Хладостойкость новой литейной Cr – Mn – Ni – Mo – N стали. Часть 2. Исследование фактора частиц неметаллических включений при статическом и ударном нагружении при пониженных температурах

Новая литейная аустенитная Cr – Ni – Mn сталь с 0,5 % N (марка 05Х21АГ15Н8МФЛ) во всем интервале климатических температур превосходит по ударной вязкости литую сталь сравнения типа 18Cr – 10 Ni. В статье уделено внимание частицам неметаллических включений (НВ) в литом металле азотистой стали как фактору, способному влиять на механические свойства при статическом и ударном нагружении при пониженных температурах. Неметаллические включения в лабораторном металле представляют собой глобулярные оксисульфиды с оксидами SiO2 в центральной части и наружным слоем, сформированным сульфидом марганца MnS, со средним размером ~75 % частиц до 4 мкм. Установлено, что при испытаниях литой стали на ударный изгиб при –160 °С эти НВ не служат источником зарождения трещин и не способствуют их распространению, находясь в изломе в изолированных ямках. В условиях растяжения при –110 °С предел текучести азотистой стали возрастает более, чем в 1,7 раза по сравнению со свойствами при +20 °С, пластичность при охлаждении до –110 °С не снижается. При этом частицы НВ сильно деформируются за счет развития в их оксидной части трещин и даже при выходе на поверхность образца в рабочей части в зоне шейки они не служат источником зарождения трещин. Трещины на границе НВ – деформирующийся металл не образуются. Даже при случайном расположении частиц в виде цепочек вдоль оси приложения растягивающей нагрузки на расстоянии 5 – 20 мкм друг от друга не происходит формирования пор вокруг частиц и их слияния в зародыш трещины. Полученные результаты коррелируют с литературными данными о том, что в пластичных сталях НВ могут действовать как релаксаторы напряжений.

1. Костина М.В., Поломошнов П.Ю., Блинов В.М., Мурадян С.О., Костина В.С. Хладостойкость новой литейной Cr–Mn–Ni–Mo–N стали с 0,5 % N. Часть 1 // Известия вузов. Черная металлургия. 2019. Т. 62. № 11. C. 894–906. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2019-11-894-906

2. Gladman T., Holmes B., Pickering F.B. Work hardening of lowcarbon steels // The Journal of the Iron and Steel Institute. 1970. Vol. 208. No. 2. P. 172–183.

3. Pickering F.B. Physical Metallurgy and the Design of Steels. London: Applied Science Publisher Ltd, 1978. 104 p.

4. Губенко С. Неметаллические включения и прочность сталей. Физические основы прочности сталей. Saarbrücken: OmniScriptum Marketing DEU GmbH, 2015. 274 c.

5. Knott J.F. Fundamentals of Fracture Mechanics. London: Butterworth, 1973. 273 p.

6. Da Costa e Silva A.L.V. The effects of non-metallic inclusions on properties relevant to the performance of steel in structural and mechanical applications // Journal of Materials Research and Technology. 2019. Vol. 8. No. 2. P. 2408–2422. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.01.009

7. You D., Michelic S.K., Presoly P., Liu J., Bernhard C. Modeling inclusion formation during solidification of steel: A review // Metals. 2017. Vol. 7. No. 11. Article 460. https://doi.org/10.3390/met7110460

8. Park J.H., Kang Y. Inclusions in stainless steels – A review // Steel Research International. 2017. Vol. 88. No. 12. P. 1700–2130. https://doi.org/10.1002/srin.201700130

9. Speich G.R., Spitzig W.A. Effect of volume fraction and shape of sulfide inclusions on through-thickness ductility and impact energy of high-strength 4340 plate steels // Metallurgical Transactions A. 1982. Vol. 13. No. 12. P. 2239–2258. https://doi.org/10.1007/BF02648395

10. Singh V. Inclusion Modification in Steel Castings Using Automated Inclusion Analysis: Masters Theses. Missouri University of Science and Technology, 2009. 80 p.

11. Srivastava A., Ponson L., Osovski S., Bouchaud E., Tvergaard V., Needleman A. Effect of inclusion density on ductile fracture toughness and roughness // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 2014. Vol. 63. P. 62–79. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2013.10.003

12. Tervo H., Kaijalainen A., Pikkarainen T., Mehtonen S., Porter D. Effect of impurity level and inclusions on the ductility and toughness of an ultra-high-strength steel // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 697. P. 184–193. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.05.013

13. Thornton P.A. The influence of nonmetallic inclusions on the mechanical properties of steel: A review // Journal of Materials Science. 1971. Vol. 6. P. 347–356. https://doi.org/10.1007/PL00020378

14. Krawczyk J., Pawlowski B. The effect of non-metallic inclusions on the crack propagation impact energy of toughened 35B2+Cr steel // Metallurgy and Foundry Engineering. 2008. Vol. 34. No. 2. P. 115–124. https://doi.org/10.7494/mafe.2008.34.1.115

15. 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.

16. Wang W., Yan W., Yang K., Shan Y., Jiang Z. Temperature dependence of tensile behaviors of nitrogen-alloyed austenitic stainless steel // Journal of Materials Engineering and Performance. 2010. Vol. 19. P. 1214–1219. https://doi.org/10.1007/s11665-010-9603-7

17. Судьин В.В. Исследование особенностей разрушения низколегированных сталей и их сварных соединений в интервале вязкохрупкого перехода: Дис… канд. физ.-мат. наук. Москва: ИМЕТ РАН, 2021. 189 с.

18. 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 // ТПА. Трубопроводная арматура и оборудование [Электронный ресурс]. URL: http://www.valverus.info/ popular/3219-konkurentosposobnost-armaturnogo-litya.html (дата обращения 20.12.2021)

19. Кайбышев О.А., Валиев Р.З. Границы зерен и свойства металлов. Москва: Металлургия, 1987. 214 с.

20. Орлов А.Н., Переверзенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. Москва: Металлургия, 1980, 156 с.

21. Смирнов Л.А., Бурмасов С.П., Беликов С.В., Жиляков А.Ю., Орыщенко А.С., Калинин Г.Ю., Соловьев И.В., Житлухина М.Е. Влияние морфологии неметаллических включений на разрушение перспективной высокопрочной коррозионностойкой стали 04Х20Н6Г11М2АФБ // Черная металлургия. Бюллетень научнотехнической и экономической информации. 2020. Т. 76. № 4. С. 372–381. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2020-4-372-381