blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-11-907-913blackmet-1506Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEВлияние длительного теплового старения в составе теплообменного оборудования реакторной установки на быстрых нейтронах на структуру и свойства аустенитной хромоникелевой сталиEffect of long-term thermal aging in heat exchange equipment of fast neutron switchgears on the structure and properties of austenitic chromium-nickel steelКудрявцевА. С.KudryavtsevA. S.

Кандидат технических наук, начальник сектора.

191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Cand. Sci. (Eng.), Chief of the Section.

St. Petersburg

ОхапкинК. А.OkhapkinK. A.

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher.

St. Petersburg

kirin.okhapkin@mail.ruЦНИИ КМ «Прометей» имени академика И.В. Горынина, НИЦ «Курчатовский институт»РоссияAcademician I.V. Gorynin Central Research Institute of Structural Materials “Prometey”, National Research Center “Kurchatov Institute”Russian Federation2018241220186111907913Copyright © Кудрявцев А.С., Охапкин К.А., 20182018Кудрявцев А.С., Охапкин К.А.Kudryavtsev A.S., Okhapkin K.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1506

В работе исследовано влияние длительной эксплуатации при температуре 515 °С на структуру и свойства стали 09Х18Н9. Данные по структуре и фазовому составу стали получены с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Фазовый состав стали в равновесном состоянии определен путем термодинамического моделирования в программном пакете FactSage. В результате исследования установлено, что в процессе эксплуатации при температуре 515 °С продолжительностью 195 тыс. ч в стали 09Х18Н9 происходит изменение структуры с образованием вторичных фаз, инициированное выделением элементов с ограниченной растворимостью из пересыщенного твердого раствора. Обнаружено присутствие в структуре твердого раствора аустенита следующих вторичных выделений: карбид хрома Cr23C6 , феррит (а), G-фаза. На основании сопоставления данных термодинамического моделирования и экспериментального определения фазового состава установлено, что структура стали находится в состоянии, близком к равновесному. Выявлен и описан механизм протекания структурных превращений, последовательность образования вторичных фаз. На начальном этапе происходит образование карбида хрома, затем вблизи карбидов происходит образование а-феррита и, затем, формируется G-фаза. Результаты испытаний на ударную вязкость и статическое растяжение показали, что изменение фазового состава в процессе теплового старения приводит к охрупчиванию стали - снижению пластичности и энергии удара. Фрактографические исследования поверхностей изломов образцов показали, что снижение пластичности в процессе длительной высокотемпературной эксплуатации связано с разупрочнением тела зерна и упрочнением границ за счет вторичных выделений карбидной фазы. В результате данного процесса пластическая деформация локализуется в разупрочненном объеме тела зерна, окруженного прочными границами. Наибольшее влияние эволюция структуры при длительном тепловом старении оказывает на ударную вязкость. При этом изменение временного сопротивления и предела текучести незначительно. Основной вклад в изменение механических характеристик стали вносят вторичные выделения карбидной фазы.

The influence of long-term operation at 515 °C on structure and properties of 09Cr18Ni9 steel was investigated. Structure and phase composition were obtained using optical and scanning electron microscopy. The phase composition of the steel in equilibrium state was determined by thermodynamic modeling in the software package Fact-Sage. As a result of the study, it was found that during the operation at 515 °C with a duration of 195,000 h, the structure changes occurred in the 09Cr18Ni9 steel with the formation of secondary phases, initiated by the release of elements with limited solubility from the supersaturated solid solution. The following secondary precipitates in structure of the solid solution of austenite presented: Cr23C6 chromium carbide, ferrite (a), G-phase. Based on comparison of the thermodynamic modeling results and on experimental determination of the phase composition, it was established that the steel structure is in a state close to equilibrium. The mechanism of structural transformations course and sequence of the secondary phases’ formation were revealed and described. At the initial stage, chromium carbide is formed, then a-ferrite is formed near the carbides, and then G-phase is formed. Results of the tests for impact strength and static elongation have shown that the change in phase composition in process of thermal aging leads to embrittlement of the steel - a reduction in ductility and impact energy. Fractografic studies of fracture surfaces of the samples have shown that the decrease in plasticity during long-term high-temperature operation is associated with softening of the grain body and strengthening of the boundaries due to secondary precipitations of the carbide phase. As a result of this process, plastic deformation is localized in the weakened volume of the body of grain surrounded by strong boundaries. The structure evolution during prolonged heat aging has the greatest effect on impact strength. At the same time, the change in ultimate and yield stress is insignificant. The main contribution to the change in mechanical characteristics of steel is made by the secondary precipitates of the carbide phase.

парогенераторжаропрочная хромоникелевая стальдлительная эксплуатациятепловое старениевыделение вторичных фазударная вязкостьизменение механических свойствsteam generatorheat-resistant chromium-nickel steellongterm operationthermal agingseparation of secondary phasesimpact toughnesschange in mechanical propertiesReferencesКонструкционные материалы АЭС / Ю.Ф. Баландин, И.В. Го-рынин, Ю.И. Звездин, В.Г. Марков. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 280 с.Balandin Yu.F., Gorynin I.V., Zvezdin Yu.I., Markov V.G. Kon-struktsionnye materialy AES [Structural materials of nuclear power plants]. Moscow: Energoatomizdat, 1984, 280 p. (In Russ.).Baddoo N.R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities // Journal of Constructional Steel Research. 2008. Vol. 64. P. 1199 - 1206.Baddoo N.R. Stainless steel in construction: A review of research, applications, challenges and opportunities. Journal of Constructional Steel Research. 2008, vol. 64, pp. 1199-1206.Renault A., Malaplate J., Pokor C., Gavoille P. TEM and EFTEM characterization of solution annealed 304L stainless steel irradiated in PHENIX, up to 36 dpa and at 390 °C // Journal of nuclear materials. 2012. Vol. 421. P. 124 - 131.Renault A., Malaplate J., Pokor C., Gavoille P. TEM and EFTEM characterization of solution annealed 304L stainless steel irradiated in PHENIX, up to 36 dpa and at 390 °C. Journal of nuclear materials. 2012, vol. 421, pp. 124-131.Карзов Г.П., Кудрявцев А.С., Марков В.Г. и др. Разработка конструкционных материалов для атомных энергетических установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем // Вопросы материаловедения. 2015. № 2 (82). С. 23 - 33.Karzov G.P., Kudryavtsev A.S., Markov V.G., Grishmanovs-kaya R.N., Trapeznikov Yu.M., Anan’eva M.A. Development of structural materials for fast-neutron nuclear power plants with a sodium coolant. Voprosy materialovedeniya. 2015, no. 2 (82), pp. 23-33. (In Russ.).Машиностроение. Энциклопедия. Машиностроение ядерной техники. Т. IV-25. - В 2-х кн. Кн. 1 / Е.О. Адамов, Ю.Г. Драгунов, В.В. Орлов и др. / Под ред. Е.О. Адамова. - М.: Машиностроение, 2005. - 960 с.Mashinostroenie. Entsiklopediya. T. IV-25. Mashinostroenie yader-noitekhniki. V2-khkn.Kn. 1 [Engineering. Encyclopedia. Vol. IV-25. Engineering of nuclear technics: in 2 books, book 1]. Adamov E.O. ed. Moscow: Mashinostroenie, 2005, 960 p. (In Russ.).Sekine M., Sakaguchi N., Endo M. etc. Grain boundary engineering of austenitic steel PNC316 for use in nuclear reactors // Journal of Nuclear Materials. 2011. Vol. 414. P. 232 - 236.Sekine M., Sakaguchi N., Endo M., Kinoshita H., Watanabe S., Ko-kawa H., Yamashita S., Yano Y., Kawai M. Grain boundary engineering of austenitic steel PNC316 for use in nuclear reactors. Journal of Nuclear Materials. 2011, vol. 414, pp. 232-236.Dae Whan Kim. Influence of nitrogen-induced grain refinement on mechanical properties of nitrogen alloyed type 316L(N) stainless steel // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 420. P. 473 - 478.Dae Whan Kim. Influence of nitrogen-induced grain refinement on mechanical properties of nitrogen alloyed type 316L(N) stainless steel. Journal of Nuclear Materials. 2012, vol. 420, pp. 473-478.Lee W.-S., Lin C.-F., Chen T.-H., Luo W.-Z. High temperature deformation and fracture behavior of 316L stainless steel under high strain rate loading // Journal of Nuclear Materials. 2012. Vol. 420. P. 226 - 234.Lee W.-S., Lin C.-F., Chen T.-H., Luo W.-Z. High temperature deformation and fracture behavior of 316L stainless steel under high strain rate loading. Journal of Nuclear Materials. 2012, vol. 420, pp. 226-234.Sivai Bharasi N., Thyagarajan K., Shaikh H. etc. Effect of flowing sodium on corrosion and tensile properties of AISI type 316LN stainless steel at 823 K // Journal of Nuclear Materials. 2008. Vol. 377. P. 378 - 384.Bharasi N. Sivai, Thyagarajan K., Shaikh H., Balamurugan A.K., Santanu Bera, Kalavathy S., Gurumurthy K., Tyagi A.K., Da-yal R.K., Rajan K.K., Khatak H.S. Effect of flowing sodium on corrosion and tensile properties of AISI type 316LN stainless steel at 823 K. Journal of Nuclear Materials. 2008, vol. 377, pp. 378-384.Голод В.М., Савельев К.Д. Вычислительная термодинамика в материаловедении: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 218 с.Golod V.M., Savel’ev K.D. Vychislitel’naya termodinamika v ma-terialovedenii: ucheb. posobie [Computational thermodynamics in materials science: Textbook]. St. Petersburg: Izd-vo Politekhn. un-ta, 2010, 218 p. (In Russ.).McGuire M. Stainless Steels for Design Engineers. ASM International. 2008. - 296 p.McGuire M. Stainless Steels for Design Engineers. ASM International. 2008, 296 p.Lo К.Н., Shek С.Н., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R. 2009. Vol. 65. P. 39 - 104.Lo K.N., Shek S.N., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels. Materials Science and Engineering R. 2009, vol. 65, pp. 39-104.Гудремон Э. Специальные стали. Т.1. - М.: Металлургия, 1966. - 736 с.Gudremon E. Especial steel. Berlin: Springer-Verlag, 1956. (Russ. ed.: Gudremon E. Spetsial’nye stali. Vol. 1. Moscow: Metallurgiya, 1966, 344 p.).Меськин В.С. Основы легирования стали. - М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1959. - 688 с.Mes’kin V.S. Osnovy legirovaniya stali [Fundamentals of steel alloying]. Moscow: Gosudarstvennoe nauchno-tekhnicheskoe izdatel’stvo literatury po chernoi i tsvetnoi metallurgii, 1959, 688 p. (In Russ.).Magnabosco R. Kinetics of sigma phase formation in a duplex stainless steel // MaterialsResearch. 2009. Vol. 12, No. 3. P. 321 - 327.Magnabosco R. Kinetics of sigma phase formation in a duplex stainless steel. Materials Research. 2009, vol. 12, no. 3, pp. 321-327.Chih-Chun Hsieh, Weite Wu. Overview of intermetallic sigma (a) phase precipitation in stainless steels // International Scholarly Research Network ISRN Metallurgy. Vol. 2012. Article ID 732471.Chih-Chun Hsieh, Weite Wu. Overview of intermetallic sigma (a) phase precipitation in stainless steels. International Scholarly Research NetworkISRNMetallurgy. Vol. 2012, Article ID 732471.Марголин Б.З., Гуленко А.Г., Бучатский А.А. и др. Исследование влияния термического старения на длительную прочность и пластичность стали Х18Н9 // Вопросы материаловедения. 2010. № 4 (64). С. 118 - 127.Margolin B.Z., Gulenko A.G., Buchatskii A.A., Nesterova E.V., Kashtanov A.D. Influence of thermal aging on the long-term strength and ductility of Kh18N9 steel. Voprosy materialovedeniya. 2010, no. 4 (64), pp. 118-127. (In Russ.).NRIM-Metallographic Atlas of Long-term Crept Materials No M-2. National Research Institute for Metals, Tokyo, Japan, 2003.NRIM-Metallographic Atlas of Long-term Crept Materials No M-2. National Research Institute for Metals, Tokyo, Japan, 2003.Sourmail T. Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels // Materials Scienceand Technology. 2001.Vol. 17(1). P. 1 - 14.Sourmail T. Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels. Materials Science and Technology. 2001, vol. 17(1), 1-14 p.Карзов Г.П., Тимофеев Б.Т., Чернаенко Т.А. Старение материалов оборудования АЭС при эксплуатации в течение проектного срока службы // Вопросы материаловедения. 2005. № 2 (42). С. 92 - 110.Karzov G.P., Timofeev B.T., Chernaenko T.A. Aging of the materials of NPP equipment under operation during the design life. Voprosy materialovedeniya. 2005, no. 2 (42), pp. 92-110. (In Russ.).Горынин И.В., Карзов Г.П., Галяткин С.Н. и др. Антикоррозионная наплавка. Опыт применения и пути совершенствования // Вопросы материаловедения. 2005. № 2 (42). С. 129 - 143.Gorynin I.V., Karzov G.P., Galyatkin S.N., Mikhaleva E.I., Moro-zovskaya I.A. Corrosion-resistant cladding. Experience of application and ways of improvement. Voprosy materialovedeniya. 2005, no. 2 (42), pp. 129-143. (In Russ.).Weiss B., Sticler R. Phase instabilities during high temperature exposure of 316 austenitic stainless steel // Metallurgical Transactions. 1972. Vol. 3. P. 851.Weiss B., Sticler R. Phase instabilities during high temperature exposure of 316 austenitic stainless steel. Metallurgical Transactions. 1972, vol. 3, p. 851.Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость / Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1974. - 344 с.Manson S. Temperaturnye napryazheniya i malotsiklovaya ustalost ’ [Temperature stress and low cycle fatigue]. Trans. from Eng. Moscow: Mashinostroenie, 1974, 344 p. (In Russ.).Копельман Л.А. Основы теории прочности сварных конструкций: Учеб. пособие. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2007. - 278 с.Kopel’man L.A. Osnovy teorii prochnosti svarnykh konstruktsii. Ucheb. posobie [Fundamentals of the theory of strength of welded structures. Tutorial]. SPb.: Izd-vo Politekhn. un-ta. 2007, 278 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.