Влияние фазового состава и плотности межзеренных и межфазных границ на механизмы водородного охрупчивания высокоазотистой хромомарганцевой стали

Объектом исследования являются две высокоазотистые хромомарганцевые стали: Fe-23Cr-17Mn-0,6N и Fe-19Cr-21Mn-1,3V-0,2С-0,8N (масс.%). Цель работы – установление закономерностей водородного охрупчивания высокоазотистых хромомарганцевых сталей Fe-23Cr-17Mn-0,6N и Fe-19Cr-21Mn-1,3V-0,2С-0,8N (масс.%) в различных структурно-фазовых состояниях. На первом этапе работы были проведены экспериментальные исследования влияния межзеренных и межфазных границ (аустенит/δ-феррит) на водородное охрупчивание высокоазотистой стали Fe-23Cr-17Mn-0,6N. С помощью термообработок по разным режимам (Tоб = 1050-1200°С, 0,5 ч) были сформированы состояния с разной объемной долей и плотностью межфазных и межзеренных границ. Установлено, что после наводороживания твердорастворное упрочнение атомами водорода проявляется в образцах с наименьшей долей межзеренных и межфазных границ (Tоб = 1200°C) из-за наибольшей концентрации водорода в теле аустенитных зерен. Коэффициент водородного охрупчивания в этих образцах также самый высокий – IH = 32 %, и для образцов с наименьшим размером аустенитных зерен он уменьшается до IH = 10 % (Tоб = 1050°C). Ширина хрупкого наводороженного слоя после испытаний на растяжение определяется несколькими факторами: начальная ширина слоя, образовавшегося сразу после насыщения водородом, дислокационный транспорт водорода и диффузия водорода под напряжением в процессе деформации образцов. Показано, что увеличение плотности границ зерен и γ/δ-межфазных границ уменьшает свободный пробег дислокаций, и, следовательно, эффективно подавляет дислокационный перенос водорода во время испытаний на растяжение. На втором этапе проекта были изучены закономерности водородного охрупчивания в образцах высокоазотистой аустенитной стали Fe-19Cr-21Mn-1,3V-0,2С-0,8N с разной плотностью межфазных (аустенит/частицы) и межзеренных границ (с размером зерен 1,4±0,6 мкм, 4,5±1,7 мкм и 9,7±3,9 мкм). Установлено, что микроскопические параметры структуры (межфазные и межзеренные границы, искажение кристаллической решетки) определяют макроскопические характеристики исследуемой стали после насыщения водородом. При увеличении плотности межфазных и межзеренных границ и уменьшении искажения кристаллической решетки аустенита происходит перераспределение атомов водорода из межузельных позиций в аустенитных зернах к границам. Это приводит к ряду эффектов: уменьшению твердорастворного упрочнения аустенитной фазы водородом, снижению водородно-индуцируемого роста предела текучести стали, а также подавлению транcкристаллитного и стимулированию интеркристаллитного разрушения наводороженного слоя при растяжении образцов. Экспериментально показано, что увеличение только плотности границ зерен при неизменных других параметрах структуры незначительно улучшает устойчивость стали к негативному воздействию водорода. При этом повышение суммарной плотности межзеренных и межфазных границ оказывает обратное действие.