Исследование изменения электросопротивления в зависимости от эволюции структуры в аустенитной азотсодержащей коррозионностойкой стали ВНС53-Ш

Введение

В современной металлургии и материаловедении особый интерес представляют аустенитные азотсодержащие стали, сочетающие высокую прочность, пластичность и исключительную стойкость к коррозии. При механическом воздействии данные материалы за счет оптимальной системы легирования обладают фазовой и структурной стабильностью, что в свою очередь обеспечивает более высокую надежность по сравнению с углеродсодержащими коррозионностойкими сталями типа 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, AISI 304 и AISI 321 [1–8].

При изготовлении защитных элементов лопастей вертолетной техники типа оковок в большинстве случаев используется коррозионностойкая аустенитная сталь 12Х18Н10Т, которая при механическом воздействии склонна к образованию мартенсита деформации [6, 7], что приводит к снижению коррозионной стойкости и надежности элемента. Для улучшения характеристик элементов, таких как износо- и эрозионная стойкость, при сохранении коррозионной стойкости рекомендуется применение аустенитных коррозионностойких азотсодержащих сталей, в которых за счет высокой концентрации азота обеспечивается фазовая стабильность.

Для различных изделий авиационной техники в НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ разработана аустенитная коррозионностойкая азотсодержащая сталь ВНС53-Ш, которая за счет фазовой стабильности структуры обладает более высокими характеристиками коррозионной стойкости, а при интенсивной пластической деформации поверхностных слоев – более высокой износостойкостью по сравнению со сталью 12Х18Н10Т [5–13].

Сталь ВНС53-Ш (08Х21Г11АН6-Ш) относится к системе легирования Fe–Cr–Mn–Ni–N, поэтому при дополнительной термической обработке из твердого раствора можно выделять нитриды, которые в большинстве случаев способствуют повышению износостойкости. Вследствие образования мелкодисперсных нитридов общая твердость образцов при измерении по шкале Виккерса может незначительно изменяться, в связи с чем необходимы исследования в области взаимосвязи изменения физических характеристик материалов, таких как удельное электросопротивление, с происходящими структурно-фазовыми превращениями.

В авиационном машиностроении, где требования к надежности, безопасности и ресурсу конструкций предельно высоки, особое значение имеют неразрушающие методы контроля [14, 15]. Среди них в настоящее время активно развиваются методы акустической эмиссии и измерения удельного электросопротивления по стандарту IACS (International Annealed Copper Standard), обеспечивающие оперативную оценку структурного состояния и качества металлических материалов без нарушения их целостности [16, 17]. Измерения по стандарту IACS опираются на сравнительный принцип: электропроводность исследуемого образца сопоставляется с эталонным значением для отожженной меди при 20 °С. На регистрируемые показания в процессе генерации переменного электромагнитного поля катушкой датчика и возбуждения вихревых токов в приповерхностном слое материала влияют:

• фазовые превращения;
• изменения степени упорядоченности кристаллической решетки;
• образование и распад вторичных фаз;
• плотность дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий);
• перераспределение легирующих элементов в твердом растворе.

Таким образом, исследование взаимосвязи электросопротивления с протекающими структурно-фазовыми превращениями позволит улучшить характеристики и контроль качества термической обработки аустенитных азотсодержащих сталей.

В рамках данной работы для коррозионностойкой азотсодержащей стали ВНС53-Ш исследовано изменение микроструктуры и электросопротивления, измеряемого по стандарту IACS, в зависимости от режимов термической обработки в температурном диапазоне от 200 до 1000 °С.

Материалы и методы

В качестве объектов исследования использовали цилиндрические заготовки Ø20×20 мм из коррозионностойкой азотсодержащей стали ВНС53-Ш, вырезанные из горячедеформированного прутка. Заготовки после горячей деформации подвергали нагреву до температуры более 1000 °С с последующим охлаждением в воде для обеспечения гомогенной аустенитной структуры и повторному нагреву в диапазоне от 200 до 1000 °С с шагом 100 °С с последующим охлаждением в воде для фиксации фазовых превращений. Выдержка при температуре повторного нагрева составила ≥1 ч.

Термодинамический анализ фазового состава проводили в специализированном программном обеспечении, использующем метод CalPhaD. Входными параметрами служили химический состав стали и температурный интервал термической обработки.

Металлографические исследования микроструктуры проводили с применением оптического микроскопа при увеличениях ×200 и ×500. Травление образцов для выявления микроструктуры осуществляли электролитически в 10%-ном растворе щавелевой кислоты при напряжении ≤5 В.

Твердость образцов измеряли по методу Виккерса при нагрузке 1 кг (10 Н) в соответствии с ГОСТ 2999–75.

Электросопротивление исследовали методом возбуждения вихревых токов в приповерхностном слое в соответствии со стандартом IACS при частотах 60, 120, 240, 480 и 960 кГц. Удельное электросопротивление материала рассчитывали в соответствии с формулой

$$ \rho_{\text{маг}} = \frac{1,7241 \cdot 10^8}{\text{% IACS}} \cdot 100\%, \tag{1} $$

где %IACS – значение, регистрируемое прибором.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Проведен термодинамический расчет фазового состава стали в равновесном состоянии (рис. 1). Показано, что при длительном отжиге фазовый состав стали может включать фазу с объемно-центрированной кубической (ОЦК) решеткой и большое количество σ-фазы в связи с высоким содержанием хрома (>20 %). Кроме того, присутствует прерывистый распад в виде π-фазы, при которой происходит локальное обезлегирование твердого раствора никелем, хромом и азотом с образованием перлитоподобных структур в виде последовательных областей твердого раствора с нитридами хрома [18–22].

По диаграмме Потака–Сагалевич [23] для хромового эквивалента мартенситообразования получено значение коэффициента Сr_экв^м = –35,26, что свидетельствует о высокой стабильности аустенитной структуры при кристаллизации. Для хромового эквивалента ферритообразования достигнуто значение коэффициента Сr_ф^экв = 9,04, что подтверждает возможное присутствие δ-феррита в структуре. Согласно расчетам, сталь марки ВНС53-Ш может содержать ~20 % δ-феррита, однако при этом не учитывается способность высоких концентраций азота подавлять ферритообразование.

Металлографические исследования (рис. 2) показали, что в интервале температур отпуска 200–500 °С структура стали не изменяется – сохраняется твердый раствор аустенита с гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК) без выделений каких-либо фаз. Увеличение температуры до 600 °С привело к выделению нитридов хрома Cr₂N из твердого раствора по границам зерен (рис. 2, д). При температуре 700 °С объемное содержание нитридов хрома увеличилось и начался процесс формирования прерывистого распада с образованием перлитоподобной структуры (рис. 2, е). Согласно расчетам, начиная с 750 °С происходят активный переход ОЦК–ГЦК, растворение σ-фазы в твердом растворе, а также перераспределение легирующих элементов и увеличение доли γ-фазы. При 800 °С доля γ-фазы увеличивается, что дополнительно выявлено при анализе микроструктуры (рис. 2, ж). Расчетные данные также подтверждаются для образцов, подвергнутых обработке при температурах 900 и 1000 °С – уменьшаются доля прерывистого распада ввиду растворения σ-фазы в твердорастворной матрице и содержание нитридов.

Анализ изменения твердости образцов (рис. 3) позволил установить следующее. При повышении температуры обработки до 500 °С твердость стали практически не изменяется, что связано со стабильностью фазового состава и отсутствием образования избыточных фаз (карбидов, нитридов, карбонитридов). При температуре 600 °С твердость увеличивается до ~298 HV1, что объясняется активным выделением нитридов хрома из твердого раствора, которое, согласно результатам металлографических исследований, происходит преимущественно по границам зерен.

Дальнейшее увеличение температуры до 800 °С вызывает незначительное снижение твердости (до 285 HV1). При этом происходят перераспределение легирующих элементов в твердом растворе, подготовка к прерывистому распаду и локальное образование перлитоподобных структур. Несмотря на то что прерывистый распад приводит к образованию нитридов хрома, снижение содержания никеля в твердом растворе вызывает уменьшение твердости локальных областей до 150 HV1 (рис. 4). Это в свою очередь снижает объемную твердость образца. Увеличение твердости образцов до 310 HV1 связано с одновременным протеканием процессов перекристаллизации и перехода σ-фазы и части нитридов хрома в твердый раствор.

Удельное электросопротивление чувствительно к структурным изменениям, особенно к обеднению твердорастворной матрицы легирующими элементами, а также к выпадению избыточных фаз. Сталь ВНС53-Ш является маломагнитной, поэтому измерение удельного электросопротивления с применением вихретокового метода обеспечивает высокую точность исследований.

Для сравнительной оценки проведены измерения при различных частотах. Результаты позволили установить, что измерения при 60 кГц дают высокие значения удельного электросопротивления (рис. 5, а), в то время как использование диапазона частот 120–960 кГц обеспечивает идентичный характер распределения значений удельного электросопротивления при различных частотах (рис. 5, б).

Сравнение результатов измерения твердости и удельного электросопротивления после обработки при различных температурах (рис. 6) позволили выявить следующие закономерности:

• в температурном диапазоне обработки от 200 до 400 °С удельное электросопротивление практически не изменяется, несмотря на колебания твердости;
• при температурах обработки от 500 до 700 °С происходят начальное увеличение удельного электросопротивления вследствие возможного образования σ-фазы и дальнейшее снижение вследствие выделения нитридов при 600 °С. Наибольшее электросопротивление (77,2·10^-8 Ом·м) достигается при выделении нитридов по границам зерен из твердого раствора и в начале процесса формирования зон прерывистого распада с образованием перлитоподобных структур, подобно формированию зон Гинье–Престона, что в свою очередь способствует увеличению электросопротивления;
• активное выделение нитридов хрома и зон прерывистого распада с обеднением никелем твердого раствора при температуре обработки 800 °С приводит к снижению электросопротивления на 5 % (до 73,3·10^-8 Ом·м), что согласуется с исследованиями, проведенными на других материалах [24];
• активная перекристаллизация структуры, растворение нитридов и легирующих элементов в твердом растворе в диапазоне температур 900–1000 °С приводят к увеличению электросопротивления до 75,6·10^-8 Ом·м из-за искажения кристаллической решетки.

Полученные значения удельного электросопротивления можно использовать для контроля фазового состава стали ВНС53-Ш:

• ρ = (75,5–77,0)·10^-8 Ом·м – формирование ГЦК-структуры без значительного выделения нитридов;
• ρ > 77,0·10^-8 Ом·м – значительное выделение нитридов по границам зерен;
• ρ < 73,5·10^-8 Ом·м – образование зон прерывистого распада.

Для точного подтверждения данных значений необходимо провести дополнительные исследования изменений полуфабриката, а также совместного влияния степени деформации и структурно-фазовых превращений в процессе термической обработки.

Заключения

В рамках данной работы проведено комплексное исследование взаимосвязи удельного электросопротивления со структурно-фазовыми превращениями в аустенитной коррозионностойкой азотсодержащей стали ВНС53-Ш при термической обработке в диапазоне температур 200–1000 °С.

Установлено, что в интервале температур 200–500 °С фазовый состав и микроструктура стали остаются стабильными: выделения избыточных фаз не наблюдается, твердость и удельное электросопротивление практически не изменяются.

При температурах 600–700 °С происходит активное выделение нитридов хрома Cr₂N по границам зерен и начинают формироваться зоны прерывистого распада с образованием перлитоподобных структур. Данные процессы сопровождаются увеличением твердости до 298 HV1 и достижением максимального значения удельного электросопротивления (77,2·10^-8 Ом·м), что обусловлено искажением кристаллической решетки за счет выделения нитридов и перераспределением легирующих элементов для формирования зон прерывистого распада.

При температуре 800 °С развитие прерывистого распада и обеднение твердого раствора никелем приводят к снижению удельного электросопротивления (на ~5 % – до 73,3·10^-8 Ом·м) и твердости (до 285 HV1), что согласуется с данными, полученными для других материалов с аналогичными структурными изменениями.

В диапазоне 900–1000 °С активная рекристаллизация структуры и растворение нитридов в твердом растворе способствуют повышению твердости до 310 HV1 и восстановлению удельного электросопротивления до 75,6·10^-8 Ом·м вследствие искажения кристаллической решетки растворенными легирующими элементами.

На основании полученных результатов предложены пороговые значения удельного электросопротивления для неразрушающего контроля фазового состояния стали ВНС53-Ш по стандарту IACS, открывающие возможность практического применения данного метода для оперативной оценки качества термической обработки в условиях производства.

Для окончательного подтверждения установленных закономерностей и расширения области применения метода необходимо проведение дополнительных исследований с учетом степени предварительной деформации полуфабриката и совместного влияния термомеханических факторов на структурно-фазовые изменения в стали ВНС53-Ш.