Влияние старения на фазовый состав и механические свойства ванадийсодержащей высокоазотистой стали

Комплексное твердорастворное упрочнение аустенитных хромомарганцевых сталей азотом и углеродом является одним из эффективных методов получения высокоазотистых аустенитных сталей (ВАС) без использования специальных методов литья. С целью повысить растворимость атомов внедрения в жидком металле и подавить образования нежелательных вторичных фаз Cr₂N и Cr₂₃C₆ в ВАС добавляют карбидообразующие элементы (например, ванадий). К настоящему времени не проводилось комплексных экспериментальных работ, посвященных старению ванадиевых сталей, содержащих сверхвысокое количество атомов внедрения (более 1 масс. %). В работе с использованием методов рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и одноосного статического растяжения изучено влияние температуры (600 и 700 °С) и продолжительности старения (0,5 и 5 ч) на фазовый состав и механические свойства ванадийсодержащей хромомарганцевой стали с высоким содержанием атомов азота и углерода (Fe-22Cr–26Mn–1,3V–0,7C–1,2N, N+C=1,9 масс. %). Экспериментально показано, что за счет реализации комплексного распада (по прерывистому и непрерывному механизмам) пересыщенного атомами внедрения аустенита старение при температурах 600 и 700 °С сопровождается дисперсионным твердением аустенитной фазы карбонитридами Cr₂(N,С) и (V,Cr)(N,С). Установлено, что по мере увеличения температуры и продолжительности старения фронт прерывистого распада движется от границ в объем аустенитных зерен. Распространению фронта реакции препятствуют образовавшиеся в аустенитных зернах по непрерывному распаду частицы (V,Cr)(N,С), в то время как крупные сферические частицы (V,Cr)(N,С) и Cr₂(N,C), не растворенные при закалке, слабо влияют на его движение. При выбранных режимах старения происходит увеличение значения условного предела текучести стали и уменьшение удлинения до разрушения.

1. Сагарадзе В.В., Уваров А.И. Упрочнение и свойства аустенитных сталей. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2013. 720 с.

2. Gavriljuk V.G., Berns H. High nitrogen steels: structure, properties, manufacture, applications. Berlin: Springer Science & Business Media, 1999. 378 p.

3. Bannykh O.A. Structural Features and Application Prospects for High-Nitrogen Austenitic Steels // Metal Science and Heat Treatment. 2019. Vol. 61. № 5-5. P. 287–294. DOI: 10.1007/s11041-019-00418-x.

4. Наркевич Н.А., Гальченко Н.К., Миронов Ю.П. Пластичность и сверхпластичность высокоазотистых хромомарганцевых сталей // Физическая мезомеханика. 2004. Т. 7. № 6. С. 79–83.

5. Maznichevsky A.N., Sprikut R.V., Goikhenberg Y.N. Investigation of Nitrogen Containing Austenitic Stainless Steel // Materials Science Forum. 2020. Vol. 989 MSE. P. 152–159. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.989.152.

6. Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118. № 4. С. 421–428. DOI: 10.7868/S0015323017020097.

7. Приданцев М.В., Талов Н.П., Левин Ф.Л. Высокопрочные аустенитные стали. М.: Металлургия, 1969. 247 c.

8. Мазничевский А.Н., Гойхенберг Ю.Н., Сприкут Р.В., Савушкина Е.С. Влияние азота на механические свойства и технологическую пластичность аустенитной стали // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2019. Vol. 19. № 2. P. 25–35.

9. Gavriljuk V.G., Berns H., Escher C., Glavatskaya N.I., Sozinov A., Petrov Yu.N. Grain boundary strengthening in austenitic nitrogen steels // Materials Science and Engineering: A. 1999. Vol. 271. № 1-2. P. 14–21. DOI: 10.1016/S0921-5093(99)00272-5.

10. Masumura T., Seto Y., Tsuchiyama T., Kimura K. Work-hardening mechanism in high-nitrogen austenitic stainless steel // Materials Transactions. 2020. Vol. 61. № 4. P. 678–684. DOI: 10.2320/matertrans.H-M2020804.

11. Чумляков Ю.И., Киреева И.В., Захарова Е.Г., Лузгинова Н.В., Сехитоглу Х., Караман И. Деформационное упрочнение и разрушение монокристаллов аустенитных сталей с высокой концентрацией атомов внедрения // Известия высших учебных заведений. Физика. 2002. Т. 45. № 3. С. 61–72.

12. Свяжин А.Г., Капуткина Л.М. Азотистые и высокоазотистые стали. Промышленные технологии и свойства // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 3. С. 173–187. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-3-173-187.

13. Rashev T.V., Eliseev A.V., Zhekova L.T., Bogev P.V. High-nitrogen steel // Steel in Translation. 2019. Vol. 49. № 7. P. 433–439. DOI: 10.17073/0368-0797-2019-7-503-510.

14. Костина М.В., Ригина Л.Г. Азотосодержащие стали и способы их производства // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2020. Т. 63. № 8. С. 606–622. DOI: 10.17073/0368-0797-2020-8-606-622.

15. Shanina B.D., Gavriljuk V.G., Berns H., Schmalt F. Concept of a new high‐strength austenitic stainless steel // Steel research. 2002. Vol. 73. № 3. P. 105–113. DOI: 10.1002/srin.200200181.

16. Гаврилюк В.Г. Углерод, азот и водород в сталях: пластичность и хрупкость // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. Т. 58. № 10. С. 761–768. DOI: 10.17073/0368-0797-2015-10-761-768.

17. Блинов В.М. Прогресс в исследовании высокоазотистых сталей коррозионно-стойких стареющих немагнитных сталей с ванадием // Металлы. 2007. № 2. С. 44–54.

18. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R: Reports. 2009. Vol. 65. № 4-6. P. 39–104. DOI: 10.1016/j.mser.2009.03.001.

19. Astafurov S.V., Maier G.G., Tumbusova I.A., Melnikov E.V., Moskvina V.A., Panchenko M.Y., Smirnov A.I., Galchenko N.K., Astafurova E.G. The effect of solid-solution temperature on phase composition, tensile characteristics and fracture mechanism of V-containing CrMn-steels with high interstitial content C + N > 1 mass. % // Materials Science and Engineering: A. 2020. Vol. 770. Article number 138534. DOI: 10.1016/j.msea.2019.138534.

20. Михно А.С., Панченко М.Ю., Майер Г.Г., Москвина В.А., Мельников Е.В., Астафуров С.В., Астафурова Е.Г. Влияние механизма дисперсионного твердения на закономерности пластической деформации и разрушения ванадийсодержащей высокоазотистой аустенитной стали // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2020. № 2. С. 42–50. DOI: 10.18323/2073-5073-2020-2-42-50.

21. Банных О.А., Блинов В.М. Дисперсионно-твердеющие немагнитные ванадийсодержащие стали. М.: Наука, 1980. 190 с.

22. Kikuchi M., Kajihara M., Choi S.K. Cellular precipitation involving both substitutional and interstitial solutes: cellular precipitation of Cr2N in Cr–Ni austenitic steels // Materials Science and Engineering: A. 1991. Vol. 146. № 1-2. P. 131–150. DOI: 10.1016/0921-5093(91)90273-P.

23. Сагарадзе В.В., Гощицкий Б.Н., Волкова Е.Г., Воронин В.И., Бергер И.Ф., Уваров А.И. Изменение структуры и микронапряжений в аустенитной стали 40Х4Г18Ф2 при карбидном старении // Физика металлов и металловедение. 2011. Т. 111. № 1. С. 82–92.