Сопротивление ударным нагрузкам высокохромистой мартенситной стали с низким содержанием азота и высоким содержанием бора
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_822575Ключевые слова:
жаропрочные стали, термическая обработка, ударная вязкость, микроструктура, вторичные фазыАннотация
В работе изучено поведение новой высокохромистой мартенситной стали с пониженным содержанием азота (0,0007 мас.%) и повышенной долей бора (0,015 мас.%) при динамическом нагружении в широком интервале температур. Микроструктура представляет собой отпущенный троостомартенсит (средняя ширина реек 320±30 нм), плотность дислокаций составляет 1,5 × 1014 м−2, δ-феррит не выявлен. Обнаружены карбиды M23C6 (средний размер ~70 нм), единичные включения M6C и частицы NbX. При комнатной температуре ударная вязкость превышает 200 Дж/см2, что значительно выше нормативных требований для котельных и турбинных сталей. Порог хладноломкости (середина между верхним и нижним шельфами) составляет 0 °C. При температуре выше –20 °C работа зарождения трещины стабилизируется на уровне 60±7 Дж, тогда как работа её распространения возрастает за счёт увеличения доли вязкой составляющей. Фрактографический анализ демонстрирует расширение области стабильного роста трещины и сужение зоны нестабильного разрушения при повышении температуры, вплоть до полного исчезновения последней при 60 °C. Разработанная сталь 10% Cr–3% Co–0,2% Re с низким содержанием азота и высоким содержанием бора отличается высокой ударной вязкостью при комнатной температуре (~200 Дж/см²) и удовлетворительным порогом хладноломкости (~0 °C), что открывает перспективы её применения в элементах энергоустановок со сверхкритическими параметрами пара.Библиографические ссылки
Kaybyshev R.O., Skorobogatykh V.N., Shchenkova I.A. New martensitic steels for fossil power plant: creep resistance // Physics of Metals and Metallography. 109(2), 186–200 (2010). (In Russian) [Кайбышев Р.О, Скоробогатых В.Н, Щенкова И.А Новые стали мартенситного класса для тепловой энергетики // ФММ. 109(2), 200–215 (2010)]. DOI: 10.1134/S0031918X10020110.
Abe F., Kern T.U., Viswanathan R. Creep-resistant steels. Woodhead: Publishing, Cambridge, 2008. 800 p.
Viswanathan R., Bakker W. Materials for ultrasupercritical coal power plants – Boiler materials: Part I // Journal of Materials Engineering and Performance. 10, 81–95 (2001). DOI: 10.1361/105994901770345394.
Abe F. Precipitate design for creep strengthening of 9%Cr tempered martensitic steel for ultra-supercritical power plants // Science and Technology of Advanced Materials. 9, 013002 (2008). DOI: 10.1088/1468-6996/9/1/013002.
Kimura K. Creep strength of high chromium steel with ferrite matrix // International Journal of Pressed Vessels and Piping. 87, 282–288 (2010). DOI: 10.1016/j.ijpvp.2010.03.016.
Wang H., Yan W., Zwaag S., et al. On the 650 °C thermostability of 9–12Cr heat resistant steels containing different precipitates // Acta Materialia. 134, 143–154 (2017). DOI: 10.1016/j.actamat.2017.05.069.
Tkachev E., Belyakov A., Kaibyshev R. Creep strength breakdown and microstructure in a 9%Cr steel with high B and low N contents // Materials Science and Engineering. A. 772, 138821 (2020). DOI: 10.1016/j.msea.2019.138821.
Dudova N., Mishnev R., Kaibyshev R. Creep behavior of a 10%Cr heat-resistant martensitic steel with low nitrogen and high boron contents at 650 °C // Materials Science and Engineering. A. 766, 138353 (2019). DOI: 10.1016/j.msea.2019.138353.
Yan P., Liu Zh., Bao H., et al. Effect of microstructural evolution on high-temperature strength of 9Cr–3W–3Co martensitic heat resistant steel under different aging conditions // Materials Science and Engineering: A. 588, 22–28 (2013). DOI: 10.1016/j.msea.2013.09.033.
Nikitin I., Fedoseeva A., Kaibyshev R. Strengthening mechanisms of creep-resistant 12%Cr–3%Co steel with low N and high B contents // Journal of Materials Science. 55, 7530–7545 (2020). DOI: 10.1007/s10853-020-04508-7.
Abe F., Tabuchi M., Tsukamoto S. Alloy design of MARBN for boiler and turbine applications at 650 °C // Materials at High Temperatures. 38, 306–321 (2021). DOI: 10.1080/09603409.2021.1963393.
Xiao B., Yadav S., Zhao L., et al. Deep insights on the creep behavior and mechanism of a novel G115 steel: Micromechanical modeling and experimental validation // International Journal of Plasticity. 147, 103124 (2021). DOI: 10.1016/j.ijplas.2021.103124.
Mishnev R., Dudova N., Dudko V., Kaibyshev R. Impact toughness of a 10% Cr steel with high boron and low nitrogen contents // Materials Science and Engineering: A. 730, 42 (2018). DOI: 10.1016/j.msea.2018.05.103.
Borisova J., Dudko V., Mishnev R., Kaibyshev R. Effect of Laves phase on ductile-brittle transition of 12 pct Cr steel // Metallurgical and Materials Transactions A. 50A, 3528–3543 (2019). DOI: 10.1007/s11661-019-05269-y.
Briant C.L., Banerji S.K., Intergranular failure in steel: the role of grain-boundary composition // International Metals Reviews. 4, 164–195 (1978).
Byun T.S., Hoelzer D.T., Kim J.H., Maloy S.A. A comparative assessment of the fracture toughness behavior of ferritic-martensitic steels and nanostructured ferritic alloys // Journal of Nuclear Materials. 484, 157–167 (2017). DOI: 10.1016/j.jnucmat.2016.12.004.
Dlouhý J., Chvostová E., Donik Č. Laves phase evolution in 10Cr-3W-3Co steel during thermal exposure and creep // Materials Letters. 348, 134656 (2023). DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134656.
GOST 18968-73. Corrosion-resistant and heatproof steel bars and strips for steam turbine blades. Specifications. Moscow, Izdatelstvo Standartov, 1974. 8 p. (In Russian) [ГОСТ 18968-73. Прутки и полосы из коррозионно-стойкой и жаропрочной стали для лопаток паровых турбин. Технические условия. Москва: Изд-во стандартов, 1974. 8 с.].
Hu J., Liu K., Ma L., et al. Significant improvement in strength and toughness of nanoscale precipitatestrengthened steel by direct quenching and tempering process // Steel Research International. 92, 2000331 (2021). DOI: 10.1002/srin.202000331.
