ч выдержки) и повышению значений поперечного сужения до 40 и 38% соответственно.

Сравнение данных, представленных в табл. 1 и 2, показывает, что в заготовках, прошедших обдувку корундом перед обезводороживающим отпуском с выдержкой 15 ч и последующей закалкой с выдержкой от 1 до 3 ч, содержится повышенное количество ДПВ, что связано с созданием на поверхности наклепанного слоя, который затрудняет при обезводороживающем нагреве диффузию водорода в металле и удаление его из заготовок.

Таким образом, при пластической деформации поверхности на ней образуется большое количество дефектов и затрудняется перемещение водорода внутри металла и удаление его из заготовок.

На рис. 2 представлены характер излома (рис. 2, а) и состояние поверхности цилиндрического образца (рис. 2, б) после испытания на растяжение с низким поперечным сужением (у~18%). Содержание ДПВ составляет ~0,7 см3/100 г Ме. На рис. 3 представлена микроструктура образца с ^=18% после испытания на растяжение. Видно, что характер излома образца с низким поперечным сужением малопластичный и имеет кристаллические вырывы - «флокены при растяжении».

Рис. 2. Характер излома (а) и состояние поверхности (б) образцов из поковки стали ВНС65-Ш (у=18%) после испытания на растяжение:

а - кристаллические площадки в изломе - «флокены при растяжении»; б - трещины на гладкой части образца параллельно излому

Рис. 3. Микроструктура образца из поковки стали ВНС65-Ш (микрошлиф вдоль оси образца) после испытания на растяжение - трещины в теле образца параллельны поверхности излома

На поверхности цилиндрической части образца и в теле образца (рис. 3) имеются трещины, параллельные поверхности излома, образовавшиеся в процессе испытания. Показано [7], что образование параллельных трещин свидетельствует о повышенном содержании в металле образцов ДПВ.

Заключения

1. Значения поперечного сужения образцов из стали ВНС65-Ш резко снижаются при содержании в стали 0,5-0,72 см /100 г Ме ДПВ.

2. В изломах образцов из стали ВНС65-Ш с низкими значениями пластичности (у) наблюдаются хрупкие кристаллические участки, а на поверхности и внутри сечения -трещины, параллельные излому.

3. В образцах, имеющих значения поперечного сужения у=45-47%, удовлетворяющих требованиям ТУ, содержание ДПВ составило 0,10-0,25 см3/100 г Ме.

4. Лучшие результаты значений поперечного сужения (у) и низкое содержание (0,10-0,13 см3/100 г Ме) ДПВ получены после проведения обезводороживающей термообработки и нагрева под закалку в вакуумной печи.

5. Обдувка заготовок корундовым песком тормозит обезводороживание в результате создания на поверхности наклепанного слоя, затрудняющего диффузию водорода в металле и удаление его из заготовок.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1. С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-91402015-0-1-3-33.

2. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Ломберг Б.С., Сидоров В.В. Приоритетные направления развития технологий производства жаропрочных материалов для авиационного двигателе-строения // Проблемы черной металлургии и материаловедения. 2013. №3. С. 47-54.

3. Громов В.И., Вознесенская Н.М., Покровская Н.Г., Тонышева О.А. Высокопрочные конструкционные и коррозионностойкие стали ФГУП «ВИАМ» для изделий авиационной техники // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 159-174. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-159-174.

4. Тонышева О.А., Вознесенская Н.М. Перспективные высокопрочные коррозионностойкие стали, легированные азотом (сравнительный анализ) // Авиационные материалы и технологии. 2014. №3. С. 27-32. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-3-27-32.

5. Каблов Е.Н., Старцев О.В. Фундаментальные и прикладные исследования коррозии и старения материалов в климатических условиях (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2015. №4 (37). С. 38-52. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-38-52.

6. Каблов Е.Н., Сидоров В.В., Каблов Д.Е., Мин П.Г., Ригин В.Е. Ресурсосберегающие технологии выплавки перспективных литейных и деформируемых супержаропрочных сплавов с учетом переработки всех видов отходов // Электрометаллургия. 2016. №9. С. 30-41.

7. Вознесенская Н.М., Потак Я.М., Качанов Е.Б., Шалин Р.Е., Гращенков П.М., Жабина В.А., Шведова Л.В. Влияние водорода на качество высокопрочных коррозионностойких сталей // Новое в металлургии сталей и сплавов. Сер.: Авиационные материалы. 1979. Вып. 2. С. 120-129.

8. Кривоногов Г.С., Каблов Е.Н. Статическая трещиностойкость наводороженных высокопрочных сталей // Авиационные материалы и технологии. 2000. Вып. 2. С. 25-32.

9. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах. М.: Металлургия, 1974. 271 с.

10. Мороз Л.С., Чечулин Б.Б. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1967. 256 с.

11. Склюев П.В. Водород и флокены в крупных поковках. М.: Машгиз, 1963. 188 с.

12. Котрелл А.Ф. Структура металлов и свойства. М.: Металлургиздат, 1957. 134 с.

13. Каблов Е.Н., Кривоногов Г.С. Работоспособность коррозионностойких сталей при воздействии водорода // Металлы. 2002. №1. С. 42-51.

14. Братухин А.Г., Демченко О.Ф., Долженков Н.Н., Кривоногов Г.С. Высокопрочные коррозионностойкие стали современной авиации. М.: МАИ, 2006. 654 с.

15. Мак-Магон К., Брайнт К., Бенерджи С. Влияние водорода и примесей на хрупкое разрушение стали // Механика разрушения, разрушение материалов. 1979. №17. С. 109-133.