Влияние длительного теплового старения в составе теплообменного оборудования РУ на быстрых нейтронах на структуру и свойства аустенитной хромоникелевой стали

В работе исследовано влияние длительной эксплуатации при температуре 515°С на структуру и свойства стали марки 09Х18Н9. Данные по структуре и фазовому составу стали получены с помощью оптической и растровой электронной микроскопии. Фазовый состав стали в равновесном состоянии определен путём термодинамического моделирования в программном пакете FactSage.
В результате исследования установлено, что в процессе эксплуатации при температуре 515°С продолжительностью 195 000 ч в стали марки 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 Cr23С6, Феррит (α), 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 α-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, предела текучести незначительно. Основной вклад в изменение механических характеристик стали марки 09Х18Н9 вносят вторичные выделения карбидной фазы.

1. Structural materials of nuclear power plants / Yu.F. Balandin, I.V. Gorynin, Yu.I. Zvezdin, V.G. Markov. - Moscow: Energoatomizdat, 1984. - 280 p.

2. Azbukin VG, Gorynin VI, Pavlov VN Promising materials for NPP equipment and pipelines. - SPb: Central Research Institute of CM "Prometheus", 1998.

3. Borodulin GM, Moshkevich EI Stainless steel. - Moscow: Metallurgy, 1973. - 160 p.

4. G.P. Karzov, A.S. Kudryavtsev, V.G. Markov, R.N. Grishmanovskaya, Yu.M. Trapeznikov, M.A. Ananyeva Development of structural materials for fast-neutron nuclear power plants with a sodium coolant // Material Science Matters, No. 2 (82), 2015, p. 23-33.

5. Engineering. Encyclopedia / Ed. tip: K. V. Frolov et al. M.: mechanical engineering. Engineering of nuclear engineering. Vol. IV-25. In 2 vol. kN. 1. E. O. Adamov, Yu. G. Dragunov, V. V. Orlov, etc. Under the General editorship of E. O. Adamov. 2005.-960 p.

6. V.M. Golod, K.D. Savelyev Computational Thermodynamics in Materials Science: Textbook. Allowance / SPb .: Publishing house Polytechnic. University, 2010. - 218 p.

7. Michael McGuire Stainless Steels for Design Engineers ASM International 2008. P 304.

8. E.E. Godlemon. Special steels, T.1, M: Metallurgy, 1966.

9. C.N. Lo, S.N. Shek, J.K.L. Lai Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering R 65 (2009) 39-104

10. V.S. Meskin The fundamentals of alloying steel. M .: State Scientific and Technical Publishing House of Literature on Ferrous and Non-Ferrous Metallurgy, 1959

11. R. Magnabosco Kinetics of sigma phase formation in a duplex stainless steel // Materials Research, Vol. 12, No. 3, 321-327, 2009.

12. Chih-Chun Hsieh, Weite Wu Overview of Intermetallic Sigma (σ) Phase Precipitation in Stainless Steels // International Scholarly Research Network ISRN Metallurgy Volume 2012, Article ID 732471.

13. B.Z. Margolin, A.G. Gulenko, A.A. Бучатский, Е.В. Nesterova, A.D. Kashtanov // Investigation of the influence of thermal aging on the long-term strength and ductility of steel Kh18N9 // Problems of Materials Science, 2010, No. 4 (64), p. 118-127.

14. NRIM-Metallographic Atlas of Long-Term Crept Materials No M-2, National Research Institute for Metals, Tokyo, Japan, 2003.

15. T. Sourmail Precipitation in Creep Resistant Austenitic Stainless Steels. Materials Science and Technology, 2001, Vol. 16.

16. Pridantsev MV, Lanskaya K.A. Steel for the boiler industry. Metallurgizdat, 1959

17. Ivanova TI, Nikolaev Yu.K. Quantitative characteristics of thermal embrittlement during aging of austenitic-ferritic metal // Vopr. Shipbuilding. Ser. Welding. - 1978. - Issue. 26. - P. 3-7.

18. B. Weiss and R. Sticler, Metallurgical Transactions, Vol. 3, 851, (1972).

19. Manson C. Temperature stresses and low-cycle fatigue. Translation from English. M., Mechanical Engineering, 1974, 344 p.

20. L. A. Kopelman Fundamentals of the theory of strength of welded structures. Studies'. benefit. SPb.: Publishing house of Polytechnical University, 2007, 278 p.