engineer of the Joint Research Center of Belgorod State National Research University “Technology and Materials”
инженер Центра коллективного пользования «Технологии и Материалы НИУ "БелГУ"»
PhD (Engineering), senior researcher of the Laboratory of Mechanical Properties of Nanostructured Materials and Superalloys
кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов
High-chromium martensitic steels are a promising material for the production of elements of boilers and steam pipelines, as well as blades and rotors of steam turbines for new coal-burning thermal generating units. The use of such materials will give an opportunity for the transition to ultra-supercritical steam parameters (temperature of 600–620 °C and pressure of 25–30 MPa), which will allow increasing the efficiency of generating units to 45 %. Modifications of the chemical composition of high-chromium steels have led to significant improvements of high-temperature properties such as 100,000 h creep strength and 1 % creep limit, while resistance to softening due to low-cycle fatigue remains understudied in this field. This work covers the study of low-cycle fatigue at room temperature with different amplitudes of deformation of martensitic high-chromium 10%Cr–3%Co–2%W–0.5%Mo–0.2%Cu–0.2%Re–0.003%N–0.01%B steel. The steel was pre-subjected to normalizing at 1050 °С followed by tempering at 770 °С. After heat treatment, the steel structure was a tempered martensitic lath structure stabilised by the particles of secondary phases of M23C6 carbides, NbX carbonitrides, and M6C carbides. The average width of martensite laths was 380 nm, and the dislocation density was 1.4×1014 m−2. At low-cycle fatigue, with an increase in the strain amplitude from 0.2 to 1 %, the number of cycles before failure significantly decreases, and the value of plastic deformation in the middle of the number of loading cycles significantly increases. Maximum softening (18 %) is observed at a strain amplitude of 1 % in the middle of the number of loading cycles. In general, the steel structure after low-cycle fatigue tests does not undergo significant changes: the width of the laths increases by 18 % at a strain amplitude of more than 0.3 %, while the dislocation density remains at a rather high level (about 1014 m−2) at all strain amplitudes.
Высокохромистые стали мартенситного класса являются перспективным материалом для изготовления элементов котлов и паропроводов, а также лопаток и роторов паровых турбин новых энергоблоков тепловых электростанций, работающих на угле. Использование таких материалов даст возможность осуществить переход на суперсверхкритические параметры пара (температура 600–620 °С и давление 25–30 МПа), что позволит увеличить КПД энергоблоков до 45 %. Модификации химического состава высокохромистых сталей привели к существенному повышению жаропрочных характеристик, таких как предел длительной прочности – до 100 000 ч и предел ползучести – до 1 % на базе 100 000 ч, в то время как сопротивление разупрочнению в результате малоцикловой усталости остается недостаточно изученным в данной области. Настоящая работа посвящена исследованию малоцикловой усталости при комнатной температуре с различными амплитудами деформации высокохромистой стали мартенситного класса 10%Cr–3%Сo–2%W–0,5%Mo–0,2%Cu–0,2%Re–0,003%N–0,01%B. Предварительно сталь была подвергнута нормализации с 1050 °С с последующим отпуском при 770 °С. После термической обработки структура стали представляла собой реечный троостит отпуска, стабилизированный частицами вторичных фаз карбидов М23С6, карбонитридов NbX и карбидов М6С. Средняя ширина мартенситных реек составляла 380 нм, а плотность дислокаций – 1,4×1014 м−2. При малоцикловой усталости с увеличением амплитуды деформации с 0,2 до 1 % значительно снижается количество циклов до разрушения, а значение пластической деформации в середине количества циклов нагружения существенно увеличивается. Максимальное разупрочнение (18 %) наблюдается при амплитуде деформации 1 % в середине количества циклов нагружения. В целом структура стали после испытаний на малоцикловую усталость не претерпевает существенных изменений: ширина реек увеличивается на 18 % при амплитуде деформации более 0,3 %, при этом плотность дислокаций сохраняется на достаточно высоком уровне (около 1014 м−2) при всех амплитудах деформации.