Изучение влияния температуры и скорости деформации при малоцикловой усталости на долговечность и структуру жаропрочной мартенситной стали Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК (539.388.1; 53.09.096)

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1170-1172

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И СКОРОСТИ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ МАЛОЦИКЛОВОЙ УСТАЛОСТИ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И СТРУКТУРУ ЖАРОПРОЧНОЙ МАРТЕНСИТНОЙ СТАЛИ

© Р.В. Мишнев, Н.Р. Дудова

Белгородский государственный национальный исследовательский университет, НИУ «БелГУ», г. Белгород, Российская Федерация, e-mail: mishnev@bsu.edu.ru; dudova@bsu.edu.ru

Исследованы долговечность и микроструктурные изменения в мартенситной жаропрочной стали 10Х10К3В2МФБР при испытании на малоцикловую усталость при заданной амплитуде деформации ±0,6 % при различных температурах и скоростях деформации.

Ключевые слова: мартенситная сталь; малоцикловая усталость; скорость деформации; долговечность.

Новая перспективная сталь мартенситного класса 10Х10К3В2МФБР, разработанная на основе стали Р92, предназначена для применения в теплоэнергетической промышленности. Данная сталь демонстрирует высокое сопротивление ползучести при повышенных температурах, что обусловлено высокой стабильностью неравновесной реечной структуры отпущенного мартенсита. Помимо высокой длительной прочности к сталям данного класса предъявляется требование к низкой склонности к разупрочнению в результате малоцикловой усталости (МЦУ). Циклическое нагруже-ние в процессе эксплуатации может приводить к изменениям реечной структуры материала, обусловливающим снижение сопротивления ползучести. Так, около 65 % всех разрушений в высоконагруженных турбинах связаны с циклическими нагрузками, которые могут возникать при запуске оборудования либо могут быть вызваны перепадами в режиме работы теплоэлектростанций, а также градиентом температур при нагревании [1]. Известно, что с повышением амплитуды деформации количество циклов до разрушения мартен-ситных сталей уменьшается [2]. Недавние исследования показали, что на долговечность при МЦУ большое влияние может оказывать и скорость деформации [2].

Целью данной работы является изучение влияния температуры и скорости деформации при заданной амплитуде деформации ±0,6 % на долговечность перспективной стали мартенситного класса 10Х10К3В2МФБР.

Материал и методики. Сталь подвергали нормализации от 1060 °С и отпуску при 770 °С в течение 3 ч с последующим охлаждением на воздухе. Испытания на МЦУ проводили по схеме «растяжение-сжатие» на испытательной машине 1шЬоп 8801 при заданной общей амплитуде деформации Ёас = ±0,6 % при комнатной температуре, 500 и 650 °С. Испытания проводились при постоянной скорости деформации 310-3, 3-10-4 и 3-10-5 с-1 до разрушения. Исследование тонкой структуры проводили на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEOL-2100 с приставкой для

энергодисперсионного микроанализа. Образцы для электронно-микроскопических исследований были вырезаны из рабочей части образцов вблизи шейки вдоль оси нагружения.

Результаты. На рис. 1 представлена зависимость амплитуды напряжения от количества циклов для образцов, испытанных при постоянной скорости деформации ~10-3 с-1 при комнатной и повышенных температурах 500 и 650 °С.

Поведение стали при комнатной температуре испытания характеризуется циклическим упрочнением на 5 % на начальной стадии (до 10 циклов), в то время как при повышенных температурах 500 и 650 °С, уже начиная со 2-го цикла, происходит постоянное разупрочнение. Причем коэффициент разупрочнения при 650 °С соответствует таковому при комнатной температуре. При исследуемой амплитуде деформации ±0,6 %, согласно предыдущим исследованиям [3], доминирует пластическая деформация при циклическом нагружении стали 10Х10К3В2МФБР, что обусловливает

800

. л 600

О ф

ф

х 400

Б

200 -

ё~ Ю'с1 О 20°С

Е,с = ±0.6% • 500°С

д 650°С

о ооошо OCÖQ^

> •

10° 101 10J 10J Количество циклов, N

104

Рис. 1. Изменение амплитуды напряжения в процессе испытания на МЦУ стали 10Х10К3В2МФБР при различных температурах со скоростью деформации ~10-3 с-1

2016. Т. 21, вып. 3. Физика

Рис. 2. Изменение амплитуды напряжения в процессе испытания на МЦУ стали 10Х10К3В2МФБР при температуре 650 °С с различной скоростью деформации

Рис. 3. Микроструктура (ПЭМ) стали 10Х10К3В2МФБР после циклического нагружения при (а) комнатной температуре, (б) 650 °С с амплитудой деформации ±0,60 % и скоростью деформации ~10-3 с-1

ее небольшую долговечность (менее 10 циклов), которая имеет тенденцию к снижению при повышении температуры.

Влияние скорости деформации при одной температуре испытания 650 °С представлено на рис. 2. С понижением скорости деформации амплитуда напряжения значительно снижается, особенно заметное снижение происходит при е ~ 10-5 с-1. Кроме того, кривая при данной скорости характеризуется появлением циклического упрочнения на 3 % при первых 4 циклах испытания, в то время как при скоростях ~10-3 и ~10-4 с-1 наблюдается постоянное разупрочнение. При

этом изменение скорости деформации не приводит к изменению коэффициента разупрочнения.

С уменьшением скорости деформации количество циклов до разрушения уменьшается с 441 до 312 и до 221 цикла для скорости деформации ~10-3, ~10-4 и ~10-5 с-1 , соответственно.

Сталь 10Х10К3В2МФБР после нормализации и отпуска имеет типичную для высокохромистых мартен-ситных сталей структуру троостита отпуска (троосто-мартенсита), со средним размером исходных аустенит-ных зерен 35 мкм, средней шириной мартенситных реек около 0,4 мкм и высокой плотностью дислокаций 2-1014 м-2. Структура стали после испытания на МЦУ представлена на рис. 3 и 4. Циклическая деформация при комнатной температуре со скоростью деформации ~10-3 с-1 приводит к трансформации реечной структуры в субзеренную. Отсутствие термического воздействия и термоактивационных процессов обусловливают формирование широких субзеренных границ. Средний размер субзерен составляет 0,6 мкм. Дислокации внутри субзерен выстроены в плоские скопления, а также в дислокационные границы. Плотность дислокаций при этом составляет 1,3-1014 м-2.

Повышение температуры испытания до 650 °С приводит к укрупнению субзерен до 1 мкм и снижению плотности дислокаций до 0,45-1014 м-2. Субзерна преимущественно очищены от каких-либо скоплений и дислокационных границ.

При более низких скоростях деформации при 650 °С формируется гораздо более крупная субзерен-ная структура со средним размером субзерен 1,15 и 1,25 мкм, соответственно, при е ~10-4 и 10-5 с-1. Плот-

1 Л _о 1 Л _о

ность дислокаций снижается до 0,3-10 м и 0,2-10 м ,

Рис. 4. Микроструктура (ПЭМ) стали 10Х10К3В2МФБР после циклического нагружения при температуре 650 °С с амплитудой деформации ±0,60 % и скоростью деформации: (а) ~ 10-4 с-1, (б) ~ 10-5 с-1

соответственно, при Е ~ 10-4 и 10 5 с1. Знакопеременные нагрузки не только очищают от дислокаций область внутри мартенситных реек, но и приводят к расщеплению границ реек. Карбиды М23С6, расположенные по границам реек и исходных аустенитных зерен, в условиях доминирования пластической деформации не препятствуют миграции границ.

Таким образом, структура троостита отпуска стали 10Х10К3В2МФБР в условиях циклической деформации с превалированием пластической деформации нестабильна и трансформируется в субзеренную структуру независимо от температуры в интервале 20-650 °С и скорости деформации в интервале 10-3-10-5 с-1.

Повышение температуры испытания и снижение скорости деформации приводят к усилению процессов деградации структуры в процессе МЦУ, а именно, укрупнению субзерен и уменьшению плотности дислокаций, что обусловлено увеличением полноты протекания термически активируемых процессов разупрочнения, связанных с поперечным скольжением и переползанием дислокаций. В результате, долговечность стали, определяемая по числу циклов до разрушения, умень-

шается с повышением температуры и снижением скорости деформации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Golanski G., Mrozinski S. Low cycle fatigue and cycling softening behavior of martensitic cast steel // Eng. Fail. Anal. 2013. V. 35.P. 692-702.

2. Verma Preeti, SrinivasN.C. Santhi, Singh S.R., Singh Vakil. Low cycle fatigue behavior of modified 9Cr-1Mo steel at room temperature // Mat. Sci. Eng.: A. 2016. V. 652. P. 30-41.

3. Mishnev R., Dudova N., Kaibyshev R. Low cycle fatigue behavior of a 10Cr-2W-Mo-3Co-NbV steel // Int. Journal of Fatigue. 2016. V. 83. P. 344-355.

БЛАГОДАРНОСТИ:

1. Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 14-2900173.

2. Авторы выражают благодарность центру коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ» за предоставленное оборудование для проведения структурных исследований и механических испытаний.

Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.

UDC 539.388.1; 53.09.096

DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-1170-1172

THE INFLUENCE OF TEMPERATURE AND STRAIN RATE ON FATIGUE LIFE AND MICROSTRUCTURE OF MARTENSITIC STEEL

© R.V. Mishnev, N.R. Dudova

Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, e-mail: mishnev@bsu.edu.ru

The microstructure and fatigue life of martensitic steel 0.1C-10Cr-3Co-2W-Mo-V-Nb-B during low cycle fatigue test with strain amplitude of +0.6 % at various temperature and strain rate were investigated. Key words: martensitic steel; low cycle fatigue; strain rate; fatigue life.

REFERENCES

1. Golanski G., Mrozinski S. Low cycle fatigue and cycling softening behavior of martensitic cast steel. Eng. Fail. Anal., 2013, no. 35, pp. 692-702.

2. Verma Preeti, Srinivas N.C. Santhi, Singh S.R., Singh Vakil. Low cycle fatigue behavior of modified 9Cr-1Mo steel at room temperature. Mat. Sci. Eng.: A, 2016, no. 652, pp. 30-41.

3. Mishnev R., Dudova N., Kaibyshev R. Low cycle fatigue behavior of a 10Cr-2W-Mo-3Co-NbV steel, Int. Journal of Fatigue, 2016, no. 83, pp. 344-355.

GRATITUDE:

1. The research is fulfilled under financial support of Russian Scientific Fund, project no. 14-29-00173.

2. The authors give gratitude to centre of collective use "Diagnosis of structure and nature of nanomaterials" SRI "Belgorod State University" for providing equipment for carrying out structural researches and mechanic tests.

Received 10 April 2016

Мишнев Роман Владимирович, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, НИУ «БелГУ», г. Белгород, Российская Федерация, аспирант, e-mail: mishnev@bsu.edu.ru

Mishnev Roman Vladimirovich, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Postgraduate Student, e-mail: mishnev@bsu.edu.ru

Дудова Надежда Рузилевна, Белгородский государственный национальный исследовательский университет, НИУ «БелГУ», г. Белгород, Российская Федерация, кандидат физико-математических наук, e-mail: dudova@bsu.edu.ru

Dudova Nadezhda Ruzilevna, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russian Federation, Candidate of Physics and Mathematics, e-mail: dudova@bsu.edu.ru