Исследование стабильности структуры и свойств сталей с церием и иттрием

Стабильность структуры и свойств стали после длительных выдержек при рабочей температуре — один из критериев оценки пригодности ее для работы в условиях повышенных температур.

Исследованию подвергали низкоуглеродистые (0,15—0,20% С) и среднеуглеродистые (0,35—0,40% С) стали с различными добавками церия и иттрия.

Известно, что все стали при достаточно длительном времени выдержки претерпевают изменения в структуре; эти изменения относятся прежде всего к карбидной фазе, хотя и рекристаллиза-ционный эффект может быть весьма значительным. Температура испытания была выбрана 650° С, однако при этой температуре все процессы принципиально не нарушаются, а лишь интенсифицируются.

Микроструктуру низкоуглеродистых сталей исследовали после выдержек в течение 50—100—200—400—600—800—1000 час. Среднеуглеродистую сталь, в которой процессы сфероидизации начинаются раньше, изучали после 10—20—30—40—50—100—200—400—600—800—1000 час испытания.

Изучение структуры сталей при длительных нагревах позволило свести все многообразие получаемых при разных режимах и составах структур к четырем основным типам микроскопического строения:

1. I — исходная структура, характеризуется плотным сорбитообразным строением перлита, величина перлитных колоний соизмерима с величиной ферритового зерна.


2. II — соответствует частичной и неполной сфероидизации. Часть перлита сфероидизирована или сильно разрежена, однако встречаются участки плотного перлита, характерные для исходной структуры.


3. III — характерен для полной сфероидизации: цементит, как правило, находится в виде более или менее одинаковых по размеру глобул. Однако распределение его нельзя считать равномерным, так как глобулы находятся на месте бывших пластинок перлитного цементита. Такой цементит решено называть «наследственным», так как его связь с исходным перлитом несомненна и легко различима.


4. IV тип микроструктуры также соответствует полной сфероидизации, но характеризуется статистически равномерным распределением карбидов. Структурно-наследственный цементит отсутствует.

Все типы микроструктуры объединены преемственностью и соответствуют разным стадиям сфероидизации, поэтому преобладание какого-либо типа структуры указывает на степень сфероидизации и позволяет, исходя из общих соображений, судить о направленности изменения механических свойств.

Исследование микроструктуры показало, что церий и иттрий в значительной степени задерживают I стадию процесса — сфероидизацию карбидов (рис. 1, а, б, в).

Так, уже после 200 час выдержки рядовая малоуглеродистая сталь характеризуется почти полной сфероидизацией цементита перлита с малыми участками наследственного цементита, в основном это структура IV типа с преимущественно пограничным расположением цементита.

Добавка в сталь 0,084%—0,340% Се сохраняет структуру частичной и неполной сфероидизации (II типа) с участками довольно плотного перлита. Введение иттрия в сталь, начиная с 0,10%, приводит к такому же структурному результату. Та же самая картина наблюдается и при максимальном времени выдержки — 1000 час.

Для среднеуглеродистой стали качественно получена аналогичная зависимость, однако начало сфероидизации происходит при меньшем времени выдержки — 10 час.

Одновременно с процессом сфероидизации карбидной фазы начинается процесс коагуляции ее. В качестве критерия процесса коагуляции карбидов выбрана характеристика максимального размера карбидов. Максимальный размер карбидов определяли только в малоуглеродистой стали с различными добавками церия и иттрия при увеличении 1050 по 30 полям зрения. В каждом поле зрения определяли размеры наиболее крупного карбида в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и затем вычисляли среднюю площадь карбида из всех 30 измерений.

Результаты подсчета показали, что отличительной особенностью цериевых и иттриевых сталей является значительно меньшая максимальная величина карбидов при любом времени выдержки. Так, рядовая углеродистая сталь после 200 час выдержки имела максимальный размер карбида 13,5 мк, в то время как сталь с 0,08 Се — 7,9 мк, а сталь с 0,17% У — 8,3 мк, что почти в 2 раза меньше по сравнению с обычной сталью (рис. 2).

Рис. 2. Изменение максимальных размеров цементита в зависимости от содержания церия и иттрия в стали при 650° С после 200 час выдержки.

Та же тенденция сохраняется и при максимальном времени выдержки— 1000 час (рис. 3).

Рис. 3. Изменение максимальных размеров цементита в зависимости от содержания церия и иттрия в стали при 650° С после 1000 час выдержки.

Максимальная площадь карбида — понятие довольно условное, меняющееся в зависимости от времени выдержки. Это понятие принято нами для характеристики более общего процесса — диффузии массы, объема вещества. Исходя из полученных результатов уменьшения церием и иттрием максимальных размеров карбидов, можно сделать вывод об уменьшении ими массы диффундирующего вещества в единицу времени, т. е. о торможении диффузии углерода в сталях с добавками РЗМ.

Таким образом, микроструктурные исследования показали, что добавки церия и иттрия в значительной степени тормозят сферо-идизацию и коагуляцию карбидов при длительных нагревах. Кроме того, обе указанные добавки способствуют более равномерному распределению карбидов в теле зерна и по границам и значительному торможению роста приграничных карбидов, что должно положительно сказаться на механических свойствах стали.

Эффект церия и иттрия обусловлен в первую очередь торможением ими диффузии углерода в феррите. Наличие такого торможения было отмечено нами при исследовании микроструктуры термообработанных цериевых и иттриевых сталей. Кроме того, добавки церия и иттрия, благодаря своим поверхностно-активным свойствам, располагаются по границам зерен, снижают уровень граничной энергии, тем самым снижая стимул для граничной диффузии углерода и способствуя получению равномерного (в теле зерна и по границам) распределения цементита. Кроме того, по нашим данным иттрий частично располагается в цементите перлита, увеличивает его устойчивость, а следовательно, уменьшает склонность легированного перлита к сфероидизации. Однако тот факт, что одинаковые добавки церия и иттрия способствуют получению одинакового структурного результата, говорит, что более сильное влияние иттрия из-за его легирующего действия в цементите компенсируется меньшим влиянием его как поверхностно-активного элемента, а также меньшей способностью его тормозить диффузию углерода.

Естественно, что столь значительные изменения в микроструктуре, о которых сказано выше, не могут не отразиться на уровне механических свойств.

Все виды механических испытаний — на растяжение, определение твердости и ударной вязкости — были проведены на всех опытных плавках среднеуглеродистой стали после 1000 час выдержки ее при температуре 650° С.

Длительный нагрев приводит к разупрочнению всех опытных сталей. Однако степень разупрочнения цериевых и иттриевых сталей меньше, чем углеродистой. Так, в углеродистой стали уровень прочности понижается на 16,4%, в стали с 0,07% Се — на 11,9%, а в стали с 0,11% Y — на 12,3%. Это связано, видимо, с торможением церием и иттрием диффузии углерода и рекристаллизации феррита. Однако, учитывая, что предел прочности все же определяется свойствами твердого раствора, а легирующее действие обеих добавок Невелико из-за их малой растворимости в феррите, становится понятным, почему обе добавки не могут значительно задержать процесс разупрочнения.

Интересно отметить, что изменение твердости при этом в большей степени зависит от добавок РЗМ, чем изменение предела прочности. Так, если в рядовой углеродистой стали после испытания на стабильность твердость снизилась на 11,1%, то в стали с 0,076% Се это снижение составляет 5,9%, т. е. почти в 2 раза меньше. Это связано со значительным торможением церием и иттрием рекристаллизационного эффекта в сталях. Сохранение меньшей величины зерна в этих сталях после длительных нагревов, естественно, способствует меньшему падению твердости.

Еще более значительное влияние церий и иттрий оказывают на изменение уровня ударной вязкости, что объясняется большей зависимостью этой характеристики от микроструктуры сталей. Так, в обычной углеродистой стали величина ударной вязкости после испытания на стабильность даже несколько ниже по сравнению с исходной вязкостью, в стали с 0,076% Се ударная вязкость повышается на 53%, а в стали с 0,10% Y — даже на 68%. Это связано, безусловно, с более равномерным распределением карбидов по телу зерна по сравнению с преимущественно пограничным расположением их в углеродистой стали.

Таким образом, изучение структуры и свойств опытных сталей при длительных выдержках и при повышенных температурах показало, что добавки РЗМ в значительной степени тормозят все процессы, происходящие в стали при длительных нагревах, благодаря чему стали с добавками церия и иттрия характеризуются большей стабильностью свойств по сравнению с рядовыми сталями. Оптимальными количествами церия и иттрия в стали, исходя из результатов исследования, следует считать малые добавки обоих элементов: 0,07—0,08% Се и 0,08—0,10% Y.