Хладостойкость новой литейной Cr – Mn – Ni – Mo – N стали с 0,5 % N. Часть 1

Исследована хладостойкость лабораторного металла новой азотсодержащей литейной стали аустенитного класса (21 – 22)Cr – 15Mn – 8Ni – 1,5Mo – V (марка 05Х21АГ15Н8МФЛ) c содержанием азота 0,5 % и пределом текучести ~400 МПа. Для нее построена температурная зависимость ударной вязкости в интервале +20 … –160 °С и показано, что сталь характеризуется широким интервалом температур вязко-хрупкого перехода c T_DBT = –75 °C, при которой KCV = 120 ± 10 Дж/см². Материал сравнения – промышленная центробежнолитая 18Cr – 10Ni сталь (марка 12Х18Н10-ЦЛ) такой уровень KCV имеет при +20 °С. Она не склонна к вязко-хрупкому переходу, ее ударная вязкость снижается более полого и при температурах более низких, чем –80 °С, ее уровень KCV оказывается выше, чем у азотистой стали. Однако во всем интервале климатических температур азотистая литая сталь с 0,5 % N превосходит ее по ударной вязкости. Изученные стали имеют в литой структуре остаточный δ-феррит в количестве до ~10 % в Cr– Ni промышленной стали и меньшее количество в лабораторной азотистой, который обогащен хромом до 26 и 34 % (по массе) соответственно и содержит ~14 % Mn в азотистой стали. Его присутствие не влияет на характер изломов при климатических температурах, однако δ-феррит азотистой стали при –160 °С находится за порогом хладноломкости, поэтому ее излом, полученный при этой температуре, содержит многочисленные трещины в кристаллах δ-феррита. Определенная критериальным методом критическая температура хрупкости, ниже которой данный материал не рекомендуется к использованию, Т_K ≈ –110 °С. Ей соответствует уровень KCV = 68 – 83 Дж/см², более высокий, чем уровень KCV при +20 °С, допускаемый стандартом РФ на отливки из сталей аустенитного класса (до 59 Дж/см²). На основании сопоставления литературных и собственных данных сделан вывод, что у экономно легированных никелем (до 4 %) коррозионностойких сталей обеспечение высокой хладостойкости и, одновременно, высокой прочности за счет легирования 0,5 – 0,6 % азота невозможно.

1. Солнцев Ю. П. Хладостойкие стали и сплавы. – СПб.: Химиздат, 2005. – 476 с.

2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: Учебник для вузов. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

3. Harzenmoser M.A., Reed R.P., Uggowitzer P.J. The influence of nickel and nitrogen on the mechanical properties of high-nitrogen austenitic steels at criogenic temperatures // HNS 90, Aachen (Germany). October 1990. Dusseldorf, 1990. P. 197 – 203.

4. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R. 2009. Vol. 65. Issues 4 – 6. P. 39 – 104.

5. Timmerhaus K.D., Reed Richard Palmer. Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress // Springer. 2007.

6. Speidel M.O. Nitrogen containing austenitic stainless steels // Mat.Wiss. und Werkstofftech. 2006. Vol. 37. No. 10. P. 875 – 880.

7. Leffler B. (2013) Stainless Steels and their Properties. Available at URL:http://www.hazmetal.com/f/kutu/1236776229.pdf.

8. Uggowitzer P., Magdowski R, Speidel M.O. Nickel free high nitrogen austenitic steels // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 7. P. 901 – 908.

9. Young S. Han, Soon H. Hong. The effects of thermo-mechanical treatments on superplasticity of Fe-24Cr-7Ni-3Mo-0.14N duplex stainless steel // Scripta Materialia. March 1997. Vol. 36. Issue 5. P. 557 – 563.

10. Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels // Materials Science and Engineering: A.30 March 1996. Vol. 207. No. 2. P. 159 – 169.

11. Vijayalakshmi M., Shankar P., Sudha C. Microstructural aspects and thermodynamic stability of nitrogen bearing stainless steel / U. Kamatchi Mudali, Baldev Raj (Eds.) // High nitrogen steels and stainless steelsManufacturing, properties and applications, Monograph of the Proc. of Int. Conf. on High Nitrogen Steels, ASM International, Materials Park, Ohio, 2004. P. 113 – 132.

12. Gavriljuk V.G. Nitrogen in iron and steel // ISIJ International. 1996. Vol. 36. No. 7. P. 738 – 745.

13. Valentin G. Gavriljuk, Hans Berns. High Nitrogen Steels: Structure, Properties, Manufacture, Applications. Berlin; Heidelberg: New York: Springer – Verlag, 1999. – 379 p.

14. Rawers J.C., Doan R.C. Mechanical alloying in reactive and nonreactive gas atmospheres // Metallurgical and Materials Transactions A. 1994. Vol. 25. No. 2. P. 381 – 388.

15. Byoungchul Hwang, Tae-Ho Lee, Seong-Jun Park etc. Correlation of austenite stability and ductile-to-brittle transition behavior of high-nitrogen 18Cr–10Mn austenitic steels // Materials Science and Engineering: A. September 2011. Vol. 528. No. 24. P. 7257 – 7266.

16. Yuan Z., Dai Q., Cheng X. etc. Impact properties of high-nitrogen austenitic stainless steels // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 475. No. 1. P. 1202 – 1206.

17. Пат. 2205889 РФ. Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь / О.А. Банных, В.М. Блинов, М.В. Костина и др.; заявл. 06.03.2002; опубл. 06.10.2003.

18. Пат. 2303648 РФ. Высокопрочная и высоковязкая немагнитная свариваемая сталь / В.М. Блинов, О.А. Банных, А.А. Ильин и др.; заявл. 21.11.2005. Бюл. изобр. 2007. № 21.

19. Пат. 2562734 РФ. Высокопрочная хладостойкая сталь / Н.В. Малахов, В.В. Орлов, С.А. Голосиенко и др.; заявл. 12.05.2014; опубл.10.09. 2015.

20. Пат. 2608251 РФ. Хладостойкая аустенитная высокопрочная сталь / Р.О. Кайбышев, А.Н. Беляков, М.В. Однобокова и др.; заявл. 18.11.2015; опубл.17.01. 2017.

21. Кривцов Ю.С., Колчин Г.Г., Горобченко С.Л. Возможность использования литой стали для криогенных конструкций // Прочность и разрушение сталей при низких температурах. – М.: Металлургия, 1990. C. 215 – 219.

22. Горобченко С.Л., Кривцов Ю.С., Андреев А.К., Солнцев Ю.П. Конкурентоспособность арматурного литья за пределами ударной вязкости или применение нового комплексного метода для подтверждения надежности аустенитных сталей для криогенной арматуры // Трубопроводная арматура и оборудование. 23 декабря, 2013. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.valverus.info/popular/3219-konkurentosposobnostarmaturnogo-litya.html.

23. Пат. 2445397 РФ. Высокопрочная литейная немагнитная коррозионно-стойкая сталь и изделие, выполненное из нее / О.А. Банных, В.М. Блинов, Е.В. Блинов и др.; заявл. 23.06.2010; опубл. 20.03. 2012.

24. Костина М.В., Банных О.А., Блинов В.М. и др. Разработка новой литейной высококоррозионностойкой и высокопрочной аустенитной стали, легированной азотом. Часть 3. Структура и механические свойства новой литейной высокоазотистой коррозионностойкой Cr–Mn–Ni–Mo–N стали // Заготовительные производства в машиностроении. 2011. № 9. С. 39 – 45.

25. Костина М.В., Мурадян С.О., Хадыев М.С., Корнеев А.А. Исследование влияния термической обработки на структуру, фазовый состав и механические свойства новой литейной высокоазотистой коррозионностойкой Cr–Mn–Ni–Mo–N стали // Металлы. 2011. № 5. С. 33 – 48.

26. Мурадян С.О. Структура и свойства литейной коррозионностойкой стали, легированной азотом: Дис…канд. техн. наук. – М.: ИМЕТ РАН, 2016.

27. Kazakov A.A., Kiselev D. Industrial application of Thixomet image analyzer for quantitative description of steel and alloy’s // Microstructure. Metallography, Microstructure and Analysis. 2016. Vol. 5. No. 4. P. 294 – 301.

28. Казаков А.А., Орыщенко А.С., Фомина О.В. и др. Управление природой δ-феррита в азотсодержащих хромоникельмарганцевых сталях // Вопросы материаловедения. 2017. № 1. С. 7 – 21.

29. Пашков Ю.И. О природе порога хладноломкости металлов // Заводская лаборатория. 1988. № 7. С. 87 – 90.

30. Методика определения процента вязкой составляющей в изломе ударных образцов (для улучшаемой стали). Приложение 3 к ГОСТ 4543-71.

31. Thak Sang Byun, Timothy G. Lach. Mechanical properties of 304L and 316L austenitic stainless steels after thermal aging for 1500 hours // Light Water Reactor Sustainability Program. U.S. Depart of Energy Office of Nuclear Energy. September 2016. Available at URL: https://lwrs.inl.gov/Materials%20Aging%20and%20Degradation/ Mechanical_Properties_of_304L_and_316L_Austenitic_Stainless_ Steels_after_Thermal_Aging_for_1500_Hours.pdf.

32. Oldfield W. Curve fitting impact test data: A statistical procedure // ASTM Standardization News. 1975. Vol. 3. No. 11. P. 24 – 29.

33. Yeager K. Nonlinear curve fitting and the Charpy impact test: statistical, mathematical, and physical considerations. Available at URL: https://www.uakron.edu/dotAsset/2116623.pdf

34. Ботвина Л.Р., Блинов В.М., Тютин М.Р. и др. Особенности разрушения при ударном нагружении высокоазотистой стали 05Х20Г10Н3АМФ // Металлы. 2012. № 2. С. 83 – 92.

35. Byoungchul Hwang, Tae-Ho Lee, Seong-Jun Park etc. Ductileto-brittle transition behavior of high-nitrogen 18Cr-10Mn-0.35N austenitic steels containing Ni and Cu // Materials Science Forum. Vols. 654 – 656. Р. 158 – 161.

36. ПНАЭ Г-7-002-86 «Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Приложение 2. Методы определения механических свойств конструкционных материалов. 5. Методика определения критической температуры хрупкости».

37. Казаков А.А., Фомина О.В., Житенев А.И., Мельников П.В. Физико-химические основы управления природой δ-феррита при сварке аустенитно-ферритными материалами // Вопросы материаловедения. 2018. Т. 96. № 4.С. 42 – 52.

38. Speidel M.O. Applications and services // High Nitrogen Austenitic Steel and Stainless Steels, Kalpakkam, 2002.

39. Вологжанина С.А., Иголкин А.Ф. Хладостойкие материалы. Лабораторные работы: Учеб.-метод. пособие. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 42 с.

40. Shiyong Liu, Deyi Liu, Shicheng Liu. Transgranular fracture in low temperature brittle fracture of high nitrogen austenitic steel// Journal of Materials Science. September 2007. Vol. 42. No. 17. P. 7514 – 7519.

41. Гуляев А. П. Металловедение: Учебник для вузов. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

42. Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В. и др. Влияние режимов горячей прокатки и термической обработки на структуру, механические и технологические свойства аустенитной азотосодержащей стали 05Х22АГ15Н8М2Ф-Ш // Металлы. 2006. № 4. С. 33 – 41.

43. Songtao Wang, Ke Yang, Yiyin Shan, Laifeng Li. Plastic deformation and fracture behaviors of nitrogen-alloyed austenitic stainless steels // Materials Science & Engineering A. August 2008. Vol. 490. Issues 1 – 2. P. 95 – 104.

44. Tomota Y, Xia Y, Inoue K. Mechanism of low temperature brittle fracture in high nitrogen bearing austenitic steels // Acta Mater. 1998. Vol. 46. No. 5. P. 1577 – 1587.

45. ГОСТ 977-88. Отливки стальные. Общие технические условия.