3.5. Влияние технологической наследственности на коррозионную стойкость

Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса применяются после закалки: нагрев при 1040°С (30 мин) и охлажде­ние в масле с последующим отпуском, температура которого может составлять 560°С, 2 ч (воздух), либо 650°С, 2 ч (воздух) и реже 380°С, 2 ч.

После низкотемпературного отпуска (T_отп = 380°С) для стали характерны более высокие механические свойства, чем после отпус­ка при 560 или 680°С, когда σ_в, σ_т, НВ снижаются, но повышаются пластичность (табл. 3.5.1) и технологические свойства, улучшается механическая обрабатываемость стали, повышается демпфирующая способность материала. С повышением температуры отпуска чув­ствительность сталей к концентраторамнапряжений несколько снижается, однако она остается достаточно высокой как при нормальной, так и при повышенных температурах.

Для стали 15Х16К5Н2МВФАБ (табл. 3.5.2) чувствительность к концентрации напряжений с повышением Т_исп от 20 до 600°С даже повышается, но существенного снижения предела выносливости образцов из этой стали, гладких и с концентраторами напряжений (a_w - 1,5 ... 3), пораженных коррозией, не обнаружено (см. табл. 3.4.2).

Таблица 3.5.1

Механические свойства стали 14Х17Н2 после различных температур отпуска

Темпе­ратура отпуска				δ			ψ	НВ
	МПа				%				d,мм
380	1400.. 1260	1260... 1100			9..16	50… 67			2,8 ... 3,0		5
560	990	790			9	56			3,15 ... 3,4		4
680	910	710			18	60			3,5		8

Таблица 3.5.2

Значения коэффициентов К для образцов

из стали 15Х16К5Н2МВФАБ после циклических коррозионных испытаний

Вид образца	,	σ_1, МПа, для исходного состо­яния	Влияние коррозионных повреждений
Гладкий	20	580	1,03
Гладкий	600	380	1,10
С надрезом =1,5	20	405	1,0
С надрезом = 3	20	205	1,0

Примечание: Циклические коррозионные испытания состояли из 3-х циклов: нагрев при Т - 300°С (1 ч), охлаждение и выдержка в 3% растворе NaCl (2 ч), выдержка во влажной камере (23 ч) и 7 циклов: нагрев ЗОО'С (2 ч), охлаждение и выдержка в 0,1...0,2% растворе NaCl (2 ч), выдержка во влажной камере (23 ч).

Сравнительные испытания на усталость стали 15ХН12Н2ВМФ с целью определения влияния выдержки от 1 мин до 720 ч при статической нагрузке в коррозионной среде показали, что длитель­ность выдержки не оказывает влияния на число циклов выдержки, которое однозначно определяется значением коэффициента интен­сивности напряжений К_н/К_в, ΔК_н, где ДК_н, К_н — размах и макси­мальное значение коэффициента интенсивности напряжений (КИН) при циклическом нагружении; К_в — КИН при статической пере­грузке.

При шлифовании вручную лопаток (особенно крупногабаритных) абразивными кругами велика вероятность появления прижогов. Могут образовываться как прижоги отпуска (по крайней мере трех видов), так и прижоги закалки, вызывающие неоднородность струк­турных состояний, механических свойств и полей остаточных напря­жений.

Для выявления причин образования различных типов коррозион­ных повреждений и связи их с процессом изготовления лопаток было выполнено специальное исследование, включающее испытания образцов в коррозионных средах под напряжением (КПН). Использо­вались образцы из стали 14Х17Н2 (с продольным и поперечным волокном), отпущенные при различных температурах 200 ... 700°С. Результаты представлены на рис. 7.1. Установлено, что время до появления трещин КПН зависит от температуры отпуска и ориен­тировки волокна. Максимальная сопротивляемость стали КПН соответствует температурам отпуска 300° < Т_отп < 500°С.

У образцов (Т_отп = 380°С), имевших прижоги, независимо от направления волокна коррозионные трещины образуются в зоне перехода структур, а скорость образования трещин в образцах с прижогами на порядок выше, чем у образцов без прижогов. У об­разцов (Т_отп = 650°С) с продо­льным направлением волокна, имевших прижоги, трещины не возникали после выдержки в течение 100 ч, а у образцов с прижогами и поперечным волок ном независимо от прижогов коррозионные трещины возникали через 6 ч. На образцах, обдутых дробью, трещины не обнаружива­лись через 100 ч независимо от направления волокна. Испытания на коррозию под напряжением показали, что время до образова­ния коррозионных трещин у образцов, отпущенных при 650°С, в 2...3 раза больше, чем у образцов, отпущенных при темпера­туре 380°С.

Рис. 3.5.1. Зависимость значений σ₀₂ и времени t до образования коррозион­ной трещины в образцах с продольным и поперечным волокном от температуры отпуска:

-о-о-о- 0,8_σ0,2 = f(Т_отп); -х-х-х- t = f(T_отn)

Прижог является результатом локального интенсивного перегре­ва поверхности детали при обработке абразивным инструментом. Глубина теплового проникнования может превышать 300 мкм и сопровождаться термомеханическим циклом, где основными пара­метрами являются скорость нагрева и температура. Первый пара­метр влияет на характер фазовых превращений при нагреве и охлаждении, а следовательно, — на результирующую структуру, ее объем и глубину измененного слоя. Второй (температура может пре­вышать 1000°С — имеет большой градиент по глубине. В микрос­труктуре материала в зоне прижога видны зоны воздействия: свет­лая (закалка) зона переходит постепенно в область высокотемпера­турного отпуска. Если местная температура при обработке превы­шает температуру , то в перегретом слое в 3...4 раза превыша­ется содержание аустенита. Локальная температура в месте пере­грева может достигать 1200...1500°С с очень резким перепадом температуры по глубине обрабатываемой поверхности. Перегрев материала при шлифовании до температуры аустенизации имеет место хотя бы в очень тонком поверхностном слое. Кроме темпера­туры и скорости нагрева на процесс аустенизации влияет исходная структура стали, а сам процесс после быстрого нагрева отличается от процесса аустенизации при нормальной термообработке тем, что полной гомогенизации аустенита препятствует ограничение процес­са по времени. В промежуточном слое между поверхностью и сер­дцевиной на границе зерен имеет место коагуляция карбидов при одновременном выделении хрома из прилегающей матрицы, что создает предпосылки для увеличения склонности стали к МКК. Наиболее чувствительными к МКК являются зоны с температурой отпуска 450... 600°С.

В зоне прижога образуются растягивающие остаточные напряже­ния (рис.3.5.2) на поверхности и под слоем. Вследствие неоднород­ности температурного воздействия на материал в нем формируются: 1)неоднородная структура; 2)неоднородный химический состав; 3)неоднородные механические свойства; 4)неоднородное внутреннее напряженное состояние, которое определяется суперпозицией структурных и термических напряжений, переменных по глубине поврежденного поверхностного слоя.

Наличие прижога не является единственным фактором, определя­ющим склонность стали к МКК, а используемые в практике критерии выбора структурного состояния материала по величине механи­ческих свойств не являются оптимальными. В интервале температур 500...600°С происходит интенсивное выпадение (преципитация; стабильных карбидов хрома М₂зС₆, которое связано с распадом остаточного аустенита при возникновении пространственной цен­трированной решетки. Это сопровождается образованием области, обедненной хромом, что является причиной МКК, при этом резко снижаются характеристики ударной вязкости. С повышением темпе­ратуры скорость коагуляции карбидов стабилизируется, но возрас­тает скорость диффузии хрома до тех пор, пока при температуре свыше 620°С не исчезнут обедненные хромом области вблизи преци­питатов на границах зерен. В результате исчезает склонность стали к МКК, ударная вязкость стали повышается. Грубое шлифование с прижогами способствует увеличению содержания аустенита в стали (табл. 3.5.3).

Рис. 3.5.2. Эпюры остаточных напряже­ний в лопатке (сталь 14Х17Н2) после механической обработки:

1 — шлифование с соблюдением режимов; 2 — в зоне прижога, волокно в направле­нии шлифования; 2' — П.2, волокно в поперечном направлении; 3 — П.2 и 2' после обдувки дробью; 4— П.2 и П.2' после стабилизирующего отпуска

Показано, что повреждения МКК вызывают ионы , а ло­кальную точечную коррозию ЛТК — ионы . Эти дефекты образу­ются в зонах, где повышена чувствительность фазовых границ и границ зерен к МКК, вызванной преципитацией карбидов. Появле­нию ЛТК способствует эрозионное повреждение пассивированного слоя поверхности, а МКК — результат действия эксплуатационных нагрузок, остаточных растягивающих напряжений или их совместно­го действия. Поверхностное упрочнение наклепом способствует выравниванию структурной неоднородности и напряженного состоя­ния поверхностного слоя стали за счет превращения аустенита в мартенсит и образования в поверхностном слое детали сжимающих остаточных напряжений (см. табл. 3.5.3, рис. 3.5.2).

Таблица 3.5.3

Содержание аустенита на поверхности образцов из стали ЦХ17Н2 после различных видов механической обработки

№ п/п	Вид обработки поверхности	Содержание аустенита, %
		Температура отпуска, °С
		380	600
1	Прижог после грубого шлифования	41,1	32,4
2	Прижог после грубого шлифования с последующим травлением повер­хности на глубину 100 мкм	11,3	4,0
3	Шлифование без прижога	10,3	0
4	П.1 + обдувка дробью	11,6	0
5	П.1 (сердцевина прижога)	32,1	-
6	Переходная область между при­жогом и неповрежденной повер­хностью (граница закаленной зо­ны)	26,5	-