Диссертация (Особенности формирования структуры и свойств аустенитной стали 03Х17Н14М3 в процессе селективного лазерного плавления и последующей термической обработки), страница 11

Макроискажения в аустенитной стали после СЛПИз Рис. 3.8 и 3.9 и Таблицы 9 видно, что межплоскостные расстояния впродольном и поперечном сечениях существенно смещены друг относительнодруга. Так, в продольном сечении значение d220 составляет 1.2704 Å, а впоперечном  1.2714 Å. Однако в результате отжига разница междумежплоскостными расстояниями в разных сечениях исчезает.Так как структура исследуемой стали представляет собой однофазныйтвердый раствор, а все отражения сечения смещаются в одну сторону, то былосделанопредположение,чтоизменениемежплоскостногорасстояниявзависимости от плоскости анализа может быть связано с остаточныминапряжениями, которые, как говорилось выше, также приводят к формированию внем ячеистой структуры, подобной деформационной. Кроме того, согласнолитературе,взначительныеобъектах,синтезированныхтермическиенапряженияметодом[46,СЛП,Эти68].присутствуютнапряженияуравновешиваются в объеме всего образца.

При наличии макронапряженийудаление какой-либо части изделия может привести к его короблению илирастрескиванию, при этом разрушение происходит в основном под действиемрастягивающих напряжений. Сжимающие напряжения, наоборот, снижаютчувствительность материала к концентраторам напряжений и повышаютусталостную прочность материала.Таблица 9.Межплоскостные расстояния твердого раствораd220, ÅСечениепродольноеисходноесостояние1.2704поперечное1.2714d 311, Å1.2710исходноесостояние1.08301.08391.27091.08441.0839отжиготжиг81Уровень остаточных напряжений после отделения образца от подложки былопределен методом «sin2» по смещению дифракционного пика (311).В Таблице 10 и на рис. 3.11 представлена зависимость значения деформациистали от угла наклона образца (съемка продольного сечения; * эталонный образецс нулевым уровнем напряжений; **межплоскостные расстояния даны с учетомпоправки на разъюстировку при изменении угла ).Таблица 10 .Макродеформация в продольном сеченииsin2Ψd**, Åε∙104001.0839*0001.0830-8.3200.121.0831-7.4300.251.0835-3.7400.411.0837-1.8500.591.08411.8600.751.08444.6Ψ, град.Используя полученную зависимость и выражение (2.1) графическиопределили напряжения в анализируемой плоскости образца и сумму главныхнапряжений в этой плоскости (1 + 2): E175000 МПа tg  0,0017  230 МПа;11  0,31   2  E 175000  (8.3 10 4 ) 480 МПа.0.3822Рис.

3.11. График зависимости   ,  sin Для разделения главных напряжений σ1 и σ2, действующих в плоскостиобразца, были дополнительно проведены съемки при  = 0 под углами 1 = φ+α и2 = φ-α, где α = 30° и 45°. Съемки показали, что значение напряженияσφвплоскости образца от направления не зависит, т.е. в плоскости действуютоднородные растягивающие напряжения, и1   2    .Уровень напряжений в поперечном сечении образца, определенныйаналогичным образом, составил 300 МПа.Таким образом, даже после отделения образца после СЛП от подложки, внем сохраняются значительные напряжения.

В продольном сечении эторастягивающие напряжения порядка 250 МПа, действие которых являетсянаиболее опасным при эксплуатации детали. В поперечном сечении, наоборот,действуют сжимающие напряжения порядка 300 МПа, уменьшающие влияниеконцентраторов напряжений на образец.По данным работы [101] условный предел текучести исследуемой стали,полученной методом селективного лазерного плавления, равен 390 МПа. Такимобразом, в исследуемом объекте присутствуют напряжения, соизмеримые с егопределом текучести. Устранить отрицательное влияние термических напряженийможно двумя способами. Во-первых, проводя термическую обработку (отжиг)детали, полученной методом СЛП, в процессе которого термические напряжения83полностью или частично снимутся.

Во-вторых, СЛП метод позволяет выращиватьдетали под любым углом к подложке. Зная схему нагружения детали, можновыбрать оптимальное направление роста, обеспечивающее минимальные илисжимающие остаточные напряжения в направлении действия максимальныхнагрузок.3.3. Свойства аустенитной стали, полученной методом СЛП3.3.1. Механические свойства ячеистой структурыВ Таблице 11 представлены механические свойства стали после СЛП и послестандартной закалки.

Из таблицы видно, что формируемая в результате СЛПструктура обладает повышенной твердостью: она составляет 265 HV 0.05, что в 1.5раза превышает твердость стали того же состава, полученной традиционнойзакалкой в воде (160÷190 HV). Так как для сталей данного класса наблюдаетсяхорошая корреляция между временным сопротивлением и микротвердостью [102,103], то можно утверждать, что исследуемая сталь после СЛП обладаетповышенными прочностными характеристиками (σв~800 МПа  оценочноезначение, согласно [102]). Высокие показатели прочности данного состоянияобъясняются формированием дислокационной ячеистой структуры с высокойплотностью дислокаций и их блокировкой примесными атомами.Ударная вязкость стали, полученной методом СЛП, составляет 310 Дж/см 2,что более, чем в 1,5 раза превышает ударную вязкость стали после традиционнойзакалки (180 Дж/см2).

На Рис. 3.12 представлен излом стали, полученной методомСЛП.Разветвленнаяповерхностьизломауказываетнавязкийхарактерразрушения. В плоскости излома наблюдаются ямки разрушения; средний диаметрямок излома совпадает с размером ячеек кристаллизации (0,5 мкм), края ямокимеют волнистое очертание.84Рис. 3.12. Излом стали, полученной СЛПТаблица 11.Механические свойства стали после СЛПОбразецМикротвердостьHV 0,05σв, МПа*KСU, Дж/см2СЛП2658003101150˚C+закалка вводу1805501803.3.2. Электрохимические характеристики сталиОднимизосновных эксплуатационных свойстваустенитнойстали,благодаря которому она получила широкое применение в промышленности,является ее коррозионная стойкость. В результате селективного лазерногоплавленияформируетсяструктурасвысокойконцентрациейдефектовкристаллического строения и значительным уровнем остаточных напряжений.Внутренние напряжения и дефекты кристаллического строения могут увеличивать85скорость общей коррозии и приводить к развитию некоторых видов местнойкоррозии,например,межкристаллитнойпринципиально важнымбыло[104].исследоватьСвлияниеэтойточкизрения,технологии СЛПнакоррозионные свойства аустенитной стали.НаРис.3.12представленыкинетическиекривыеустановлениястационарного электродного потенциала в 3%-ном водном растворе NaCl дляэталонного аустенитного сплава и образца, полученного методом СЛП.

Известно,чтосмещениесовременемэлектродногопотенциалавсторонуболееположительных значений косвенно свидетельствует о процессе самопассивациисплава, а смещение в сторону более отрицательных значений – об активномэлектрохимическом растворении металла. Из рисунка видно, что электродныйпотенциал стали, полученной методом СЛП, со временем возрастает, т.е.

сплавпосле СЛП сохраняет склонность к самопассивации. Значение стационарногоэлектродного потенциала сплава после СЛП несколько ниже, чем у эталонногообразца, что говорит о некотором ухудшении его коррозионных свойств.Рис. 3.12.Кинетическая кривая установления стационарного электродного потенциала в 3%ном водном растворе NaCl образца после СЛП (1) и эталонного (2)86Для сравнения коррозионной стойкости сплава, полученного методом СЛП,и эталонного образца той же стали были построены поляризационные кривые вводных растворах NaCl различной концентрации: 1, 3 и 5%.

На Рис. 3.13 и 3.14представлены поляризационные кривые для 1%- и 5%-ных растворов, а в Таблице12 приведены зависимости плотности тока коррозии jкор и потенциала коррозииЕкор от концентрации экспериментального раствора.Из рисунков и таблицы видно, что в 1%-ном растворе NaCl плотность токакоррозии образцов, полученного методом СЛП, и эталонного незначительноотличается и составляет ~0.06 и ~0.03 мА/см2, соответственно. Потенциалкоррозии Екор образца после СЛП составляет 650 мВ и значительно вышезначения потенциала коррозии эталонного образца (300 мВ).

Поэтому можноутверждать, что сплав, синтезированный СЛП, в 1%-ном растворе NaCl являетсяболее коррозионностойким. Подобный результат наблюдается и в 3%-номрастворе NaCl. Возможно, положительное влияние на электрохимическоеповедение сплава оказывает растворенный в процессе СЛП в аустените азот. Азотможет повышать коррозионную стойкость сталей, в том числе, снижая еесклонность к питтинговой и ножевой коррозии, коррозионному растрескиваниюпод напряжением, интеркристаллитной коррозии [105, 106]. В более агрессивнойсреде (5%-ный раствор NaCl) сталь, полученная методом СЛП, проявилаповышенную по сравнению с эталоном склонность к коррозии.

В образце,полученном методом СЛП, существенно повысилась плотность тока коррозии (доjкор ~8 мА/см2), в то время, как у эталонного образца она практически неизменилась. При напряжениях чуть ниже потенциала коррозии наблюдаетсямаксимумплотноститока,которыйможетбытьвызванактивнымэлектрохимическим растворением отдельных структурных элементов сплава.Возможно,этоувеличениеплотноститокасегрегационных выделений на границах ячеек.соответствуетрастворению87Рис. 3.13.

Поляризационные кривые для 1%-ного раствора NaCl: а – образец,полученный СЛП; б – эталонный образец88Рис. 3.14. Поляризационные кривые для 5%-ного раствора NaCl:а – образец, полученный СЛП; б – эталонный образец89Такимобразом,сталь,синтезированнаяметодомСЛП,обладаетудовлетворительными коррозионными показателями в 1%- и 3%-ных растворахNaCl, сопоставимыми с показателями закаленной аустенитной стали, нозначительно уступает по коррозионной стойкости в 5%-ном растворе.Таблица 12.Коррозионные характеристики аустенитной сталиСЛПСNaCl, %135Эталонjкор,мА/см2Екор, мВjкор,мА/см2Екор, мВ0.060.0386506501000.030.030.05300300-5090Глава 4.

Влияние отжигов на структуру и свойства аустенитной стали,полученной методом СЛП4.1. Термическая стабильность ячеистой структуры и рекристаллизационныепроцессы при нагревеСформированная в процессе СЛП аустенитной стали ячеистая структураявляется неравновесной. В результате сверхбыстрого охлаждения из жидкогосостояниявнейконцентрируетсяизбыточноесодержаниедефектовкристаллического строения. Так, при закалке металла с температур близких ктемпературе плавления концентрация вакансий может достигать 0.1 ат.

%. Какпоказали структурные исследования, под действием термических напряжений встали образовалась дислокационная ячеистая структура с плотностью дислокацийпорядка 3.51010 см-2. Кроме того, термоциклирование в процессе СЛП,предположительно, способствовало стабилизации этих дефектов.Исследование термической стабильности сформированной при СЛПструктуры и превращений, протекающих в стали при нагреве, имеет большоепрактическое значение, так как позволяет определить возможные рабочиетемпературы данных структур, а также разработать режимы последующейтермической обработки, в результате которой объект приобретет требуемыесвойства.4.1.1.