blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2023-6-725-732blackmet-2663Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕMATERIAL SCIENCEСтруктурно-фазовые превращения 12 % хромистой феррито-мартенситной стали ЭП-823Structural-phase transformations of 12 % chromium ferritic-martensitic steel EP-823https://orcid.org/0000-0002-9181-4362СпиридоноваК. В.SpiridonovaK. V.

Ксения Викторовна Спиридонова, к.ф.-м.н., младший научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Kseniya V. Spiridonova, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Junior Researcher of the Laboratory of Materials Science of Shape Memory Alloys

2/4 Akademiches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

kseni_ya_almaeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5892-3719ЛитовченкоИ. Ю.LitovchenkoI. Yu.

Игорь Юрьевич Литовченко, д.ф.-м.н., доцент, заведующий лабораторией материаловедения сплавов с памятью формы

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Igor’ Yu. Litovchenko, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Assist. Prof, Head of the Laboratory of Materials Science of Shape Memory Alloys

2/4 Akademiches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

litovchenko@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9076-5469ПолехинаН. А.PolekhinaN. A.

Надежда Александровна Полехина, к.ф.-м.н., научный сотрудник лаборатории материаловедения сплавов с памятью формы

Россия, 634055, Томск, пр. Академичес­кий, 2/4

Nadezhda A. Polekhina, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Research Associate of the Laboratory of Materials Science of Shape Memory Alloys

2/4 Akademiches­kii Ave., Tomsk 634055, Russian Federation

nadejda89tsk@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8975-1553ЛинникВ. В.LinnikV. V.

Валерия Васильевна Линник, аспирант

Россия, 634050, Томск, пр. Ленина, 36

Valeriya V. Linnik, Postgraduate

36 Lenina Ave., Tomsk 634050, Russian Federation

lera.linnik.1999@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0341-8755БорисенкоТ. А.BorisenkoT. A.

Татьяна Андреевна Борисенко, младший научный сотрудник лаборатории материалов для аддитивных технологий

Россия, 630128, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18

Tat’yana A. Borisenko, Junior Researcher of the Laboratory of Materials for Additive Technologies

18 Kutateladze Str., Россия, Novosibirsk 630128, Russian Federation

tanya.borisenko.97@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9558-3055ЧерновВ. М.ChernovV. M.

Вячеслав Михайлович Чернов, д.ф.-м.н, профессор, главный научный сотрудник

Россия, 123098, Москва, ул. Рогова, 5а

Vyacheslav M. Chernov, Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Chief Researcher

5a Rogova Str., Moscow 123098, Russian Federation

VMChernov@bochvar.ruЛеонтьева-СмирноваМ. В.Leont’eva-SmirnovaM. V.

Мария Владимировна Леонтьева-Смирнова, к.т.н., доцент, руководитель отдела

Россия, 123098, Москва, ул. Рогова, 5а

Mariya V. Leont’eva-Smirnova, Cand. Sci. (Eng.), Assist. Prof., Head of Department

5a Rogova Str., Moscow 123098, Russian Federation

MVLeonteva-Smirnova@bochvar.ruИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНациональный исследовательский Томский государственный университетРоссияNational Research Tomsk State UniversityRussian FederationИнститут химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry, Siberian Branch of the the Russian Academy of SciencesRussian FederationАО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара»РоссияJSC “A.A. Bochvar High-Technology Scientific-Research Institute of Inorganic Materials”Russian Federation202329122023666725732Copyright © Спиридонова К.В., Литовченко И.Ю., Полехина Н.А., Линник В.В., Борисенко Т.А., Чернов В.М., Леонтьева-Смирнова М.В., 20232023Спиридонова К.В., Литовченко И.Ю., Полехина Н.А., Линник В.В., Борисенко Т.А., Чернов В.М., Леонтьева-Смирнова М.В.Spiridonova K.V., Litovchenko I.Y., Polekhina N.A., Linnik V.V., Borisenko T.A., Chernov V.M., Leont’eva-Smirnova M.V.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/2663

Методами высокотемпературного рентгеноструктурного анализа (РСА) in situ и дифференциальной сканирующей калори­метрии (ДСК) исследованы особенности фазовых превращений 12 % хромистой феррито-мартенситной стали ЭП-823 в условиях нагрева и охлаждения в температурном интервале от 30 до 1100 ℃. По данным РСА in situ при нагреве температуры начала Ас1 и конца Ас3 α → γ-превращения (феррит – аустенит) составляют 880 и 1000 °С соответственно. При охлаждении реализуется диффузионное γ → α-превращение с критическими точками Аr1 ≈ 860 °С (температура начала) и Аr3 ≈ 840 °С (температура конца). Согласно данным ДСК при нагреве критические точки α → γ-превращения: Ас1 ≈ 840 °С, Ас3 ≈ 900 °С. При охлаждении реализуется мартенситное γ → α-превращение в интервале температур от Мн = 344 ℃ до Мк = 212 ℃. Методом РСА in situ выделения карбидных фаз в условиях нагрева и охлаждения стали ЭП-823 не обнаружено. Положение критических точек фазовых превращений зависит от метода исследований (РСА in situ или ДСК), что определяется различием в эффективной (с учетом времени на съемку в методе РСА) скорости нагрева/охлаждения. Обсуждается влияние элементного состава и особенностей микроструктуры на положение критических точек фазовых превращений феррито-мартенситных сталей. Показано, что увеличенное по сравнению с другими сталями того же класса содержание феррит-стабилизирующих элементов (Cr, Mo, Nb) в составе стали ЭП-823 расширяет область существования ферритной фазы, что может способствовать повышению температуры Ас1 .

The features of phase transformations of 12 % chromium ferritic-martensitic steel EP-823 under heating and cooling conditions in the temperature range from 30 to 1100 ℃ were studied by the methods of high-temperature X-ray diffraction analysis (XRD) in situ and differential scanning calorimetry (DSC). According to XRD in situ data, upon heating, the temperatures of the beginning and end of the (α → γ) transformation of ferrite (martensite – austenite) are Ac1 ≈ 880 °C, Ac3 ≈ 1000 °C, respectively. Upon cooling, a diffusion (γ → α) transformation occurs with critical points – Аr1 ≈ 860°С (beginning temperature) and Аr3 ≈ 840 °С (end temperature). According to DSC data, during heating, the critical points of the (α → γ) transformation are Ac1 ≈ 840 °C and Ac3 ≈ 900 °C. During cooling, a martensitic (γ → α) transformation is realized with critical points of the beginning of Ms = 344 ℃ and the end of Mf = 212 ℃ of this transformation. The XRD in situ analysis revealed no precipitation of carbide phases under heating and cooling conditions of steel EP-823. Position of the critical points of phase transformations depends on the research method (XRD in situ or DSC), which is determined by the difference in effective (taking into account the time for shooting in the XRD method) heating-cooling rate. The effect of elemental composition on the position of critical points of phase transformations and the formation of structural-phase states of ferritic-martensitic steels is discussed. It is shown that the increased content of ferrite-stabilizing elements (Cr, Mo, Nb) in composition of EP-823 steel, compared with other steels of the same class, expands the region of existence of the ferrite phase, which can contribute to an increase in the temperature of Ac1 .

феррито-мартенситная сталь ЭП-823структурно-фазовые превращениявысокотемпературный рентгеноструктурный анализ in situдифференциальная сканирующая калориметриязакалкатрадиционная термическая обработкаferritic-martensitic steel EP-823structural-phase transformationshigh-temperature X-ray diffraction analysis in situdifferential scanning calorimetryquenchingtraditional heat treatmentРабота выполнена в рамках государственного задания Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН, тема номер FWRW-2021-0008. Исследования выполнены с использованием оборудования Томского регионального центра коллективного пользования Томскго государственного университета.The work was performed within the framework of the state task of the Institute of Strength Physics and Materials Science, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, project No. FWRW-2021-0008. The research was carried out with the equipment of Tomsk Regional Core Shared Research Facilities Center of National Research Tomsk State University (center was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation).ReferencesCabet C., Dalle F., Gaganidze E., Henry J., Tanigawa H. Ferritic-martensitic steels for fission and fusion applications. Journal of Nuclear Materials. 2019;523:510–537. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.05.058Cabet C., Dalle F., Gaganidze E., Henry J., Tanigawa H. Ferritic-martensitic steels for fission and fusion applications. Journal of Nuclear Materials. 2019;523:510–537. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2019.05.058Yvon P. Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2017:664.Yvon P. Structural Materials for Generation IV Nuclear Reactors. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2017:664.Odette R.G., Zinkle S.J. Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:655.Odette R.G., Zinkle S.J. Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:655.Zinkle S.J., Ghoniem N.M. Operating temperature windows for fusion reactor structural materials. Fusion Engineering and Design. 2000;51-52:55–71. https://doi.org/10.1016/S0920-3796(00)00320-3Zinkle S.J., Ghoniem N.M. Operating temperature windows for fusion reactor structural materials. Fusion Engineering and Design. 2000;51-52:55–71. https://doi.org/10.1016/S0920-3796(00)00320-3Kurtz R.J., Odette G.R. Chapter 3 – Overview of reactor systems and operational environments for structural materials in fusion reactors. In: Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:51–102. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397046-6.00003-4Kurtz R.J., Odette G.R. Chapter 3 – Overview of reactor systems and operational environments for structural materials in fusion reactors. In: Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:51–102. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397046-6.00003-4Maloy S.A., Natesan K., Holsomb D.E., Fazio C., Yvon P. Chapter 2 – Overview of reactor systems and operational environments for structural materials in GEN-IV fission reactors. In: Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:23–49. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397046-6.00002-2Maloy S.A., Natesan K., Holsomb D.E., Fazio C., Yvon P. Chapter 2 – Overview of reactor systems and operational environments for structural materials in GEN-IV fission reactors. In: Structural Alloys for Nuclear Energy Applications. Amsterdam, Netherlands: Elsevier; 2019:23–49. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-397046-6.00002-2Иолтуховский А.Г., Ланская К.А., Беломытцев Ю.С., Саратовский Л.Н. Выбор режимов термообработки 12 %-ной хромистой стали ЭП-823 применительно к условиям работы чехлов ТВС реактора БН-600. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Атомное материаловедение. 1985;(2(19)):65–70.Ioltukhovskii A.G., Lanskaya K.A., Belomyttsev Yu.S., Saratovskii L.N. Choice of heat treatment modes of 12 % chromium steel EP823 in relation to operating conditions of fuel assembly covers of BN-600 reactor. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Ser. Atomnoe materialovedenie. 1985;(2(19)):65–70. (In Russ.).Polekhina N.A., Litovchenko I.Yu., Almaeva K.V., Akkuzin S.A., Linnik V.V., Moskvichev E.N., Chernov V.M., Naumenko I.A., Saifutdinova M.S., Leontieva-Smirnova M.V. Special features of the surface layer structure of ferritic-martensitic EP-823-Sh steel after prolonged exposure to the flowing lead at 630 °C under low oxygen concentration. Journal of Nuclear Materials. 2022;572:154039. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154039Polekhina N.A., Litovchenko I.Yu., Almaeva K.V., Akkuzin S.A., Linnik V.V., Moskvichev E.N., Chernov V.M., Naumenko I.A., Saifutdinova M.S., Leontieva-Smirnova M.V. Special features of the surface layer structure of ferritic-martensitic EP-823-Sh steel after prolonged exposure to the flowing lead at 630 °C under low oxygen concentration. Journal of Nuclear Materials. 2022;572:154039. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2022.154039Litovchenko I., Almaeva K., Polekhina N., Akkuzin S., Linnik V., Moskvichev E., Chernov V., Leontyeva-Smirnova M. The microstructure and mechanical properties of ferritic-martensitic steel EP-823 after high-temperature thermomechanical treatment. Metals. 2022;12(1):79. https://doi.org/10.3390/met12010079Litovchenko I., Almaeva K., Polekhina N., Akkuzin S., Linnik V., Moskvichev E., Chernov V., Leontyeva-Smirnova M. The microstructure and mechanical properties of ferritic-martensitic steel EP-823 after high-temperature thermomechanical treatment. Metals. 2022;12(1):79. https://doi.org/10.3390/met12010079Алмаева К.В., Литовченко И.Ю., Полехина Н.А., Линник В.В. Механизмы упрочнения 12 %-ой хромистой ферритно-мартенситной стали ЭП-823. Известия вузов. Черная Металлургия. 2022;65(12):887–894. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-12-887-894Almaeva K.V., Litovchenko I.Yu., Polekhina N.A., Linnik V.V. Mechanisms of hardening of 12 % chromium ferritic-martensitic steel EP-823. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2022;65(12):887–894. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2022-12-887-894Беломытцев М.Ю., Моляров В.Г. Исследование сопротивления ползучести феррито-мартенситной стали 16Х12МВСФБР (ЭП-823). Известия вузов. Черная Металлургия. 2019;62(4):290–302. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-4-290-302Belomyttsev M.Yu., Molyarov V.G. Creep resistance of ferritic-martensitic steel 16Cr12MoWSiVNbB (EP-823). Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2019;62(4):290–302. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-4-290-302Kruglov A.B., Kruglov V.B., Struchalin P.G., Kharitonov V.S. Study of thermophysical properties of EP-823 steel in the temperature range of 200–900 ℃. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2015;42(9):264–267. https://doi.org/10.3103/S1068335615090031Kruglov A.B., Kruglov V.B., Struchalin P.G., Kharitonov V.S. Study of thermophysical properties of EP-823 steel in the temperature range of 200–900 ℃. Bulletin of the Lebedev Physics Institute. 2015;42(9):264–267. https://doi.org/10.3103/S1068335615090031Porollo S.I., Veremeev A.M., Konobeev Yu.V., Ivanov A.A., Shulepin S.V. Study of the long-term strength of neutron-irradiated austenitic and ferrite-martensite steel. Atomic Energy. 2018;124(2):98–104. https://doi.org/10.1007/s10512-018-0381-xPorollo S.I., Veremeev A.M., Konobeev Yu.V., Ivanov A.A., Shulepin S.V. Study of the long-term strength of neutron-irradiated austenitic and ferrite-martensite steel. Atomic Energy. 2018;124(2):98–104. https://doi.org/10.1007/s10512-018-0381-xMaloy S.A., Romero T., James M.R. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II. Journal of Nuclear Materials. 2006;356(1-3):56–61. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2006.05.003Maloy S.A., Romero T., James M.R. Tensile testing of EP-823 and HT-9 after irradiation in STIP II. Journal of Nuclear Materials. 2006;356(1-3):56–61. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2006.05.003Grachev A.F., Zherebtsov A.A., Zabud’ko L.M., Zvir E.A., Kryukov F.N., Nikitin O.N., Skupov M.V., Ivanov Yu.A., Porollo S.I. Results of investigations of BREST-type reactor fuel rods with mixed uranium-plutonium nitride fuel, irradiated in BOR-60 and BN-600. Atomic Energy. 2019;125(5):314–321. https://doi.org/10.1007/s10512-019-00487-4Grachev A.F., Zherebtsov A.A., Zabud’ko L.M., Zvir E.A., Kryukov F.N., Nikitin O.N., Skupov M.V., Ivanov Yu.A., Porollo S.I. Results of investigations of BREST-type reactor fuel rods with mixed uranium-plutonium nitride fuel, irradiated in BOR-60 and BN-600. Atomic Energy. 2019;125(5):314–321. https://doi.org/10.1007/s10512-019-00487-4Polekhina N.A., Litovchenko I.Yu., Almaeva K.V., Bulina N.V., Korchagin M.A., Tyumentsev A.N., Chernov V.M., Leontyeva-Smirnova M.V. Features of phase transformations of low-activation 12 %-chromium ferritic-martensitic steel EK-181. Russian Physics Journal. 2020;62(12):2314–2318. https://doi.org/10.1007/s11182-020-01982-zPolekhina N.A., Litovchenko I.Yu., Almaeva K.V., Bulina N.V., Korchagin M.A., Tyumentsev A.N., Chernov V.M., Leontyeva-Smirnova M.V. Features of phase transformations of low-activation 12 %-chromium ferritic-martensitic steel EK-181. Russian Physics Journal. 2020;62(12):2314–2318. https://doi.org/10.1007/s11182-020-01982-zЛанская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. Москва: Металлургия; 1976:216.Lanskaya K.A. High-Chromium Heat-Resistant Steels. Moscow: Metallurgiya; 1976:216. (In Russ.).Raju S., Ganesh B.J., Rai A.K., Mythili R., Saroja S., Raj B. A study on martensitic phase transformation in 9Cr–1W–0.23V–0.063Ta– 0.56Mn–0.09C–0.02N (wt. %) reduced activation steel using differential scanning calorimetry. Journal of Nuclear Materials. 2010;405(1):59–69. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.07.036Raju S., Ganesh B.J., Rai A.K., Mythili R., Saroja S., Raj B. A study on martensitic phase transformation in 9Cr–1W–0.23V–0.063Ta– 0.56Mn–0.09C–0.02N (wt. %) reduced activation steel using differential scanning calorimetry. Journal of Nuclear Materials. 2010;405(1):59–69. http://dx.doi.org/10.1016/j.jnucmat.2010.07.036Lu Sh., Liang T., Li Y., Li D., Rong L., Li Y. Microstructure and mechanical properties of simulated heat-affected zones of EP-823 steel for ADS/LFR. Journal of Materials Science and Technology. 2015;31(8):864–871. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2014.08.015Lu Sh., Liang T., Li Y., Li D., Rong L., Li Y. Microstructure and mechanical properties of simulated heat-affected zones of EP-823 steel for ADS/LFR. Journal of Materials Science and Technology. 2015;31(8):864–871. http://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2014.08.015Ma T., Hao X., Wang P. Effect of heat treatments on microstructural evolution and tensile properties of 15Cr12MoVWN ferritic/martensitic steel. Metals. 2020;10(9):1271. http://dx.doi.org/10.3390/met10091271Ma T., Hao X., Wang P. Effect of heat treatments on microstructural evolution and tensile properties of 15Cr12MoVWN ferritic/martensitic steel. Metals. 2020;10(9):1271. http://dx.doi.org/10.3390/met10091271

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