CC BY
10
УДК 620.172.2
В. I. Витвицький, В. I. Ткачов, М. П. Бережницька, Р. В.Чепль
СТРУКТУРНО-МЕХАН1ЧНИЙ П1ДХ1Д ДО ВИЗНАЧЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ КОРОЗ1ЙНОСТ1ЙКИХ СТАЛЕЙ
Запропоновано коеф1и,1ент стаб1льност1 аустен1ту Ау для короз1йност1йких сталей,
який дозволяе юльюсно оц1нити Тх фазово-структурний стан за х\м!чним складом. Його розраховують на основ1 хром- \ н1кельекв1валент1в. Використовуючи Ау одержано коре-ляцТм1ж механ1чними характеристиками сталей а^ а02, 8 у.
Проблема та и аналiз
Адекватна оцнка ресурсу машин i вузлiв - пе-редумова пдвищення ефективност 1'х використан-ня у промисловост, переходу на вищi робочi па-раметри, зменшення металоeмностi та впроваджен-ня нових технологiчних процесiв. Основою прогнозу е кiлькiснi спввщношення, якi пов'язують склад сплавiв, структуру та властивост. 1х визначення та застосування на практик - одне з актуальних прю-ритетних завдань матерiалознавства. Розробка нових металiчних матерiалiв i технологiчних процесiв сьогодн здiйснюеться вартiсними емпiричними методами. Iснуючi ж кiлькiснi залежностi обмежен вузькими дiапазонами змiн хiмiчних складiв, структур та властивостей. Серед корозмнослйких мате-рiалiв такi кореляци встановлено лише для низько-мщних аустенiтних сталей [1]. Основним недолгом вiдомих пiдходiв е вiдсутнiсть об'еднуючого кiлькiсного показника, який би враховував за хiмiчним складом фазно-структурний стан матер^ алiв у широкому дiапазонi змiн.
Мета дослiджень - розробити кшьюсний показ-ник сукупностi елеменлв хiмiчного складу на при-кладi корозiйностiйких хромистих i хромонiкелевих сталей i сплавiв рiзноí мiцностi, який би характери-зував фазно-структурний стан матерiалу, та оцни-ти можпивють його застосування для визначення зв'язку мiж характеристиками мiцностi i пластичность
Матерiали, методика та результати дослщ-жень
Визначення фазно-структурного показника. Основним вихiдним чинником, що формуе дефор-мацiйну поведЫку та службовi характеристики (границ мцносл аь та текучосл ао 2, плaстичнiсть 8, у) конкретного мaтерiaлу, е структура з о.ц.к. чи г.ц.к. гратками. Для потрмних Ре-Сг-М сплaвiв 17 встанов-люють за вiдповiдною дiaгрaмою стану (рис. 1), яка визначае фазовий стан залежно вщ вмюту хрому та нкелю. В сплавах з бтьшою кiлькiстю легуваль-них елементв зaмiсть N та Сг за Шеффлером i Шнайдером використовують хром- та нiкельеквiвaленти (СгЕ та Ы1Е), якi пiдрaховують за в^омими
спiввiдношеннями [1]:
СгЕ = [Сг]+2[Б1]+1,5[Мо]+5[У]+5,5[Д!]+
+1,75[ЫЬ]+1,5[Т1]+0,75[Щ (1)
МБ = [М]+[Со]+0,5[Мп]+
+0,3[Си]+25[1Ч]+30[С]. (2)
У квадратних дужках вмют елементiв у масо-вих вiдсоткaх. За цими спiввiдношеннями вплив 14 елементiв зведено до двох е^валентв (СгЕ та Ы1Е). Використовуючи 1'х, визначали фазно-струк-турний показник. Вважали, що розташування фа-зово!' криво'' на рис. 1 не залежить вщ замЫи Сг та N на СгЕ та Ы1Е i описуеться параболою:
(Ы1Е)В = 0,0512 (СгЕ)2 - 1,843 (СгЕ) + 28,6. (3)
Фазовий стан (, як наслщок, механзм деформу-вання, а вщтак, i влaстивостi) мaтерiaлу залежить вщ розташування точки з його координатами вщносно концентрацйно''' криво!', що розмежовуе у- та а-об-лaстi. Для конкретного сплаву з певним хiмiчним складом за спввщношеннями (1), (2) визначали д1йсн1 хромовi та нiкелевi еквiвaленти. Пiсля цього
10 20 30
% Сг. СгЕ
Рис. 1. Зм1на фазового стану в потрмних сплавах Ре-Сг-Ы1 залежно вщ вм1сту Сг(СгЕ) та М1(Ы1Е) (у - аустент; а -ферит або перех1дн1 структури). Точки 1 та 2 - приклади визначення Ы1Е1 в та М1Е2В у сплавах з координатами СгЕ; Ы1Е; Сг2Е; Ы12Е. Парабола в1дпов1дае значенням Ы1Е, м1н1мально достатн1м для одержання 100 % аустенту
© В. I. Витвицький, В. I. Ткачов, М. П. Бережницька, Р. В.Чешль 2006 г. - 180 -
за рiвнянням (3) пдраховували базовий нкелевий еквiвалент (Ы1Е)В, який вщповщае конкретному зна-ченню хромового е^валенту на параболi, i по-рiвнювали його з д1йсним нкелевим еквiвалентом сплаву. Запропоновано характеризувати матерiал
бок. Розглядаючи залежнiсть мiж мщнютю та границею текучостi сталей, можна вщзначити, що вона е якiсною: матерiали майже з однаковою границею текучостi (ст0 2) можуть мати рiзнi ст6 \ Ау (рис. 2, а). Це унеможливлюе 'х кiлькiсну оцiнку. Вводячи по-
коефiцiентом стабiльностi аустенiту Ау = (Ы1Е)/ казник стабiльностi аустенiту Ау до кола основних (Ы1Е)В, який показуе, на скльки д1йсний е^валент вищий або нижчий за базовий. За змютом ко-
ефiцiент AY - кiлькiсна мiра надлишку або нест^ шуканий вираз виглядатиме так: Аутаг = 1( Ay kbp),
у
характеристик сталей, можна впорядкувати мате-рiали i одержати вщповщы кiлькiснi залежностi. Тут
У.
аустенiтотвiрних елементiв у даному матерiалi для виникнення 100 % аустенту i за дiаграмою (рис. 1) пов'язуе концентрацю основних легувальних еле-ментв з фазно-структурним станом матерiалу. Пд навантаженнями фазно-структурний стан сталей (ктькюно Ау) визначае механiзм деформування ^ як наслiдок, спiввiдношення мiж деформацйними, силовими та часовими характеристиками отрносл.
У феритних сталей Ау = 0,152......0,44; мартенсит-
них - 0,45...0,71; у перехiдних - 0,72......0,96. Якщо використовували координати у = Аут сть г, х = Аук
А. =1, матерiали мають мiнiмально достатнй для ст0 2 р■ Пiсля описаних процедур та розрахункiв бу-
де а, Ь - показники механчних властивостей. Фун-кцю 1 визначають графiчно в координатах у = А^аП х = АукЬр. 1терацею т, г, к та р координати та криву оптимiзували так, щоб коефiцiент кореляци рiвняння апроксимацií Я > 0,95. Результат апрок-симацп вважали прийнятним, коли розбжнють мiж фактичними i розрахованими значеннями не пере-вищувала похибки експериментальних результатiв. Для побудови залежност мiж показниками мiцностi
утворення 100 % аустенiту хiмiчний склад. Це стал з деформацiйно нестабтьним аустенiтом. У структурах зi стабiльним аустенiтом Ау >1,1.
М1цн1сть \ пластичн1сть. Механiчнi властивостi сталей (сть, ст0 2, 8, у) визначали, статично розтягую-чи п'ятикратн гладк зразки дiаметром 5 мм при 293К зi сталою швидкютю руху активного захвату 0,1 мм/ хв на установц УМЕ-10ТМ. Загальний Ытервал дос-лiджуваних значень становив: ст02 = 200...1100 МПа; сть = 380...1340 МПа; '8 = 12...72%; у = 24...83% (табл. 1). Сталi 1Х13; 2Х13; 1Х12Н2ВМФБА; 15Х16Н2М; 1Х18Н10Т i 04Х11Н43М2Т подано псля рiзних термiчних обро-
дували графiчнi залежностi -у1лусть - ^Л/ст0,2 (рис.
2, б), на пiдставi яких одержали чотири рiвняння апроксимаци (табл. 2), кожне з них - для певного Ытервалу значень ст02 .
I група найменшо' мiцностi 200 МПа < ст02 < 330 МПа - матерiали в гомогенному станi однофазного розчину замЦення з А. вiд 0,152 до 2,52: Х5СгЫИ 8-12; 00Х19Н23В2Т; Х2Сг1\ПМо18-12; 08X18Н10 (з 0,022% Ы); 1Х18Н10Т; 08Х17Т; 03Х21Н32М3Б (гартована).
II група - 380 МПа < ст02 < 600 МПа - матер^ али, легованi елементами 'замщення та змщнеы
Рис. 2. Залежност1 м1ж показниками м1цност1 та пластичност1 сталей з урахуванням Ау (б-г) \ без урахування (а). Цифри
1-4 - групи мщност
¡ББЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006 - 181 -
Таблиця 1 - Дослщжуваы матерiали та Тх характеристики
№ п/п Мат^нал, температура (К) та час (хв) тер]шчно1 обробки, середовище гарту-вання Експериментальш даш л, Структура Джерело Розрахунковi даш
Сь С0,2 5 V Сь, МПа 5
МПа % %
1 08Х17Т, 1053, вода 460 260 37 66 0,153 Ф 404 37 72
2 1Х13 (II) 620 390 25,8 67,3 0,349 Ф [2] 573 27 71
3 1Х13 (I), 1273, (120); п.; 1033 (120); п. 638 429 35 77 0,349 Ф [2] 701 29 77
4 Х25Н6М 620 380 28 57 0,439 Ф 676 32 62
5 1Х17Н2Ш, 1263, (120); олива; 823 (120); вода 912 707 16,9 55 0,549 М+Ф [2] 840 19 48
6 2Х13, 1323 1000 850 17 65 0,553 М [3] 1025 18 59
7 2Х13, 1323, 843 1215 1080 16 68 0,553 М [3] 1287 13 63
8 15Х16Н2М, 1313, 933 980 800 18 41 0,566 М [3] 962 17 55
9 15Х16Н2М , 1313, 843 1200 900 12 50 0,566 М+К [3] 1063 18 54
10 1Х12Н2ВМФ, 1293, 1033 970 865 18,5 59,5 0,635 М+К 1051 16 63
11 1Х12Н2ВМФБА, 1293, 933 1105 970 17,5 59 0,71 М+К+1 [3] 1125 16 60
12 1Х12Н2ВМФБА, 1293, 873 1340 1115 14,5 64,5 0,71 М+К+1 1244 17 71
13 20Х14Н3М2Б, 1383, олива, 923 (120); п. 1000 790 17 65 0,722 А+М+К 961 17 60
14 02Х11Н11МФ, 1223, (15) 523 1000 950 17 75 0,799 Ашп+Ы+1шп 1075 16 64
15 02Х10Н9Т2М2 1110 1010 20 64 0,871 А+Ы [2] 1092 18 68
16 03Х12Н9МТ, 1273, (60) 823 1050 950 17 60 0,933 А+М+1шп 1025 19 61
17 03Х10Н8К4МФД 1100 1070 18 65 0,961 А+М+1 1104 18 62
18 Х5Сг№, 18-12, 1323, вода (типу 05Х19Н10) 600 200 72 50 1,004 А+Мд, [4] 520 83 53
19 1Х18Н10Т, 1423, 1023 (600) 650 250 71 53,6 1,051 А+Мд, [2] 638 72 65
20 1Х18Н10Т, 1323, вода 660 290 67 62 1,060 А+Мд. 723 64 75
21 08Х18Н10 0,022% К, 1323, вода 590 224 78 74 1,078 А+Мд. [5] 577 73 59
22 03Х13АГ19, 1273, вода 890 381 63 74,5 1,110 А 848 66 68
23 Х2Сг№Мо, 18-12 (типу 08Х18Н14М2) 1323 вода 600 250 68 83 1,202 А [4] 626 65 64
24 08Х18Н10 0,26% К, 1323, вода 785 433 56 70 1,573 А [5] 837 53 74
25 06Х12Г20АН5, 1273, вода 800 420 54 62 1,642 А 809 55 70
26 00Х19Н23В2Т, 1323, вода 550 220 48 50 1,700 А 526 50 51
27 06Х27Н16Г6А, 1323, вода 810 470 52 66 1,737 А 851 50 75
28 04Х12Н36Ю8ГВ, 1023 (120); 923 (240) 1110 820 31 51 1,862 А+1 1115 31 50
29 03Х21Н32М3Б, 1613 (120) 640 330 41 70 1,931 А 642 39 72
30 06Х20Н16АГ6, 1323, вода 780 410 52 75 1,938 А 750 54 62
31 06Х14Г20АН10М, 1273, вода 810 460 48 70 2,445 А 767 44 50
32 03Х11Н43М2Т, 1323 (120); ох. п.; 1003; (900); 963 (60) 1180 770 21 24 2,520 А+1 1153 41 34
33 04Х11Н43М2Т, т/о №32+1473, ох. до 1273, (120), п. 815 505 37 38 2,520 А+1шп 838 25 51
34 04Х11Н43М2Т, т/о №32+1473, ох. до 1273, (120); 1023 (480), 923 (480), п. 1250 820 29 49 2,520 А+1 1270 25 35
А - аустент, Ф - ферит, М - мартенсит, Мд - мартенсит деформаци; К - карб1ди; 11 - ¡нтерметал1ди; п. - повтря; ох. - охолодження
розчинним азотом як елементом втлення: ст^ 1Х13 (Псля високого выпуску); Х25Н6М; 03Х13АГ19; 06Х12Г20АН5; 06Х27Н16Г6А; 06Х14Г20АН10М; 08Х18Н10 (з 0,26 % Ы) та гартований сплав 03Х11Н43М2Т.
Матерiали в гетерогенному (багатофазному) стан ввмшли у так двi групи високоТ мiцностi:
III група - 770 МПа < ст02 <890 МПа - економ-нолегованi корозiйностiйкi Ёе-М сплави з помiрним (10^20 %) вмятом змiцнювальних фаз 04Х12Н36Ю8ТВ; 04Х11Н43М2Т пюля старiння та перестарювання; 03Х21Н32МЗБ; ст^ з карбiдним та нтерметалщним змiцненням 2Х13, 20Х14Н3М2Б; 1Х17Н2Ш, 1Х12Н2ВМФ; 15Х16Н2М;
IV група - 900 МПа < ст0 2 - комплекснолегован сталi 2Х13, 1Х12Н2ВМФБА (двi термообробки) та маловугпецевi мартенситностаркi 02Х11Н11МФ, 03Х10Н8К4МФД; 03Х12Н9МТ; 02Х10Н9Т2М2.
Слщ вiдзначити, що найбiльшi середнi вщхи-лення розрахункових значень аь вiд експеримен-тальних е для першоТ групи матерiалiв найнижчоТ мiцностi (7,3 %), а для сплавiв конструктивно робо-тоздатних наступних трьох груп мiцностi похибка менша 4...6 % (табл. 2).
Аналiз експериментальних даних свiдчить, що зi зростанням резерву мiцностi матерiалу збiльшуеться i 8. Вiдомо, що коефiцiент змiцнення визначають спiввiдношенням аь /ст02 або 1 - ст02 / аь [1 -3]. Тут для матерiалiв кожноТ групи залежнють мiж коефiцiентом змiцнення та вщносним видовжен-ням апроксимували окремою кривою в координатах луЛ[8-лу^
сть /ст0 2 (рис. 2, в; табл. 2). Для выносного звуження - в координатах Лу2^/у -ЛУо0,2/Е (Е = 2105 МПа) (рис. 2, г; табл. 2).
Аналiз результатiв дослiджень
Встановлено, що одного показника Лу у-фазо-воТ активностi елеменлв хiмiчного складу достат-ньо для одержання кореляцй з Я>0,95 мiж механ-iчними властивостями сплавiв у дiапазонi 200 МПа < ст0 2 < 1115 МПа. Залежно вщ термiчноТ обробки матерiали можуть знаходитись у складi рiзних груп мщностк Зокрема, в гартованому станi сплав 04Х11Н43М2Т - у другй труп, пiсля старiння - в третй. Термообробка змiнюе структуру i переводить сталi 15Х16Н2М; 2Х13; 1Х12НВ2МФ з третьот групи в четверту. Аналогiчно впливае легування. Сталь 08Х18Н10 з 0,022% N входить у першу групу мщносп, з 0,26% N - у другу. ПеремЦення матер-iалiв з групи у групу супроводжуеться вщповщною змiною залежностей мiж властивостями згiдно з рiвняннями табл. 2.
Результат може бути корисним для неруй-нвного контролю матерiалiв, якi змiнюють властивостi пiд час експлуатаци. Описана методика на пiдставi лише однеТ характеристики мiцностi (наприклад, вимiрюючи твердiсть, а за нею визначаючи аь) та мiсцевим хiмiчним складом дае змогу розрахову-вати решту механiчних параметрiв на дтянках ге-терогенностi без суттевих порушень цiлiсностi ме-талу. Цей пщхщ може бути корисним для пдви-щення надiйностi оцiнок ресурсу конструкцйних матерiалiв у широкому спектрi умов експлуатаци, де роль структурного фактора визначальна: за рiзних видiв навантаження, температур, у рщких та газових середовищ (в т.ч. за високих тискв), за наявност концентраторiв напружень тощо. Встанов-лення кiлькiсних спiввiдношень мiж хiмiчним складом корозiйностiйких сталей (показником фазно-структурного стану) та Тх властивостями у широкому дiапазонi змiн дозволить закласти методолот-
Таблиця 2 - Результати апроксимацп графiчних залежностей мiж показниками мщност та пластичностi корозiйностiйких сталей, як враховують Л.
Група мщ-носп Параметр, що визначаеться рiвнянням апроксимацп Коефiцiент кореляци Середня похибка. %
у = 7А°ь ; * = 7лт°0.2
I у = -7.9091 +2.7649* - 0.0419*2; Я = 0.9925 7.3
II у = -36.82036 + 6.3743* - 0.20032*2 + 0.00243*3; Я = 0.9974 5.7
III у = -10.50464 + 2.29781* - 0.0466*2 + 6.2710-4*3; Я = 0.9918 3.6
IV у = -93.33867 +11.77788* - 0.39621.x2 + 0.00473*3; Я = 0.9818 4.8
8; у = лт>/5 ; * = л^Оь/а0.2 ;
I у = 0.0016 + 0.4216* + 0.1507*2 - 0.0523*3; Я = 0.9955 5.4
II у = 0.0067 + 0.345* + 0.1718*2 - 0.0385*3; Я = 0.9974 8.7
III у = 0.223 - 0.2666* + 0.5366.x2 - 0.1106*3; Я = 0.9938 8.3
IV у = 0.0015 + 0.2249* + 0.1917*2. оь - розрахункове Я = 0.9582 14.7
у = Л^ ; * = ЛУ°0.2/Е;
I II III IV у = 0.3233 - 1.1932 - 0.99506(lgx)2 - 0.14006(^)3; у = 0.55021 - 0.91735 ^ - 0.97544(lgx)2 - 0.16003(^)3; у = 0.8529 - 0.0638 - 0.47625(lgx)2 - 0.06397(^)3; у = -23.0781 - 37.3783 ^ - 19.8295(lgx)2 - 3.39705(^)3; Я = 0.9986 Я = 0.9984 Я = 0.9965 Я = 0.9960 12.8 13.2 17.8 6.7
¡ЭБЫ1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 183 -
ну базу системного проектування опрних матер^ алiв та покрить.
Висновки
1. Запропоновано кльксно враховувати фазно-структурний стан корозiйностiйких хромистих та хромонкелевих сталей коефiцieнтом стабiльностi аустенiту (А,).
2. За коефiцieнтом Ау, використовуючи експери-ментальнi значення с02 в iнтервалi 200 МПа < Со2< 1115 МПа i хiмiчний склад сталей, можна визначати сь, 5, у. Кожна залежнють вiдповiдаe певному Ытер-валу змiн Со 2.
Список литературы
1. Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей / Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1982. - 183 с.
2. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - К.: Наук. думка, 1981. - 344 с.
3. Каличак Т. Н. Исследование некоторых физико-механических и электрохимических свойств мартенситных нержавеющих сталей: Автореф.
дис. на ... канд. техн. наук. - К.: Киев. орд. труд. красного знамени ин-т инж. гражд. авиац., 1971. - 21 с.
4. Даль В., Бельхе П. Диаграмма деформирования / Статическая прочность и механика разрушения стали // Под ред. В. Даля и В. Антона. - М.: Металлургия, 1986. - С. 51-133.
5. Приданцев М. Е., Талов Н. П., Левин Ф. Л. Высокопрочные аустенитные стали. - М.: Металлургия, 1969. - 247 с.
Поступила в редакцию 26.05.2006 г.
Предложен коэффициент стабильности аустенита Ау для коррозионно-стойких сталей, который позволяет количественно оценить их фазно-структурное состояние по химическому составу. Его определяют на основе хром- и никель эквивалентов. Используя Ау получены корреляции между механическими характеристиками сталей а^ а0 2, S,
щ.
Stability factor of austenit Ау, for corrosion resistant steels is proposed. It allows to estimate quantitively their phase-structural state by chemical composition. Composition is evaluated on the base of chromium- and nickel equivalents. Correlation between steel mechanical characteristics ab, a"o 2, Sand щare received using factor Ay.
