Физика/2.Физика твердого тела

К.т.н. Демина Е.В., Прусакова М.Д., д.ф.м.н.Воеводин В.Н.*

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт металлургии и материаловедения А.А.Байкова РАН,

* Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт”

Влияние углерода и длительных тепловых выдержек на тонкую структуру и фазовое состояние малоактивируемых сталей типа 12Cr-20Mn-W

Малоактивируемые аустенитные стали типа Х12Г20В рассматриваются в качестве кандидатных конструкционных материалов атомных энергетических установок. Структурная стабильность этих сталей, в том числе при длительных тепловых выдержках представляет научный и практический интерес, т.к. ею определяется стабильность механических свойств, частности таких структурно чувствительных характеристик, как пластичность и вязкость материала.

Химический состав исследуемых сталей представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав исследованных сталей с основой Fe-12Cr-20Mn

Сталь	Содержание элементов, вес.%
	C	Si	Mn	Cr	W	Ti	P	S	B
25Х12Г20В	0,25	0,39	20,8	12,4	0,91	0,11	0,04	≤0,02	0,004
10Х12Г20В	0,10	0,50	20,5	12,4	1,09	0,05	<0,02	≤0,02	0,004
035Х12Г20В	0,035	0,10	20,7	12,0	1,0	-	<0,02	≤0,02	0,004

*)Содержание примесей O и N составляло соответственно 0,023 и 0,01 вес.%

С привлечением метода просвечивающей электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа проведены подробные исследования деталей тонкой структуры указанных сталей с различным содержанием углерода после длительных (до 5000 час) испытаний при 400 и 600 ⁰С.

Показано, что выделение вторых фаз карбидов типа M₂₃C₆ (рис.1) и МС (рис.2) по границам зерен и двойников, а также их рост при термическом старении приводит к частичной потере пластичности и обеднению матрицы основными элементами, следствием чего является ухудшение свойств материала. Этот эффект существенно увеличивается с повышением температуры старения от 400 до 600 оС благодаря увеличению количества карбидной фазы и ее укрупнению.

Установлено, что снижение содержания углерода в изученных сталях до уровня <0,1 вес% ведет к образованию дельта - феррита, в котором при значительных тепловых выдержках происходит зарождение охрупчивающей сигма – фазы (рис.3).

На рисунке 4 представлены рентгеновские спектры от выделений вторых фаз.

Характер дислокационной структуры Cr-Mn аустенита исследованных сталей определяется более низкими значениями энергии дефектов упаковки по сравнению со сталями с никелевым аустенитом, что способствует их возникновению тем в большей степени, чем ниже концентрация углерода в стали.

Добавки легирующих элементов в комбинации Ti-W-P способствуют образованию мелкодисперсных МС карбидов, играющих важную роль в эволюции структуры в условиях радиационного облучения.

Рис.1. Выделения карбидов типа М₂₃С₆ в стали 25Х12Г20В (внутри зерна):

а) светлопольное изображение ;

б) темнопольное изображение;

в) электронограмма от выделений вторых фаз типа М₂₃С₆.

Рис.2 Выделение карбидов типа МС в стали 25Х12Г20В (внутри зерна):

а) светлопольное изображение;

б) электронограмма от выделений МС.

Рис.3. Выделение s -фазы в термически состаренных образцах (Т=400^оС, 3518 ч) стали 035Х12Г20В:

а) выделение s -фазы на межзеренной границе;

б) электронограмма s -фазы (угол наклона a =8⁰);

в) электронограмма s -фазы (угол наклона a =18⁰).

а) б)

в)

Рис.4 Рентгеновские ЕДХ - спектры от выделений вторых фаз (Наличие в спектрах линий меди обусловлено взаимодействием анализирующего пучка с медным держателем мишений):

а) сложные карбиды типа М₂₃С₆ стали 25Х12Г20В;

б) карбиды типа МС стали 25Х12Г20В.

в) s -фаза в стали 035Х12Г20В.