Работоспособность жаропрочных дисперсионно-твердеющих сталей при высоких температурах в значительной степени определяется фазовым составом, типом упрочняющих дисперсных частиц, их плотностью, формой и расположением. В работе [96] была установлена зависимость времени до разрушения стали (0,14% С; 1,25% Сr и 0,96% Мо) от типа основного упрочняющего карбида, полученного после того или иного режима термической обработки. Так, в случае, когда преобладает карбид цементного типа Ме3С, сталь сохраняет стабильность свойств в течение 100 тыс. ч эксплуатации при температуре 510°С. Если же эта сталь предназначена для работы при более высокой температуре (540°С), то надежность ее работы в течение 200 тыс. ч определяется режимом термической обработки, при котором в металле преобладает карбид Ме7С3. Следовательно, одним из критериев оценки надежности длительно работающего металла после того или иного режима термической обработки может служить длительность существования в его структуре упрочняющей фазы основного типа. Режим термической обработки при этом будет определяться необходимостью получения нужного типа упрочняющей фазы.
Фазовый состав широко применяемой в энергетике стали 12Х1МФ изучался рентгеноструктурным и химическим методами в состоянии поставки и после старения при температуре 540°С длительностью до 200 тыс. ч [12]. Рентгеноструктурным анализом во всех исследуемых образцах были обнаружены карбиды Ме3С, VC, Ме7С3 и Ме23С6 (по мере уменьшения их количества). Параметр решетки карбида ванадия оставался при всех выдержках постоянным и равным 0,416 нм. После 5 тыс. ч старения карбид железа Ме3С растворялся, а количество Ме7С3 росло: кубический карбид хрома на основе Ме23С6 (α0= 1,064 нм) обогащается молибденом, превращаясь в сложный кубический карбид молибдена (α0=1,052 нм) 
.
При этом количественное соотношение фаз в исходном состоянии было
; 
; после выдержки 200 тыс. ч при 540°С — 
и 
. Приведенные результаты свидетельствуют об интенсивности диффузии легирующих элементов при 540°С и образовании более сложных карбидов.
С целью прогнозирования изменения фазового состава в теплостойких сталях в условиях эксплуатации при более высокой температуре проводилось длительное старение стали 12Х1МФ при 600°С. После различных выдержек металла с помощью химического и рентгеноструктурного анализов исследовались анодные осадки. Общая продолжительность старения при 600°С составила 16 тыс. ч, что эквивалентно 60 тыс. ч при 550°С и 100 тыс. ч при 570°С. Выделение карбидов в стали 12Х1М.Ф проводилось химическим методом по методике Η. М. Поповой [116] (н. раствор КС1, 5 г/л лимонной кислоты) при плотности тока 0,03 А/см2 и температуре 16°С. Дифференциация фаз анодного осадка осуществлялась химическим путем по методике, разработанной в УралВТИ под руководством Г. В. Кузнецовой, с обязательным контролем осадков рентгеноструктурным методом.
Таблица 1.3. Фазовый состав перлитных сталей после длительного старения при 600 °C
Превалирующей фазой в сталях после заводской термообработки является легированный цементит (табл. 1.3). В процессе лабораторного старения до 4,5 тыс. ч при 600°С количество его возрастает. Наряду с этим происходят изменения в составе цементита: увеличивается содержание хрома от 15 до 60%, содержание молибдена в составе цементита хромомолибденовых сталей практически не изменяется, а в стали 12X1МФ увеличивается. После 4,5 тыс. ч старения в стали появляются карбиды типа Ме23С6. Происходит увеличение содержания молибдена в составе этого карбида — от 4,5 до 12%. Содержание хрома в карбиде после 7 тыс. ч выдержки увеличивается, затем заметно снижается.
Полуколичественный анализ дал возможность определить суммарное содержание легирующих элементов в каждом карбиде (табл. 1.4). Для этого относительная доля карбидов оценивалась по отношению интенсивностей отражения (140) Ме3С, (642) Ме7С3 и (122, 660) Ме23Св. По сумме карбидообразующих элементов (Сr, Мо и Fe) определилось примерное содержание каждого типа карбида в отдельности. Как видно, с увеличением времени старения суммарное содержание элементов в карбидах Ме3С уменьшается и увеличивается в Ме7С3 и Ме23С6.
Результаты исследований свидетельствуют о том, что основными упрочняющими фазами в низколегированных теплостойких сталях после 100 и 200 тыс. ч старения будут карбиды Ме7С3 и Ме23С6 (Fе21Мо2С6). Образования новых типов карбидов не наблюдалось.
Обобщение данных об изменении количества фаз в процессе эксплуатации стали 12Х1МФ по результатам, полученным авторами работы [77], представлено на рис. 1.13. В начальный период эксплуатации длительностью примерно 30 тыс. ч происходит увеличение количества сложного карбида Ме7С3, а также незначительное увеличение количества хромистого карбида Ме23С6. При этом карбид Ме23С6 формируется в виде цепочек или отдельных карбидов по границам зерен (средний поперечный размер карбидов 0,4—0,6 мкм), мелкодисперсные карбиды расположены преимущественно в теле ферритного зерна (0,06—0,08 мкм).
Рис. 1.13. Схема качественного и количественного изменения карбидной фазы в процессе эксплуатации.
В феррито-карбидных участках, расположенных на месте бывших перлитных колоний, карбидные частицы сильно скоагулированы и имеют размер 0,15—0,30 мкм. После длительных сроков старения хромистый карбид Ме23С6 (α0=1,064 нм) превращается в кубический карбид молибдена Fe21Mo2C6 (параметры 1,052 нм). Размеры частиц карбида ванадия не изменяются, а плотность распределения частиц VC по объему зерна увеличивается. Количество карбида цементного типа монотонно уменьшается.
Таким образом, количественные изменения выделившихся фаз и появление качественно новых типов карбидов является одним из основных факторов, определяющих надежность жаропрочных сталей при длительной высокотемпературной эксплуатации под напряжением.
