Влияние высокого содержания бора на рост карбидов М23С6 в высокохромистых сталях мартенситного класса
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_83265Ключевые слова:
жаропрочные стали, структура, легирование, бор, вторичные фазы, ориентационные соотношения, укрупнениеАннотация
Мартенситные стали с 9% Cr рассматриваются как перспективные конструкционные материалы для теплоэнергетического оборудования, работающего в условиях сверхкритических параметров пара. Их длительная прочность во многом определяется карбидной фазой M23С6, термическую стабильность которой можно повысить микролегированием бором. В настоящей работе изучено воздействие бора на процессы нуклеации и коалесценции карбидов типа M23С6 в четырех опытных сталях, различающихся концентрациями Co, W, B и N. После стандартной термообработки (закалка + отпуск) образцы подвергали ползучести при 650 °C в течение 16 000 ч. Методами ПЭМ, атомно-зондовой томографии и термодинамического моделирования установлено, что повышение бора до 0,012 мас.% способствует формированию фазы M23(С,В)6, которая характеризуется на 20% меньшим средним размером и в 1,5 раза большей плотностью на границах мартенситных реек по сравнению с карбидами M23С6 в низко бор-содержащих сталях. Межфазная энергия на границе M23(С,В)6/феррит снижается до 0,12 Дж/м2, что указывает на когерентный характер сопряжения. Однако, несмотря на значительное различие в межфазной энергии, скорость коалесценции частиц M23(С,В)6 оказывается сравнимой с таковой для обычных карбидов M23С6 из-за сегрегации Ni и Mn по границам частиц. Для полного использования положительного эффекта бора необходимо двукратное снижение суммарного содержания никеля и марганца.Библиографические ссылки
Kaybyshev R.O., Skorobogatykh V.N., Shchenkova I.A. New martensitic steels for fossil power plant: creep resistance // The 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), 186–200 (2010)]. DOI: 10.1134/S0031918X10020110.
Abe F., Kern T.U., Viswanathan R. Creep-resistant steels. Cambridge: Woodhead Publishing, 2008. 800 p.
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.
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.
Abe F. Creep Deformation Behaviour and its Effect on Creep Life and Rupture Ductility of W-Mo-balanced 9Cr Steels // Materials at High Temperatures. 37, 165–177, (2020). DOI: 10.1080/09603409.2020.1735208.
Lifshitz M., Slyozov V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 19, 35–50 (1961). DOI: 10.1016/0022-3697(61)90054-3.
Wagner R., Kampmann R. Homogeneous Second Phase Precipitation. New York: John Wiley & Sons Inc., 1991. P. 213–303.
Abe F. Bainitic and martensitic creep-resistant steels // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 8, 305–311 (2004). DOI: 10.1016/j.cossms.2004.12.001.
Abe F. Coarsening behavior of lath and its effect on creep rates in tempered martensitic 9Cr-W steels // Materials Science and Engineering: A. 387–389, 565–569 (2004). DOI: 10.1016/j.msea.2004.01.057.
Abe F. Effect of boron on microstructure and creep strength of advanced ferritic power plant steels // Procedia Engineering. 10, 94–99 (2011). DOI: 10.1016/j.proeng.2011.04.018.
Liu Z., Wang X., Dong C. Effect of boron on G115 martensitic heat resistant steel during aging at 650 C // Materials Science and Engineering: A. 787, 139529 (2020). DOI: 10.1016/j.msea.2020.139529.
Sanhueza J., Rojas D., García J., et al. Effect of boron in the coarsening rate of chromium-rich carbides in 9%–12% chromium martensitic creep-resistant steel: experiment and modeling at 650 °C // Metals and Materials International. 27, 3097–3104 (2021). DOI: 10.1016/j.msea.2025.149377
Sahara R., Matsunaga T., Hongo H., Tabuchi M. Theoretical Investigation of Stabilizing Mechanism by Boron in Body-Centered Cubic Iron Through (Fe,Cr)23(C,B)6 Precipitates // Metallurgical and Materials Transactions A. 47, 2487–2497 (2016). DOI: 10.1007/s11661-016-3397-7.
Rejeesh R., Bhattacharya A., Haldar C., et al. Relative effect of B and N concentrations on the microstructural stability and mechanical properties of modified 9Cr-1Mo steel // Journal of Alloys and Compounds. 867, 158971 (2021). DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.158971.
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.
Raznitsyn O., Lukyanchuk A., Shutov A., Rogozhkin S., Aleev A. Optimization of material analysis conditions for laser-assisted atom probe tomography characterization // Journal of Analytical Chemistry. 72, 1404–1410 (2017). DOI: 10.1134/S1061934817140118.
Kipelova A., Belyakov A., Kaibyshev R. The crystallography of M23C6 carbides in a martensitic 9% Cr steel after tempering, aging and creep // Philosophical Magazine. 93, 2259–2268 (2013). DOI: 10.1080/14786435.2013.765995.
Knežević V., Balun J., Sauthoff G., et al.. Design of martensitic/ferritic heat-resistant steels for application at 650°C with supporting thermodynamic modelling // Materials Science and Engineering: A. 477, 334–343, (2008). DOI: 10.1016/j.msea.2007.05.047.
Kaibyshev R., Mishnev R., Tkachev E., Dudova N. Effect of Ni and Mn of the creep behavior of 9–10% Cr steels with low N and high B // Transactions of the Indian Institute of Metals. 69 (2), 203–210 (2016). DOI: 10.1007/s12666-015-0761-z.
