Введение к работе
Актуальность проблемы
Интерес к исследованию железо-хромистых сталей и сплавов вызван широким использованием их в промышленности. Многообразие фаз, которые образуются в этих сплавах (феррит, аустенит, 8-фаза, карбиды), определяет возможность управления свойствами этих сталей. Например, присутствие остаточного аустенита в ферритной структуре способствует повышению ударной вязкости. Эффективным стабилизатором аустенита является азот, который имеет более высокую растворимость в а-, у-, 8-железе по сравнению с углеродом, однородно распределяется в у-твердом растворе сплавов Fe-Cr. При этом процесс изотермического распада азотистого аустенита при всех температурах идет значительно медленнее, чем углеродистого, и продукты распада в сталях с азотом имеют высокую степень дисперсности. Все это определяет перспективы разработки сталей, легированных азотом.
При исследовании растворимости азота в двойных и многокомпонентных сплавах обычно используется азотная атмосфера. Для железо-хромистых сплавов получены зависимости растворимости азота от температуры, содержания хрома в сплаве и давления газообразного азота. Растворимость азота в воздушной атмосфере практически не исследована. Обычно влияние воздушной атмосферы при высокотемпературных выдержках на хромсодержащие стали и сплавы рассматривают с точки зрения изучения процесса окисления поверхности. Однако, селективное окисление поверхности железо-хромистых сплавов может приводить к изменению легированности сплава и сопровождаться фазовым а —» у превращением, а в присутствии азота увеличением его растворимости и даже стабилизацией аустенита. В связи с этим исследование влияния воздушной среды на фазовый состав железо-хромистых сплавов при высоких температурах становится актуальной задачей, имеющей важное практическое значение.
Известные в настоящее время методы исследования высокотемпературного состояния сталей и сплавов, такие как высокотемпературная металлография, рентгенография, спектроскопия, являются трудоемкими и дорогостоящими, требуют привлечения широкого арсенала знаний других областей науки, специальной подготовки объектов исследования. Результаты, полученные этими методами, в большинстве случаев, имеют качественный характер. Термодинамическое моделирование (ТМ) высокотемпературных процес, как
4 метод теоретического исследования, является экспрессным и позволяет определять точные количественные соотношения между параметрами процессов, оценивать механизм превращений, прогнозировать оптимальные условия обработки. Использование ТМ становится особенно эффективным благодаря современной вычислительной технике.
Цель работы
Цель настоящей работы - разработка методологии исследования фазовых превращений в сплавах Fe-Cr при высоких температурах.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
построение алгоритма термодинамического моделирования фазовых превращений и растворимости азота воздушной среды в сплавах Fe-Cr при высоких температурах;
экспериментальное исследование изменения фазового состава ферритного сплава Х15 в воздушной среде при температуре 1000С в соответствии с построенным алгоритмом;
оценка растворимости азота в сплаве Х15 в зависимости от состава оксидного слоя поверхности;
термодинамическое прогнозирование растворимости азота воздуха в сплавах Fe-Cr(0-22%);
моделирование фазового состава стали 08Х15Н5Д2Т в интервале температур 500-1200С.
На защиту выносятся:
методология исследования фазовых превращений в сплавах Fe-Cr при
высоких температурах, включающая в себя:
построение термодинамической модели,
расчет равновесного состава модельной системы,
оценка растворимости азота,
согласование расчетных результатов с экспериментальными данными;
результаты термодинамического расчета и экспериментальных исследований влияния воздушной атмосферы на фазовые превращения в ферритном сплаве Х15 (изменение состава поверхности, образование у-фазы и причины ее стабилизации);
результаты оценки растворимости азота воздушной среды в сплавах Fe-Cr (0-22%) при температуре 1000С;
результаты термодинамического расчета равновесного состава фаз в стали
08Х15Н5Д2Т при температурах 500-1200С.
Научная новизна
Впервые предложена методология исследования фазовых превращений в сплавах Fe-Cr при высоких температурах, которая позволяет оперативно получать информацию в сочетании с низкими расходами средств и времени. При использовании этой методологии:
определены условия образования у-твердого раствора при температуре 1000С в ферритном сплаве Х15 в воздушной среде и найдены условия абсорбции азота воздуха сплавом;
показано, что растворение азота из воздушной атмосферы приводит к стабилизации высокотемпературной у-фазы;
установлено, что оксид хрома Сг20з не препятствует абсорбции азота воздуха в сплав Х15, а железо-хромистая шпинель FexCr3-x04 является барьерным слоем для абсорбции азота в объем сплава;
рассчитана диаграмма растворимости азота в воздушной среде в сплавах Fe-Cr (0-22%) при температуре 1000С;
дана количественная оценка содержания выделяющихся фаз в стали 08Х15Н5Д2Т двух переплавов при температурах 500-1200С, предложены механизмы их формирования.
Практическая ценность:
предложена методология расчета растворимости азота воздушной атмосферы в сплавах Fe-Cr(0-22%); построенная диаграмма растворимости азота в сплавах Fe-Cr может быть использована для предсказания фазового и химического состава этих сплавов;
определены условия, при которых природная газовая смесь (воздух) может служить в качестве азотирующей среды;
определены условия формирования в сплаве Х15 остаточного аустенита;
показаны возможности целенаправленного управления свойствами промышленной стали 08Х15Н5Д2Т при термообработке.
Апробация работы и публикации:
Результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, а также доложены и обсуждены на 8 конференциях.
Структура и объем диссертации:
