CC BY
67
УДК 669.15-194.56: 669.017.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-897-900
ОСОБЕННОСТИ РАСПАДА ПЕРЕСЫЩЕННОГО у-ТВЕРДОГО РАСТВОРА В ^-Мп ВЫСОКОАЗОТИСТЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЯХ ПРИ НАГРЕВЕ
© В.В. Березовская, Е.А. Меркушкин
Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследована высокоазотистая аустенитная сталь 06Х18АГ19М2, выплавленная путем переплава под высоким давлением газообразного азота. Проведены электронномикроскопические исследования структуры стали, сформированной в результате горячей пластической деформации, закалки и старения. Показано, что во всех структурных состояниях сталь содержит аустенит и нанодисперсные нитриды Сг№ Рентгеноструктурные исследования не выявили существенных изменений периода решетки аустенита при нагреве до 800 °С. Твердость стали с повышением температуры закалки изменялась незначительно, а при нагреве закаленной стали наблюдалось небольшое повышение твердости при 500 °С и более существенное при 800 °С. Исследование кинетики старения аустенита при 500 °С выявило стадийность распада пересыщенного у-твердого раствора, что связывалось с образованием на основе упорядоченных кластеров промежуточной фазы Fe 4Н переходящей в упорядоченную фазу Сг№ Предложена схема распада пересыщенного у-твердого раствора при гомогенном зарождении избыточной фазы.
Ключевые слова: высокоазотистая аустенитная сталь; просвечивающая электронная микроскопия; упорядоченные кластеры; упорядоченная фаза
Сочетание высокой прочности, вязкости, парамаг-нитности, коррозионной стойкости и других свойств в азотистых сталях обусловлено особенностями их структурного состояния. Установлено [1], что провоцируемый азотом ближний атомный порядок в бинарных Fe-N-твердых растворах является причиной их повышенной термодинамической стабильности, которая наблюдается и в многокомпонентных аустенитных сталях на этой основе [2].
Целью работы было исследование структуры высокоазотистой стали (ВАС) в различном структурном состоянии, сформированном в результате термической обработки, включающей горячую пластическую деформацию, закалку и старение.
В работе исследовали структуру ВАС 06Х18АГ19М2, выплавленную по технологии двойного переплава под давлением азота, после горячей прокатки, закалки от температур 1000, 1050, 1100, 1150 и 1200 °С, а также после старения при температурах 300 и 500 °С. Структуру стали исследовали в просвечивающем электронном микроскопе ЭМВ-100Л с использованием режима электронографа для получения общей дифракции электронов с поверхности фольги при максимально раскрытой диафрагме. Рентгеноструктур-ный фазовый анализ проводили на дифрактометре DRON-2 в кобальтовом К-излучении с использованием фильтра Р-излучения, дилатометрические исследования -на высокотемпературном дилатометре в интервале температур 20-1200 °С. Твердость измеряли на приборах Виккерса и Роквелла при нагрузках, соответственно, 5 г и 150 кг.
На рис. 1 приведена дилатограмма стали 06Х18АГ19М2, показывающая ее высокую термиче-
скую стабильность без фазовых превращений от комнатной температуры до 1200 °С.
После горячей пластической деформации при 1220-1240 °С в структура стали 06Х18АГ19М2 наблюдались двойники отжига и матричный контраст, а также размытые рефлексы упорядоченной фазы СгЫ, изоморфной матрицы (рис. 2), которая впервые была выявлена в ВАС 0Х18Н2А1 в работе [3].
Структура стали после закалки от 1000, 1050, 1100, 1150 и 1200 °С также состояла из аустенита, выделений
0,03 -Г 0.025 -0.02 -
£
| 0,015 -0,01 -0.005 -
о -
-300 200 700 1200
т, °с
Рис. 1. Дилатограмма закаленной от 1150 °С стали 06Х18АГ19М2
[311]у Ось зон [01% CrN. [311] CrN ^ '
[200]
у, CrN.
[111]у
[111] CrN
000
Рис. 2. Структура стали после горячей деформации: а - матричный контраст в двойнике отжига; вставка - микродифракция выделенного участка; б - схема индицирования
200 _Д11 Ось зоны [011]с™
ОЙ _
Ось зоны [011]у
022 0
Ось зоны [011]CrN
Рис. 3. Структура аустенита стали 06Х18АГ19М2 после закалки от 1150 °С и старения при 500 °С: а - матричный контраст в аустените; вставка - микродифракция выделенного участка структуры; б - схема индицирования
на границах зерен выявлено не было. На всех микро-электронограммах присутствовали размытые рефлексы нитрида Сг№ Аналогичная картина наблюдалась в стали после закалки от 1150 °С (1 ч) в воде и старения при 500 °С, 2 ч (рис. 3). В структуре исследованной стали наблюдались фрагменты матричного контраста и размытые микродифракционные рефлексы нитрида Сг^
образующегося при гомогенном изоморфном распаде пересыщенного у-твердого раствора и имеющего упорядоченную ГЦК структуру. Расчет размера дисперсных выделений нитридной фазы С^ в области дифракционного контраста аустенита показал, что он составляет ~5-6 нм.
Согласно работе В.Г. Гаврилюка [1], образование нитрида СгЫ в ВАС возможно при ближнем атомном упорядочении, которое является, по мнению автора, структурным элементом упорядоченной у'-фазы Ге4К в азотистом аустените, существование которой подтверждено методом термодинамического расчета в работе [4], а также экспериментально для системы Ее-Сг-Ы в работах [5-6].
Упрочнение исследованной стали в результате старения не выявило существенного повышения твердости при нагреве до температуры 800 °С, небольшое увеличение твердости наблюдалось только при 500 °С (рис. 4).
Кинетика старения стали при 500 °С (рис. 5) выявила стадийность процесса, на первой стадии примерно через 30 мин. после нагрева наблюдается повышение твердости ИУ5 с 278 до 300 и более сильное - через 120 мин. Первая стадия старения, вероятно, связана с образованием промежуточной упорядоченной фазы Ее4Ы, переходящей при увеличении продолжительности старения в нитрид СгЫ, что согласуется с работами [1; 5-6]. Полученные данные, а также размытость рефлексов фазы СгЫ свидетельствуют о том, что в структуре аустенита присутствуют продукты распада обеих
Рис. 4. Измерение твердости стали 06Х18АГ19М2 при старении
Рис. 5. Кинетика старения стали 06Х18АГ19М2 при 500 °С
б
б
Аустенит (у) - ГЦК (а=0,3636 нм)
Упорядоченный по типу NaCl кластер
Fe4N - ГЦК
промежуточная фаза Ч (а=0,3975 нм)
CrN - ГЦК
упорядоченная по типу NaCl фаза (а=0,4149 нм)
Fe
N/вакансия
И
N
Cr
Рис. 6. Схема распада аустенита при гомогенном зарождении избыточной фазы: а - образование из упорядоченных кластеров промежуточной фазы Fe4N [4] (I стадия); б - образование упорядоченной фазы CrN (II стадия)
стадии, степень перехода одной из которых в другую зависит от температуры и продолжительности старения.
Исходя из полученных результатов электронно-микроскопических исследований, а также на основе литературных данных [4] была предложена схема распада аустенита в стали 06Х18АГ19М2 (рис. 6).
Данная модель не противоречит существующим представлениям о процессах распада пересыщенного
твердого раствора [7] и может быть объяснена сильным пересыщением аустенита стали 06Х18АГ19М2 атомами азота, поскольку она была получена путем переплава под высоким давлением (~25 атм.) газообразного азота.
Таким образом, полученные в работе результаты позволяют считать структуру стали 06Х18АГ19М2, состоящую из аустенита, промежуточной упорядоченной фазы Fe4N и/или нанодисперсных нитридов CrN, стабильным структурным состоянием, обеспечивающим высокую устойчивость аустенита к дальнейшему распаду при нагреве до 800 °С и к фазовым превращениям вплоть о 1200 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гаврилюк В.Г. Физические основы азотистых сталей // Перспективные материалы: Структура и методы исследования. Тольятти: ТГУ; МИСиС, 2007. С. 5-74.
2. Березовская В.В., Банных О.А., Костина М.В. и др. Влияние термической обработки на структуру и свойства высокоазотистой аустенитной коррозионностойкой стали 03Х20АГ11Н7М2 // Металлы. 2010. № 2. С. 34-43.
3. Березовская В.В., Голяков И.В., Банных О.А. и др. Влияние холодной пластической деформации на структуру и коррозионную стойкость стареющего аустенитного сплава 0Х18Н2А // Металлы. 2006. № 5. С. 29-32.
4. Bottger A.J., Nanu D.E., Marashdeh A. Order-disorder transitions in high-nitrogen steels: from ab-initio to statistical thermodynamics // Proceedings of 10-th International Conference on High Nitrogen Steels. HNS 2009. 6-8 July 2009, Moscow, Russia. М.: MISIS, 2009. P. 3134.
5. Imai Y., Masumoto T., Maeda K. Microstructures and Nitrides in the Ternary Fe-Cr-N System // J. Jap. Inst. Metals. 1965. V. 29. № 9. P. 860-865.
6. Imai Y., Masumoto T., Maeda K. Structural Diagrams of the Ternary Fe-Cr-N System // J. Jap. Inst. Metals and Materials. 1965. V. 29. № 9. P. 866-871.
7. Линчевская М.И., Утевский Л.М. // Научные публикации ЦНИ-ИТМАШ. М.: Машгиз, 1968. № 427.
БЛАГОДАРНОСТИ: Часть исследований проведены с использованием оборудования кафедры термообработки и физики металлов Института материаловедения и металлургии УрФУ.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC: 669.15-194.56: 669.017.3
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21 -3-897-900
DECOMPOSITION FEATURES OF THE SUPERSATURATED y-SOLID SOLUTION IN HIGH-NITROGEN Cr-Mn AUSTENITIC STEEL WHEN HEATED
© V.V. Berezovskaya, E.A. Merkushkin
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
The steel 06H18AG19M2 in all structural states formed as a result of hot plastic deformation, quenching and aging contains austenite and nanoparticulate nitrides CrN. Kinetics of austenite aging at 500 °C revealed staging decomposition of the austenite that was associated with the formation on the basis of ordered clusters in-
б
termediate phase Fe4N, which is transforming into the ordered phase CrN. The scheme of decomposition of
supersaturated y-solid solution by homogeneous nucleation of the excess phase was proposed.
Key words: high-nitrogen austenitic steel, transmission electron microscopy, ordered clusters; ordered phase
CrN.
REFERENCES
1. Gavrilyuk V.G. Fizicheskie osnovy azotistykh staley. Perspektivnye materialy: Struktura i metody issledovaniya. Togliatti, Togliatti State University Publ., Publishing House of National University of Science and Technology "MISiS", 2007, pp. 5-74.
2. Berezovskaya V.V., Bannykh O.A., Kostina M.V. et al. Vliyanie termicheskoy obrabotki na strukturu i svoystva vysokoazotistoy austenitnoy korrozionnostoykoy stali 03Kh20AG11N7M2. Metally - Russian metallurgy (Metally), 2010, no. 2, pp. 34-43.
3. Berezovskaya V.V., Golyakov I.V., Bannykh O.A. et al. Vliyanie kholodnoy plasticheskoy deformatsii na strukturu i korrozionnuyu stoykost' stareyushchego austenitnogo splava 0Kh18N2A. Metally - Russian metallurgy (Metally), 2006, no. 5, pp. 29-32.
4. Bottger A.J., Nanu D.E., Marashdeh A. Order-disorder transitions in high-nitrogen steels: from ab-initio to statistical thermodynamics. Proceedings of 10-th International Conference on High Nitrogen Steels. Moscow, Publishing House of National University of Science and Technology "MISiS", 2009, pp. 31-34.
5. Imai Y., Masumoto T., Maeda K. Microstructures and Nitrides in the Ternary Fe-Cr-N System. J. Jap. Inst. Metals, 1965, vol. 29, no. 9, pp. 860-865.
6. Imai Y., Masumoto T., Maeda K. Structural Diagrams of the Ternary Fe-Cr-N System. J. Jap. Inst. Metals and Materials, 1965, vol. 29, no. 9, pp. 866-871.
7. Linchevskaya M.I., Utevskiy L.M. Nauchnye publikatsii TsNIITMASh. Moscow, Mashgiz Publ., 1968, no. 427.
GRATITUDE: A part of research is made with the use of equipment of heat treatment and physics of metals department of Institute if Materials Science and Metallurgy Ural Federal University.
Received 10 April 2016
Березовская Вера Владимировна, Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Российская Федерация, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры металловедения, e-mail: [email protected]
Berezovskaya Vera Vladimirovna, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russian Federation, Doctor of Technics, Assosiate Professor, Professor of Metal Science Department, e-mail: ber6141 @yandex.ru
Меркушкин Евгений Анатольевич, Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина, г. Екатеринбург, Российская Федерация, аспирант, кафедра металловедения, e-mail: [email protected]
Merkushkin Evgeniy Anatolevich, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Yekaterinburg, Russian Federation, Post-graduate Student, Metal Science Department, e-mail: [email protected]
