Влияние температуры испытания на сопротивление ползучести 9–12%-ных хромистых сталей

Высокохромистые стали мартенситного класса выступают перспективным материалом для изготовления элементов энергоблоков тепловых электростанций, способных работать при суперсверхкритических параметрах пара (температура 600–620°С, давление 25–30 МПа). Для оценки характеристик длительной прочности таких материалов требуются достаточно продолжительные испытания, временные рамки которых могут достигать нескольких десятков лет. В настоящем исследовании поднимается вопрос о целесообразности и допустимости повышения температуры испытаний на ползучесть в лабораторных исследованиях для адекватного прогнозирования длительных свойств при более низких температурах на примере 12%-ной хромистой стали с низким содержанием азота и высоким содержанием бора. Оценка допустимости повышения температуры испытания до 675°С исходила из постулата о сохранении механизма деформации при ползучести, механизма разрушения и закономерностей эволюции структуры и фазового состава по сравнению с результатами испытаний при более низкой температуре (650°С). Анализ полученных данных выявил, что при повышении температуры испытания до 675°С основной механизм деформации при ползучести – высокотемпературное переползание дислокаций посредством объемной диффузии – и внутризеренный вязкий механизм разрушения сохраняются, как при 650°С, несмотря на появление переломов на кривых длительной прочности. Анализ микроструктуры после испытаний на ползучесть также показал, что основные температурно-временные зависимости роста ширины реек и среднего размера частиц вторичных фаз могут быть описаны кривыми с одинаковыми коэффициентами для различных температур испытания. Следовательно, температуру 675°С можно рекомендовать для ускорения лабораторных испытаний на ползучесть высокохромистых сталей.

1. Abe F. Creep of Power Plant Steels, in Encyclopedia of Materials // Metals and Alloys. – 2022. – V. 1. – P. 485–493. URL: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.12069-7

2. . D o n g Z., Chen L., Xiang Z. Design of a new 11Cr martensitic steel and evaluation of its long-term creep rupture strengths // J. Mater. Res. Technol. – 2022. – V. 20. – P. 3450–3455. URL: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.08.116

3. Kaybyshev R. O., Skorobogatykh V. N., Shchen kova I. A. New martensitic steels for fossil power plant: Creep resistance // Phys. Metals Metallogr. – 2010. – V. 109. – P. 186–200. URL: https://doi.org/10.1134/S0031918X10020110.

4. Rojas D., Garcia J., Prat O., Sauthoff G., Kaysser-Pyzalla A. R. 9%Cr heat resistant steels: Alloy design, microstructure evolution and creep response at 650°C // Mater. Sci. Eng. A. – 2011. – V. 528. – P. 5164–5176. URL: https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.03.037

5. Tamu ra M., Abe F. Analysis of the Degradation in the Creep Strength of High-Cr Martensitic Steels // J. Mater. Sci. Res. – 2021. – V. 10. – P. 1–70. URL: https://doi.org/10.5539/jmsr.v10n2p1

6. A b e F. , Ta b u c h i M., Ts u k a m o t o S. Alloy Design of MARBN for Boiler and Turbine Applications at 650°C // Mater. at High Temp. – 2021. – V. 38. – P. 306–321. URL: http://doi.org/10.1080/09603409.2021.1963393

7. Detrois M., Hawk J. A., Jablonski P. D. Creep-Resistant Ferritic-Martensitic Steels for Power Plant Applications // J. of Materi Eng. and Perform. – 2024. – V. 33. – P. 1–42. URL: https://doi. org/10.1007/s11665-023-08566-1

8. Precipitate Characteristic of T91 Ferritic/Martensitic Steel During Short-Term Creep / Li H., Huang M., Liang N., et al. // Metall. Mater. Trans. A. – 2024. – V. 55. – P. 607–622. URL: https://doi.org/10.1007/s11661-023-07272-w

9. Dudova N. 9–12% Cr Heat-Resistant Martensitic Steels with Increased Boron and Decreased Nitrogen Contents // Metals. – 2022. – V. 12. – P. 1119. URL: https://doi.org/10.3390/met12071119

10. Fedoseeva A., Klauz A., Kaibyshev R. Improved creep strength of 10% Cr steels with low N and high B content via increasing quenching temperature // Materials Characterization. – 2024. – V. 212. – P. 113957. URL: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2024.113957

11. Mar uyama K., Abe F., Sato H., Shimojo J., Sekido N., Yoshimi K. On the physical basis of a Larson-Miller constant of 20 // J. Press. Ves. Pip. – 2028. – V. 159. – P. 93–100. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2017.11.013

12. 2. N ikitin I., Fe d o s e e v a A., K aibyshev R. Strengthening mechanisms of creep-resistant 12%Cr–3%Co steel with low N and high B contents // J Mater. Sci. – 2020. – V. 55. – P. 7530–7545. URL: https://doi.org/10.1007/s10853-020-04508-7

13. Fedoseeva A., Nikitin I., Tkachev E., Mishnev R., Dudova N., Kaibyshev R. Effect of alloying on the nucleation and growth of Laves phase in the 9–10%Cr–3%Co martensitic steels during creep // Metals. – 2021. – V. 11. – P. 60. URL: https://doi.org/10.3390/met11010060

14. . Chakraborty A., We b s t e r R . F. , Pr imig S. Lath martensite substructure evolution in low-carbon microalloyed steels // J. Mater. Sci. – 2022. – V. 57. – P. 10359–10378. URL: https://doi.org/10.1007/s10853-022-07275-9.

15. Mar uyama K., Sekido N., Yoshimi K. Changes in strengthening mechanisms in creep of 9Cr–1.8W–0.5Mo–VNb steel tested over wide ranges of creep conditions // Int. J. Press. Vessels Pip. – 2021. – V. 190. – P. 104312. URL: https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104312.

16. Abe F. Analysis of creep rates of tempered martensitic 9%Cr steel based on microstructure evolution // Mater. Sci. Eng. A. – 2012. – V. 534. – P. 632–639. URL: https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.04.118.

17. Mechanisms of Creep, and Creep-Resistant Materials // Engineering Materials: An Introduction to Properties, Applications and Design / Ed. by Jones D. R. H., Ashby M. F. – Cambridge, US: Elsevier, 2019. – 5th ed. – Ch. 23. – P. 381–394.

18. . Fe d o s e e v a A., Tkachev E., Kaibyshev R. Advanced heat-resistant martensitic steels: long-term creep deformation and fracture mechanisms // Mater. Sci. Eng. A. – 2023. – V. 862. – P. 144438. URL : https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.144438

19. D u d k o V. , Belyakov A., Kaibyshev R. Evolution of lath substructure and internal stresses in a 9% Cr steel during creep // ISIJ Int. – 2017. – No 57. – P. 540–549. URL: https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-334

20. Dudova N., Mishnev R., Kaibyshev R. Creep behavior of a 10%Cr heat-resistant martensitic steel with low nitrogen and high boron contents at 650 °C. Mater. Sci. Eng. A. – 2019. – V. 766. – P. 138353. URL : http://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138353

21. Xiao B., Xu L., Cayron C., Xue J., Sha G., Loge R. Solute-dislocation interactions and creep-enhanced Cu precipitation in a novel ferritic-martensitic steel // Acta Mater. – 2020. – No 195. – P. 199– 208. URL: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.05.054

22. Xiao B., Haokai D., Tao Y., Shaofei L., et al. Creep-Induced Heterogeneous Precipitation of Laves Phase with Two Morphologies in Tempered Martensite Ferritic Steels // Materials Research Letters. – 2023. – V. 11. – P. 630–637. URL: https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2208613

23. Abe F. Effect of boron on microstructure and creep strength of advanced ferritic power plant steels // Procedia Eng. – 2011. – V. 10. – P. 94–99. URL: https://doi.org/10.1016/J.PROENG.2011.04.018

24. Liu Z., Wang X., et al. Effect of boron on G115 martensitic heat resistant steel during aging at 650°C // Mater. Sci. Eng. A. – 2020. – V. 787. – P. 139529. URL : https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139529