Станислав Горобченко - Курс «Основы выбора и применения материалов для трубопроводной арматуры»

В результате рассмотрения множества данных о применении литейных сталей были определены пределы варьирования основных легирующих элементов, позволяющих получить высокий комплекс свойств: хрома 8–14 %, марганца 20–28 % для обеспечения аустенитной структуры, никеля 0–6 % для получения высокой низкотемпературной вязкости, ванадия 0–1,5 % для измельчения дендритной структуры, азота 0–0,2 % для повышения прочностных свойств при комнатной температуре.

Выбор составов при комплексном инжиниринге сталей проводится при помощи метода планирования эксперимента. В приводимом исследовании план эксперимента состоял из 21 состава. Стали выплавлялись в 150 кг открытой индукционной печи с хромомагнезитовым тиглем и заливались в оболочковые формы – кусты образцов для механических испытаний, а также в литейную форму Нехендзи-Купцова.

Испытания сталей проводятся методами статического растяжения и на динамический изгиб. В приведенных материалах по практике исследования сталей их испытывали в нетермообработанном состоянии и после аустенитизации при 1000–1100 оС, выдержки 1 час, охлаждения в воде. Для получения системных результатов, кроме испытаний на статическое растяжение гладких цилиндрических образцов диаметром 6мм и образцов на динамический изгиб размером 10х10х55мм с острым надрезом по Шарпи при температурах 293, 77 и 20К проводятся исследования образцов, вырезанных из литейной пробы после заливки в кокиль, а также после обработки давлением. По результатам заливки определяются литейные свойства.

Анализ структуры проводится металлографическим, магнитным и рентгеноструктурным методом, а состава – микрорентгеноспектральным методом. Характеристики включений определяются металлографическим (по методу П ГОСТ 1778–70) и микрорентгеноспектральным методами.

Распределение легирующих элементов и примесей определяется на растровом электронном микроскопе Р9М-100У. Оценка характера разрушения образцов проводится на растровом электронном микроскопе JSM-U3.

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

Основное влияние на повышение прочности при всех температурах оказывает азот. При комнатной температуре в сталях с азотом значений временного сопротивления более 300 МПа можно достичь независимо от концентраций хрома и марганца. С понижением температуры влияние азота на прочность увеличивается.

Упрочняющее действие азота уменьшается при легировании никелем. При совместном легировании азотом и ванадием резко снижается низкотемпературное упрочнение. Удаление азота из твердого гамма-раствора за счет образования карбонитридов дает меньший упрочняющий эффект, чем при легировании одним азотом.

Наибольшая прочность и рост низкотемпературного упрочнения в сталях без азота соответствует составам с 8 % хрома и 20 % марганца. Их сильное упрочнение обуславливается деформационным фазовым превращением при низких температурах. В этих составах появляется до 15 % Ɛ-мартенсита в изломе при низкотемпературном нагружении. Минимальное значение предела текучести и низкотемпературного упрочнения соответствует области однофазного аустенита с 8 % хрома и 28 % марганца.

Практически все хромомарганцевые аустенитные стали имеют относительное удлинение при 77 и 20К выше минимально допустимых значений (больше 15 %). В связи с этим более важно оценивать влияние химического состава на энергоемкость при испытаниях на растяжение, являющуюся одним из критериев работоспособности материала.

Регрессионные зависимости энергоемкости деформации и разрушения при статическом нагружении показывают интересные факты. Изменение энергоемкости имеет пик в области температур 77К. Максимальными значениями работы деформации и разрушения обладают стали с 13 % хрома и 28 % марганца.

Азот снижает значения энергоемкости и ее максимум при температуре 77К не достигается. Хотя никель меняет характер поверхности отклика, но максимальные значения работы деформации и разрушения могут быть достигнуты и в случае безникелевых составов. Ванадий мало влияет на характеристики энергоемкости.

При комнатной температуре легирование ванадием совместно с азотом определяет до 64 % общего изменения ударной вязкости. Самые низкие значения KCV соответствуют областям максимальных значений ванадия и азота. При криогенных температурах главная роль в падении значений KCV принадлежит азоту. Понижение ударной вязкости в интервале температур от 293 до 20К соизмеримо со средними значениями KCV при комнатной температуре. Однако, если азот вводить вместе с ванадием, то ударная вязкость мало изменяется вплоть до криогенных температур. Разница между величинами KCV при 293 и 20К составляет меньше 30 Дж\см 2.