blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2022-9-644-653blackmet-2397Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEОсобенности микроструктуры, фазового состава и возможности упрочнения нержавеющих сталей с 13 – 17 % CrFeatures of microstructure, phase composition and strengthening capability of stainless steels with 13 – 17 % CrПумпянскийД.  А.PumpyanskiiD. A.

Дмитрий Александрович Пумпянский, к.т.н., д.э.н., председатель Наблюдательного совета

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Dmitrii A. Pumpyanskii, Cand. Sci. (Eng.), Dr. Sci. (Economics), Chairman of the Supervisory Board

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

ПышминцевИ. Ю.PyshmintsevI. Yu.

Игорь Юрьевич Пышминцев, д.т.н., профессор, генеральный директор

Россия, 143026, Москва, Инновационный центр Сколково, Большой бул., 5

Igor’ Yu. Pyshmintsev, Dr. Sci. (Eng.), Prof., General Director

5 Bol'shoi Blvd., Skolkovo, Moscow 143026, Russian Federation

pyshmintseviu@rosniti.ruБитюковС. М.BityukovS. M.

Сергей Михайлович Битюков, к.т.н., заведующий лабораторией

Россия, 454139, Челябинск, ул. Новороссийская, 30

Sergei M. Bityukov, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory

30 Novorossiiskaya Str., Chelyabinsk 454139, Russian Federation

secretariat@rosniti.ruГервасьевМ. А.Gervas’evM. A.

Михаил Антонович Гервасьев, д.т.н., профессор

Россия, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Mikhail A. Gervas’ev, Dr. Sci.(Eng.), Prof.

19 Mira Str., Yekaterinburg 620002, Russian Federation

ГусевА. А.GusevA. A.

Алексей Антонович Гусев, младший научный сотрудник

Россия, 143026, Москва, Инновационный центр Сколково, Большой бул., 5

Aleksei A. Gusev, Junior Researcher

5 Bol'shoi Blvd., Skolkovo, Moscow 143026, Russian Federation

GusevAA1@tmk-group.comУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationООО «ТМК НТЦ»РоссияLLC “TMK STC”Russian FederationОАО «Российский научно-исследовательский институт трубной промышленности»РоссияRussian Scientific Research Institute of the Pipe IndustryRussian Federation202202102022659644653Copyright © Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Гервасьев М.А., Гусев А.А., 20222022Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Гервасьев М.А., Гусев А.А.Pumpyanskii D.A., Pyshmintsev I.Y., Bityukov S.M., Gervas’ev M.A., Gusev A.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/2397

Исследованы особенности структурных и фазовых превращений в высокопрочных, стойких к углекислотной коррозии, сложнолегированных сталях мартенситного, мартенсито-ферритного и аустенито-мартенситного классов с 13 – 17 % Cr. Путем термодинамического моделирования и экспериментального исследования проведена оценка влияния системы легирования на ход кристаллизации и фазовые превращения в интервале температур горячей деформации и термической обработки. По результатам рентгеноструктурного фазового анализа, оптической и просвечивающей электронной микроскопии определено влияние температуры нагрева под закалку на фазовый состав и микроструктуру. Показано, что при увеличении содержания никеля в микроструктуре сохраняется большое количество аустенита, что приводит к значительному снижению предела текучести при высоких показателях временного сопротивления и пластичности. Для получения преимущественно мартенситной структуры для стали переходного (аустенито-мартенситного) класса с 15 % Cr предложена многоступенчатая термическая обработка. Она включает закалку, промежуточный отжиг с выделением дисперсных частиц карбидной фазы, состав которых оценивали посредством микрорентгеноспектрального анализа, и финальный отпуск, определяющий механические свойства. По результатам испытания на растяжение сталей мартенситного и мартенсито-ферритного классов необходимый уровень прочностных свойств (σ0,65 ≥ 862 МПа, σв ≥ 931 МПа) был достигнут после термической обработки по режиму закалка с отпуском. Многоступенчатая термическая обработка стали с 15 % Cr и высоким содержанием никеля, включающая закалку, промежуточный отжиг для дестабилизации остаточного аустенита и финальный отпуск, обеспечила требуемый комплекс прочностных свойств.

The paper considers the study of the features of structure and phase transformations in high-strength, resistant to carbon dioxide corrosion, complex alloyed steels of martensitic, austenitic-martensitic and martensitic-ferritic classes with 13 – 17 % Cr. Influence of the alloying on crystallization and solid state phase transformations was revealed in the temperature range of hot deformation and heat treatment using thermodynamic modeling and experimental study. The effect of quenching temperature on the phase composition and microstructure was analyzed as a result of X-ray diffraction phase analysis, optical and transmission electron microscopy. It was found that increase of nickel content leads to growth of retained austenite fraction resulting in significant decrease of yield strength along with high tensile strength and elongation. To obtain predominantly martensitic microstructure in martensitic-austenitic steel, the multistage heat treatment is proposed including quenching, intermediate annealing for precipitation of dispersed carbides and tempering forming final mechanical properties. The composition of precipitated carbides was evaluated by X-ray microanalysis. The results of the tensile test for steels with martensitic and martensitic-ferritic microstructure showed that required strength grade (σ0.65 ≥ 862 MPa; σв ≥ 931 MPa) was reached after heat treatment including quenching and tempering. Multistage heat treatment including quenching, intermediate annealing and final tempering was resulted in required strength properties of high-nickel martensitic-austenitic steel with 15 % Cr.

высокохромистые сталидвухфазная структуратермическая обработкапросвечивающая электронная микроскопиямикрорентгеноспектральный анализвторичная фазареечный мартенситостаточный аустенитδ-ферритhigh-chromium steelstwo-phase structureheat treatmenttransmission electron microscopyX-ray microanalysissecondary phaselath martensiteretained austeniteδ-ferriteАвторы выражают особую благодарность Хаткевичу В.М. и Арсенкину А.М. за помощь в проведении электронно-микроскопического исследования (ООО «ТМК НТЦ»), а также Михайлову С.Б. за помощь в проведении дилатометрического исследования (ФГАОУ ВО «УрФУ»).The authors express their gratitude to Khatkevich V.M. and Arsenkin A.M. for assistance in electron microscopy analysis (LLC “TMK STC”), as well as Mikhailov S.B. for assistance in conducting a dilatometric study (UrFU).ReferencesKimura M., Tamari T., Shimamoto K. High Cr stainless steel OCTG with high strength and superior corrosion resistance // JFE GIHO. 2005. No. 9. P. 7–12.Kimura M., Tamari T., Shimamoto K. High Cr stainless steel OCTG with high strength and superior corrosion resistance. JFE GIHO. 2005, no. 9, pp. 7–12.Bellarby J. Well Completion Design. Elsevier, 2009. 726 p.Bellarby J. Well Completion Design. Elsevier, 2009, 726 p.Evaluation of the seabed temperature corrosion and sulphide stress cracking (SSC) resistance of weldable martensitic 13 % chromium stainless steel (WMSS) / University of Birmingham, 2014. URL: https://etheses.bham.ac.uk/id/eprint/6871/2/Dent16MPhil.pdf (дата обращения 10.12.2021).Evaluation of the seabed temperature corrosion and sulphide stress cracking (SSC) resistance of weldable martensitic 13% chromium stainless steel (WMSS). University of Birmingham, 2014. Available at URL: https://etheses.bham.ac.uk/id/eprint/6871/2/Dent16MPhil.pdf (Accessed 12.10.2021).Ishiguro Y., Suzuki T., Eguchi K., Nakahashi T., Sato H. Martensite-based stainless steel OCTG of 15Cr-based and 17Cr based material for sweet and mild sour condition // European Corrosion Congress. 2014. 10 p.Ishiguro Y., Suzuki T., Eguchi K., Nakahashi T., Sato H. Martensite-based stainless steel OCTG of 15Cr-based and 17Cr based material for sweet and mild sour condition. European Corrosion Congress. 2014, 10 p.Jiang W., Zhao K., Ye D., Li J. Effect of Heat Treatment on Reversed Austenite in Cr15 Super Martensitic Stainless Steel // Journal of Iron and Steel Research International. 2013. Vol. 20. No. 5. P. 61–65. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60099-0Jiang W., Zhao K., Ye D., Li J. Effect of heat treatment on reversed austenite in Cr15 super martensitic stainless steel. Journal of Iron and Steel Research International. 2013, vol. 20, no. 5, pp. 61–65. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(13)60099-0Jiang W., Zhao K., Liu X., Zhou Y.H., Ye D., Su J., Yong Q. The influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of Cr15 super martensitic stainless steel // Advanced Materials Research. 2012. Vol. 393–395. P. 440–443. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.393-395.440Jiang W., Zhao K., Liu X., Zhou Y.H., Ye D., Su J., Yong Q. The influence of heat treatment on microstructure and mechanical pro­perties of Cr15 super martensitic stainless steel. Advanced Materials Research. 2012, vol. 393–395, pp. 440–443. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.393-395.440Tsai W.-J., Lin C.-K. Corrosion fatigue behaviour of a 15Cr-6Ni precipitation – hardening stainless steel in different tempers // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2008. Vol. 23. No. 6. P. 489–497. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2000.00313.xTsai W.-J., Lin C.-K. Corrosion fatigue behaviour of a 15Cr-6Ni precipitation – hardening stainless steel in different tempers. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2008, vol. 23, no. 6, pp. 489–497. https://doi.org/10.1046/j.1460-2695.2000.00313.xMariani F.E., Takeya G.S., Casteletti L.C., Lombardi A.N. Totten G.E. Heat treatment of precipitation-hardening stainless steels alloyed with niobium // Materials Performance and Characterization. 2016. Vol. 5. No. 1. P. 38–46. https://doi.org/10.1520/MPC20150039Mariani F.E., Takeya G.S., Casteletti L.C., Lombardi A.N. Totten G.E. Heat treatment of precipitation-hardening stainless steels alloyed with niobium. Materials Performance and Characterization. 2016, vol. 5, no. 1, pp. 38–46. https://doi.org/10.1520/MPC20150039Wang Z., Li H., Shen Q., Liu W., Zhanyong W. Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 precipitation-hardening stainless steel // Acta Materialia. 2018. Vol. 156. P. 158–171. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031Wang Z., Li H., Shen Q., Liu W., Zhanyong W. Nano-precipitates evolution and their effects on mechanical properties of 17-4 preci­pitation-hardening stainless steel. Acta Materialia. 2018, vol. 156, pp. 158–171. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.06.031Prabowo H., Pratesa Y., Munir B., Ulum R., Wahyuadi J. Preliminary assessment of 22Cr and 15Cr materials selection for CO2 enhanced oil recovery program // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 269. Article 03014. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926903014Prabowo H., Pratesa Y., Munir B., Ulum R., Wahyuadi J. Preliminary assessment of 22Cr and 15Cr materials selection for CO2 enhanced oil recovery program. MATEC Web of Conferences. 2019, vol. 269, article 03014. https://doi.org/10.1051/matecconf/201926903014Пумпянский Д.А., Пышминцев И.Ю., Битюков С.М., Алиева Е.С., Гусев А.А., Михайлов С.Б., Лобанов М.Л. Особенности фазовых превращений в сталях мартенситного класса для высокопрочных коррозионностойких труб нефтяного сортамента // Металлург. 2021. № 11. С. 35–42. https://doi.org/10.52351/00260827_2021_11_35Pumpyansky D.A., Pyshmintsev I.Yu., Bitiukov S.M., Alieva E.S., Gusev A.A., Mikhailov S.B., Lobanov M.L. Features of phase transformations in martensitic steel for high-strength stainless oil country tubular goods (OCTG). Metallurg. 2021, no. 11, pp. 35–42. (In Russ.). https://doi.org/10.52351/00260827_2021_11_35Алексеев В.И., Юсупов В.С., Лазаренко Г.Ю. Механизм влияния молибдена и меди на антикоррозионные свойства стали // Перспективные материалы. 2009. № 6. С. 21–29.Alekseev V.I., Yusupov V.S., Lazarenko G.Yu. Mechanism of influence of molybdenum and copper on anticorrosion properties of steel. Perspektivnye materialy. 2009, no. 6, pp. 21–29. (In Russ.).Chenna Krishna S., Pant B., Jha A., George K.M., Gangwar N.K. Microstructure and properties of 15Cr-5Ni-1Mo-1W martensitic stainless steel // Steel Research International. 2015. No. 86. No. 1. P. 51–58. https://doi.org/10.1002/srin.201400035Chenna Krishna S., Pant B., Jha A., George K.M., Gangwar N.K. Microstructure and properties of 15Cr-5Ni-1Mo-1W martensitic stainless steel. Steel Research International. 2015, no. 86, no. 1, pp. 51–58. https://doi.org/10.1002/srin.201400035Kumar A.V., Gupta R.K., Narahari Р., Amruth M., Ramkumar P., Narahari P. Development and characterization of 15Cr-5Ni-1W martensitic precipitation hardening stainless steel for aerospace applications // Materials Science Forum. 2015. Vol. 830–831. P. 15–18.Kumar A.V., Gupta R.K., Narahari Р., Amruth M., Ramkumar P., Narahari P. Development and characterization of 15Cr-5Ni-1W martensitic precipitation hardening stainless steel for aerospace app­lications. Materials Science Forum. 2015, vol. 830–831, pp. 15–18. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.830-831.15https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.830-831.15Potak Ya.M. High-Strength Steels. Moscow: Metallurgiya, 1972, 208 p. (In Russ.).Потак Я.М. Высокопрочные стали. Москва: Металлургия, 1972. 208 с.Thermo-Calc. Available at URL: https://thermocalc.com/products/thermo-calc (Accessed 11.04.2020).Thermo-Calc. URL: https://thermocalc.com/products/thermo-calc (дата обращения 04.11.2020).Copper in Ferrous Metals: Coll. of Papers. Le Mei I., Shetka M.-D. eds. Moscow: Metallurgiya, 1988, 311 p. (In Russ.).Медь в черных металлах: Cборник статей / Под ред. И. Ле Мэя, Л.М.-Д. Шетки; пер. с англ. Москва: Металлургия, 1988. 311 с.Pickering F.Brian. Physical Metallurgy and the Design of Steels. Applied Science Publishers, 1978, 275 p. (Russ. ed.: Pickering F.B. Fizicheskoe metallovedenie i razrabotka stalei. Moscow: Metallurgiya, 1982, 182 p.)Пикеринг Ф.Б. Физическое металловедение и разработка сталей. Москва: Металлургия, 1982. 184 с.Tarasenko L.V., Unchikova M.V. Effect of double aging on mechanical and corrosion properties of maraging steel 06Cr14Ni6Cu2MoNbTi. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. Seriya Mashinostroenie. 2014, no. 4, pp. 123–130. (In Russ.).Тарасенко Л.В., Унчикова М. В. Влияние двойного старения на механические и коррозионные свойства мартенситно-стареющей стали 06Х14Н6Д2МБТ // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2014. № 4. С. 123–130.Tarasenko L.V., Unchikova M.V. Heat treatment of corrosion-resistant steel for manufacture of force-measuring elastic elements. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. Seriya Mashinostroenie. 2007, no. 2, pp. 82–88. (In Russ.).Тарасенко Л.В., Унчикова М.В. Термическая обработка коррозионностойкой стали для изготовления силоизмерительных упругих элементов // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. 2007. № 2. С. 82–88.ASM HANDBOOK. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. Vol. 1. ASM International, 1990, 1063 p. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610ASM HANDBOOK. Properties and Selection: Irons, Steels, and High-Performance Alloys. Vol. 1. ASM International, 1990. 1063 p. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610ASM Specialty Handbook: Stainless Steels. Davis J.R. ed. ASM International, 1994, 576 p.ASM Specialty Handbook: Stainless Steels. Davis J.R. ed. ASM International, 1994. 576 p.DIN EN 10088:1-2014 Stainless steels – Part 1: List of stainless steels. 01.12.2014, 50 p.DIN EN 10088:1-2014 Stainless steels – Part 1: List of stainless steels. 01.12.2014. 50 p.Gooch T. Welding martensitic stainless steels. Welding Institute Research Bulletin. 1977, no. 18, pp. 343–349.Gooch T. Welding martensitic stainless steels // Welding Institute Research Bulletin. 1977. No. 18. P. 343–349.Hu X., Luo X., Xiao N., Li D. Effects of δ-ferrite on the microstructure and mechanical properties in a tungsten-alloyed 10 % Cr ultra-supercritical steel. Acta Metallurgica Sinica. 2009, vol. 45, no. 5, pp. 553–558.Hu X., Luo X., Xiao N., Li D. Effects of δ-ferrite on the microstructure and mechanical properties in a tungsten-alloyed 10 % Cr ultra-supercritical steel // Acta Metallurgica Sinica. 2009. Vol. 45. No. 5. P. 553–558.Korneev A.E., Gromov A.F., Kiselev A.M. Effect of δ-ferrite on the properties of martensitic steels. Metal Science and Heat Treatment. 2013, no. 55, pp. 445–450. http://dx.doi.org/10.1007/s11041-013-9652-2Корнеев А.Е., Громов А.Ф., Киселев А.М. Влияние δ-феррита на свойства мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 8. С. 46–50.Корнеев А.Е., Громов А.Ф., Киселев А.М. Влияние δ-феррита на свойства мартенситных сталей // Металловедение и термическая обработка металлов. 2013. № 8. С. 46–50.

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