Аустенитые стали (см. табл. 1,2) применяют для изготовления деталей газовых турбин, клапанов двигателей, баков, труб и других деталей, работающих при температурах 500-700°С. Жаропрочные стали легированы хромом, никелем и являются одновременно коррозионностойкими.
Аустенитные стали подразделяют на неупрочняемые при термической обработке (нестареющие) и упрочняемые при термической обработке (стареющие) аустенитные стали.
К нестареющим аустенитным жаропрочным сталям относят стали типа 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т.
Стареющие аустенитные стали обычно являются более сложнолегированными, например: 37Х12Н8Г8МФ5 (ЭИ481), 45Х14Н14В2М (ЭИ69) и т. п.
По способу упрочнения их подразделяют на аустенитные стали с карбидным упрочнением и аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением.
В не упрочняемых аустенитных сталях хром вводится для придания ей коррозионной стойкости (на поверхности образуется плотная окисная пленка Cr O ), никель для получения аустенитной структуры, титан – для предотвращения межкристаллитной коррозии, которая нарушает связь между зернами и делает сталь непригодной к эксплуатации. Если в сталях нет титана (или ниобия), то в ней образуются карбиды хрома, которые при нагреве закаленной стали до 500-700°С выделяются по границам зерен, и устойчивость стали против коррозии падает. При введений титана образуются карбиды титана TiC, что исключает выделение карбидов хрома и возникновение межкристаллитной коррозии. Термическая обработка сталей заключается в нагреве до температур 1050-1100°С с последующим охлаждением в воде. Структура после закалки состоит из зерен аустенита с наличием двойников и небольшого количества карбидов TiC. Используется сталь для деталей выхлопных систем, труб, а также полуфабрикатов в виде листа и сортовой стали. Температура окалинообразования 850°С. Длительная жаропрочность стали при 600°С и выдержке 100000 ч составляет 110 МПа.
Химический состав сталей аустенитного класса с карбидным упрочнением 37Х12Н8Г8МФВ, 45Х14Н14В2М приведен в табл. 1.
Хром и молибден повышают температуру рекристаллизации и, следовательно, жаропрочность стали благодаря образованию карбидов и предохраняют сталь от окисления. Никель, расширяя -область, вводится для получения аустенитной структуры. Марганец применяется в качестве аустенитообразующего, для частичной замены никеля и увеличения устойчивости аустенита.
Ниобий и титан являются очень эффективными карбидообразователями. Содержание ниобия обычно небольшое (0,1-0,2%). Титан и ниобий используют для связывания углерода, как и в хромоникелевых нержавеющих сталях, во избежание межкристаллитной коррозии, а также для получения природного мелкого зерна.
Длительная жаропрочность при температуре испытаний 600°С и выдержке в течение 100 ч составляет 400 МПа. Структура стали после закалки с 1140°С в воде состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов: VС, NbC. Монокарбиды выделяются чаще всего по границам зерен в виде крупных включений неправильной формы.
Аустенитная сталь с карбидным упрочнителем 45Х14Н14В2М имеет в структуре от 2-2,6% вольфрама. Вольфрам так же, как титан и ниобий, в нержавеющих сталях предотвращает интерметаллидную коррозию. Поведение остальных элементов аналогично предыдущей стали. Структура стали после отжига при 820°С состоит из мелких зерен аустенита и большого количества карбидов. Температура закалки стали составляет 1175°С. Чем выше температура закалки, тем сталь становится более жаропрочной, но менее пластичной и вязкой. Это, по-видимому, объясняется более полным растворением карбидов в аустените, большей его устойчивостью, а также крупнозернистой структурой. После закалки в воде структура стали состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов. В авиадвигателестроении сталь применяется для изготовления выхлопных клапанов поршневых двигателей, лопаток компрессора последних ступеней реактивных двигателей, деталей трубопроводов.
Жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнителем (10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР) (см.табл. 1,2). Для повышения жаропрочности их легируют хромом, молибденом, вольфрамом с добавками алюминия, титана или ниобия и тантала. Титан и алюминий образуют основную упрочняющую g¢-фазу (Ni Ti или Ni TiAl). Молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Бор упрочняет границы зерен аустенита. Упрочняющая термообработка этих сталей состоит из закалки и старения (см. табл. 2). Стали используются для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700°С.
Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием.
Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором; упрочняются закалкой и старением. Их применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750°С.
— это коррозионностойкие хромоникелевые аустенитные стали, которые в мировой практике известны как стали типа 18-10. Это наименование им дает номинальное содержание в них 18 % хрома и 10 % никеля.
Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72
В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.
Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях
Основным элементом, дающим сталям типа 18-10 высокую коррозионную стойкость, является хром. заключается в том, что он обеспечивает способность стали к пассивации. Наличие в стали хрома в количестве 18 % делает ее стойкой во многих окислительных средах, в том числе в азотной кислоте в большом диапазоне, как по концентрации, так и по температуре.
Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях
Легирование никелем в количестве 9-12 % переводит сталь в аустенитный класс. Это обеспечивает стали высокую технологичность, в частности, повышение пластичности и снижение склонности к росту зерна, а также уникальные служебные свойства. Стали типа 18-10 широко применяют в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.
Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях
В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:
- выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
- образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
- образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.
Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях
Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.
Склонность к межкристаллитной коррозии закаленной стали типа 18-10 определяется, в первую очередь, концентрацией углерода в твердом растворе. Повышение содержания углерода расширяет температурный интервал склонности стали к межкристаллитной коррозии.
Сталь типа 18-10 при выдержке в интервале 750-800 ºС становится склонной к межкристаллитной коррозии:
- при содержании углерода 0,084 % — уже в течение 1 минуты;
- при содержании углерода 0,054 % — в течение 10 минут;
- при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.
С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.
Сварка аустенитных нержавеющих сталей
Необходимую степень стойкости стали против межкристаллитной коррозии, позволяющей выполнять сварку достаточно толстых сечений, обеспечивает содержание углерода в стали типа 18-10 не более 0,03 %.
Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС
Стабилизация стали титаном и ниобием
При введении в хромоникелевую сталь типа 18-10 титана и ниобия, которые способствуют образования карбидов, меняются условия выделения карбидных фаз. При относительно низких температурах 450-700 ºС преимущественно выделяются карбиды типа Cr 23 C 6 , которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии. При температурах выше 700 ºС преимущественно выделяются специальные карбиды типа TiC или NbC. При выделении только специальных карбидов склонности к межкристаллитной коррозии не возникает.
Азот в аустенитных нержавеющих сталях
Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.
Влияние содержания хрома
С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.
Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.
Влияние содержания никеля
Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.
Влияние легирующих элементов на структуру стали
По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:
1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;
2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.
Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали
Присутствие дельта-феррита в структуре аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 оказывает отрицательное влияние на ее технологичность при горячей пластической деформации – прокатке, прошивке, ковке, штамповке.
Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также ). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.
Мартенсит в хромоникелевых аустенитных сталях
В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.
Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.
Термическая обработка хромоникелевых аустенитных сталей
Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:
- закалка и
- стабилизирующий отжиг.
Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.
Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.
Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:
- в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
- в специальные карбиды для стабилизированных сталей.
Закалка аустенитных хромоникелевых сталей
В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.
Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.
Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.
Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей
В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.
В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.
Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам
Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:
- в 65 %-ной азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
- в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
- 100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
- в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
- в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.
Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот — уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.
Хромоникелевые стали. Введение в сталь никеля сильно расширяет у-область, снижает температуру мартеиситного превращения и при 8(% Ni сталь с 18 % Cr и 0,1 % С переходит в класс аустенитных. Мартенситная точка Mb при охлаждении для этих сталей лежит несколько ниже комнатной температуры, а мартенситная точка при деформации Мд - выше.
Точное положение Mn сталей типа 18-8 определяется соотношением хрома, углерода, никеля и примесей в стадии меняется в широких пределах от 0 до (-180)-^(-190) 0C.
Мартенсит может быть получен пластической деформацией или обработкой холодом. Важно отметить, что состав 18 % Cr-8|% Ni при 0,1 % С требует минимального количества никеля (рис. 170) для обеспечения аустенитной структуры, т. е. является наиболее экономически выгодным, что и определило широкую распространенность сталей этого типа.
Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.
В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения: 1) образование карбидных, карбонитридных фаз и сг-фазы при нагревах в интервале 650-850 0C; 2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100-1200°С); 3) образование б-феррита при высокотемпературных нагревах; 4) образование а - и е-мартенситных фаз при охлаждении и пластической деформации.
Выделение карбонитридных фаз происходит преимущественно по границам зерен, что снижает пластичность сталей и их сопротивление МКК. Резко охрупчиваются стали при образовании а-фазы.
Присутствие в структуре стали 6-феррита отрицательно сказывается иа ее технологичности, особенно при горячей обработке давлением. Поэтому в сталях, подвергающихся прокатке, ковке, штамповке, при повышенных температурах количество 6-феррита строго лимитируется-
Рис. 170. Схема термической обработки ауетенитиых нержавеющих сталей1 (Е. А. Ульянин):
А - нестабилизированных; 6 - стабилизирующих Ti или Nb
Так,
в сталях типа 10Х18Н9Т при нагреве до 1200
0C может образоваться до 40-45 % 6-феррита,
а в сталях 10Х18Н10Т, 10Х18Н12Б до 15- 20 %
б-феррита. Поэтому при выплавке этих
сталей требуется обеспечить отношение
Cr/Ni Ниобий
и титан, находясь в твердом растворе
(аустените), снижают температуру
мартенситного превращения, а при
выделении их в карбо - иитридиых фазах
происходит обеднение аустенита углеродом
и азотом, и мартенситиая точка повышается. Присутствие
б-феррита понижает мартенситную точку,
так как при его образовании происходит
перераспределение легирующих элементов
и у-фаза обогащается аустеиитообразующими
элементами. Целью.
термической обработки является получение
аустенитной структуры, снятие
внутренних напряжений и устранение
склонности к МКК, которая возникает при
сварке, горячей обработке давлением
или других технологических операциях. Термическая
обработка иестабилизированных титаном
и ниобием хромоникелевых аустенитных
сталей (например, 12Х18Н9) заключается в
закалке из однофазной аустенитной
области (от IOOO0C) в воду (закалка без
полиморфного превращения) (см. рис.
170,а). Считается, что закалку следует
проводить от температур несколько выше
температуры растворения хромистых
карбидов (7р), причем чем выше содержание
углерода в стали, тем от более высоких
температур проводят закалку. Стали,
стабилизированные титаном или ниобием,
закаливают из двухфазной области
аустенита и специальных карбидов TiC
(или NbC), причем температура закалки не
зависит от содержания углерода и
составляет обычно 1000-IlOO0C, чаще всего
1050°С (см. рис. 170,6). Более высокие температуры
нецелесообразны из-за возможного роста
зерна и начала растворения специальных
карбидов. После
закалки стали приобретают оптимальное
сочетание характеристик механических
свойств и коррозионной стойкости. Недостатком
закалки является необходимость нагрева
до высоких температур, быстрого
охлаждения, что часто трудно технологически
осуществить и вызывает коробление
конструкции. Стабилизирующий отжиг для
сталей без титана и ииобия (рис. 170, а)
преследует цель повышения концентрации
хрома на границе аустенит - карбид, что
приводит сталь в состояние высокого
сопротивления МКК. Несмотря на присутствие
карбидов хрома в сталях после отжига
при 850-950 °С, они не склонны к MKK- Для
сталей, легированных титаном и ниобием,
в процессе отжига возможно превращение
карбидов хрома в специальные карбиды
TiC или NbC, что также, устраняет склонность
к MKK (см. рис. 170,6). Температура
стабилизирующего отжига обычно
составляет 850-950 0C. Отжиг допускает
бодее медленное охлаждение, обычно на
воздухе, и более эффективен для
стабилизированных сталей. Хромомарганцевоникелевые
и хромомарганцевые стали. Марганец, как
и никель, является аустенитообразующим
элементом, однако он обладает менее
сильным действием на стабилизацию
аустенита. Из рис. 171 видно, что аусте-
нитиую структуру в Cr-Mn сталях можно
получить только при содержании >15,% Mn
и <15 % Cr. При других соотношениях
легирующих элементов структура сталей
получится двухфазной (аустенит+феррит
или мартенсит или а-фа~ за). Поэтому при
замене никеля марганцем приходится
понижать содержание хрома или заменять
никель частично, или дополнительно
легировать стали таким сильным аусте
- нитообразующим элементом, как азот.
В табл. 33 приведены состав и свойства
хромомарганцевой стали с азотом 10Х14АГ15
(0,15-0,25 % N) и хромомарганцевоникелевой Стали
10Х14Г14Н4Т, нашедших применение в
промышленности (в основном в торговом
и пищевом машиностроении). Кроме
этих сталей, применяют также стали
20Х13Н4Г9, 12Х17Г9АН4 и др. Коррозионная
стойкость is Mn хромомарганцевых и хромо- Марганцевоникелевых
сталей Рис.
171. Структурная диаграм - ВО МНОГИХ
ЭГреССИВНЫХ среДЭХ За\алГеотЫп^сгТГф?0хие
достаточно высокая, однако в мушии)
средах высокой агрессивности (например,
азотная кислота, среды с галогенами,
сульфатами, сульфидами) марганец
оказывает отрицательное влияние на
сопротивление коррозии. Поэтому
коррозиониостойкие хромомарганцевые
стали следует применять только после
тщательных испытаний на коррозионную
стойкость в рабочей среде. В настоящее
время в технике накоплен большой
опыт по рациональному использованию
сталей с частичной или полной заменой
никеля марганцем в качестве
коррозионностойкого материала. При
нагреве этих сталей (550-800 0C) в них по
границам зерен выделяются карбиды
типа Сг2зСб, при этом скорость процессов
выделения определяется содержанием
углерода. При наличии в сталях азота
стабилизация титаном не устраняет
склонности к МКК, так как могут
образовываться нитриды титана.
Поэтому для предотвращения склонности
к MKK в этих сталях требуется понижать
содержание углерода «0,03 %). Хромомарганцевые
стали имеют более высокие прочностные
свойства, чем хромоникелевые, и
большую склонность к образованию
мартенсита при деформации. Следует
отметить, что хромомарганцевые
аустенитные стали сильнее упрочняются
при пластической деформации, чем
хромоникелевые, даже без учета мартенсита
деформации, т. е. при деформации выше
Mn. Это обычно связывают с вероятностью
образования и величиной энергии дефектов
упаковки: никель повышает, а марганец
понижает вероятность образования
дефектов упаковки в аустените. Термическая
обработка этих сталей заключается в
закалке от 1000-IlOO0C с целью обеспечения
аустенитной структуры, снятия
предшествующего наклепа и устранения
склонности к МКК. Выдержка
под закалку хромомарганцевых сталей
должна быть минимальной, так как
марганец имеет тенденцию к избирательному
окислению при высоких температурах, в
результате чего поверхностные слои
обедняются марганцем и могут
приобретать феррито-аустенитную
структуру, что является нежелательным
явлением. Эти стали применяют как
заменители хромоникелевых сталей в
средах средней агрессивности, их
используют в широких диапазонах
температур. 4.
Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные
стали Аустенито-ферритные
стали. Преимущество сталей этой группы
- повышенный предел текучести по
сравнению с аустенитными однофазными
сталями, отсутствие склонности к
росту зерна при сохранении двухфазной
структуры, меньшее содержание
остродефицитного никеля и хорошая
свариваемость, меньшая склонность к
МКК. Состав, режимы термической
обработки и свойства некоторых аустени
- то-ферритных сталей приведены в табл.
34. Повышенное
сопротивление MKK объясняют более
мелкозернистой структурой двухфазных
сталей, что приводит к меньшей концентрации
карбидных фаз по границам (выделением
карбидов типа Me23C6 на границе б-у-фаз).
Поскольку условия проявления MKK в
этих фазах разные, то - концентрация
хрома в приграничных участках не
опускается ниже допустимого уровня.
Так как концентрация углерода в
аустените выше, чем в феррите, карбиды
выделяются по границам, не образуя
непрерывной сетки. Аустенито-ферритные
стали находят широкое применение в
различных отраслях современной техники,
особенно - в химическом машиностроении,
судостроении, авиации. Принципиальное
отличие сталей аустенито-ферритного -
класса в том, что благодаря более высокому
содержанию в них хрома аустенит становится
более устойчивым по отношению к
мартенситному превращению, хотя полностью
- исключить возможность образования
мартенсита в этих сталях не всегда
удается. Аустенито-ферритные
стали весьма сложны по химическому
составу, могут иметь в структуре различное
соотношение аустенитной и ферритной
фаз. В них могут происходить следующие
основные фазовые превращения: Таблица
34. Состав и механические свойства
аустеиито-ферритных и аустенито-мартенситных
коррозионностойких сталей Марка
стали Режим
термической ДРУ
- гие Обработки Аустенито-ферритные
стали
Закалка
1050 0C Деформация
35 % Закалка
1050 °С Ч18Х18Г8Н2Т Закалка
1000 °С Аустенито-мартенситные
стали
Закалка
IOOO0C Обработка
холодом 70
0C1 2 ч, отпуск Закалка
975 "С, об Работка
холодом 70°С,
2 ч, старение Нормализация
950 0C1 Обработка
холодом 70
"С, 2 ч, старение 450
°С, 1 ч, деформа 1.
Изменение количества аустенита и феррита
в зависимости от температуры нагрева
(в соответствии с положени-: - ем линий
на диаграмме состояния). 2.
Распад 6-феррита с образованием а-фазы
и вторично - : го аустенита. 3.
Выделение карбидных, нитридных и
интерметаллид-j ных фаз, которое может
происходить как из аустенита, так я из
феррита. 5.
Процессы охрупчивания ферритной фазы,
связанные с явлениями упорядочения
и расслоения («хрупкость 475 °С»). I Возможность
протекания в аустенито-ферритных сталях; сложных фазовых превращений в
различных интервалах, температур
накладывает существенные ограничения
на ре-] жимы их технологии производства
и области применения. | Присутствие
б-феррита резко ухудшает пластичность
сталей при горячей обработке давлением,
особенно при прокатке и прошивке труб,
что связывают с различным сопротивлением
феррита и аустенита деформированию,
с разной скоростью рекристаллизации:
менее прочные и быстро рекристаллизующиеся
зерна феррита приводят к локализации
в них пластической деформации и
концентрации напряжений. На
рис. 172 приведена зависимость технологической
пластичности двухфазных сталей от
количественного соотношения а и у фаз.
Видно, Б
о, г, МПа
Рис.
172. Влияние соотношения а- и v-фаз на
технологическую пластичность сталей
при высоких температурах (А. А. Бабаков,
М. В. Прнданцев): 1
- хорошая; 2 - пониженная; 3 - плокая О
го 40 60 80 700о, %
WO
80
60 40 20 О/,%
Al
C1N1Ni1Cr1MO Легирование
Рис.
173. Изменение предела текучестк нержавеющих
сталей в зависимости от легирования
после различной обработки: /
- закалка; 2-закалка в обработка холодом;
3 - закалка, обработка холодом и
старение.1
-
мартеиситный класс;II
-
аустенитио-мартенситный
класс;III
-
Аустеиитный
класс Что
наиболее пластичны однофазные сплавы,
однако можно подобрать такой режим
прокатки, при котором пластичность
двухфазных сталей будет вполне достаточной
для производства. По
данным завода «Серп и молот», наиболее
высокая пластичность аустенито-ферритных
сталей наблюдается в интервале 950- 1050
°С, что объясняется наименьшей разницей
в свойствах ферритиой. и аустенитной
составляющих (И. Я. Сокол). Этим же
объясняется положительное влияние
на горячую пластичность кремния, который
сильнее упрочняет феррит. На
аустенито-ферритных сталях проявляется
эффект сверхпластичности, который
заключается в очень высокой пластичности
(до 300- 600 %) этих сталей без наклепа в
определенных интервалах температур
и скоростей деформации и объясняется
образованием особой мелкозернистой
двухфазной структуры (величина зерна
2-3 мкм), получившей в литературе
название микродуплекс. Промежуточную
термическую обработку сталей этого -
класса проводят обычно для снятия
наклепа при производстве тонкого
листа или проволоки. При этом после
смягчающей термической обработки или
горячей деформации охлаждение от
900-IOOO0C должно быть ускоренным, чтобы
предотвратить охрупчивание. Температуру
закалки этих сталей выбирают в зависимости
от состава и назначения детали; она
обычно составляет 900-IlOO0C. Стали,
предназначенные для сварных деталей,
подвергают отпуску для снятия напряжений,
причем температуры и время отпуска
выбирают с учетом предотвращения
охрупчивания стали в интервале «хрупкости
475 °С» и охрупчивания вследствие
сигматизации сталей в интервале 650-850
°С. Аустенито-мартенситные
стали. Потребности новых отраслей
современной техники в коррозионностойких
сталях повышенной прочности и
технологичности привели к разработке
сталей аустенито-мартенситного
(переходного) класса. Структура
этих сталей после закалки представляет
собой неустойчивый (метастабильный)
аустенит, который может претерпевать
мартенситное у->ам-превращение в
результате обработки холодом или
пластической деформации ниже Мд. Свойства
определяются соотношением количества
аустенита и мартенсита в структуре.
Изменения прочностных свойств в
зависимости от содержания легирующих
элементов в сталях мартенситного (I),
переходного (//) и аустенитного (III) классов
приведены на рис. 173. Температура
Ma в этих сталях должна лежать ниже
комнатной, но не настолько низко, чтобы
сталь была Стабильной при обработке
холодом. В аустенито-мартенсит - ных
сталях может образовываться некоторое
количество 6-феррита, однако его
присутствие в структуре ограничивав
ют из-за возможного охрупчивания сталей
и снижения уровня прочности. Состав
сталей этого типа приходится строго
контролировать для поддержания
сбалансированного содержания - феррито
- и аустенитообразующих элементов и
заданной температуры мартенситного
превращения. Накопленный экспериментальный
материал позволяет ориентировочно
оценить действие различных легирующих
элементов на со-; держание б-феррита и
положение точки Mh в сталях этого] типа,
что позволяет рассчитать состав стали.
Ниже показа-; но влияние легирующих
элементов на количество 6-феррита и
положение мартенситной точки сталей
переходного класса (Ф. Б. Пикеринг): Легирующий
элемент…….. Дополнительное
упрочнение этих сталей может быть
получено в результате дисперсионного
твердения мартенсита при температурах
400-500 0C. Для этого в стали вводят такие
элементы^ как алюминий, медь, титан. В
этом случае в сталях возможно выделение
интерметаллидной фазы NiAl, когерентной
с о. ц. к.-матрицей, и NiTi или Ni (Al, Ti), также
имеющих о. ц. к. структуру; при введении
меди образуются комплексы, очень
богатые медью (предположительно
твердый раствор никеля в меди). В
процессе отпуска в сталях выделяются
карбонитриды молибдена и ванадия,
что также повышает прочность. Однако в
результате старения падают характеристики
пластичности, поэтому при легировании
сталей стремятся к максимальному
выигрышу в прочности при заданных
характеристиках пластичности. Экспериментально
установлено, что оптимальное сочетание
прочности и пластичности обеспечивает
легирование молибденом и алюминием,
что объясняет наиболее широкое
распространение сталей соответствующих
композиций. Выше определённого содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ-состояние существует как стабильное
от комнатной температуры до температуры плавления. Такие высоколегированные железные сплавы называют аустенитными сталями. В отличие от других
железных сплавов аустенитные стали (и ферритные) не имеют превращений при нагревании и охлаждении . Поэтому
термическую обработку для упрочнения аустенитных сталей не применяют. К хладостойким аустенитным сталям также относятся хромомарганцевые стали
(аустенитные стали, в которых никель полностью или частично
заменён марганцем); стабильные аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом
(аустенитные стали, одновременно легированные хромом,
никелем и марганцем) и метастабильные аустенитные стали
. Лит.:
В энергетическом машиностроении, на предприятиях химической и нефтяной промышленности элементы оборудования, находящиеся в прямом контакте с агрессивными средами, должны быть выполнены из специального материала, который способен выдерживать негативное воздействие. Согласно современным технологиям, используются аустенитные стали, марки их выбираются в соответствии с производственными задачами. Это высоколегированный материал, который в процессе кристаллизации формирует 1-фазную структуру. Его характеризует гранецентрированная кристаллическая решетка, которая сохраняется и при криогенных температурах – ниже -200 градусов С. Материал характеризуется повышенным содержанием никеля, марганца и некоторых других элементов, способствующих стабилизации при различных температурах. Аустенитные стали классифицируют на 2 группы относительно состава: Содержание никеля в этих железных сплавах необходимо для увеличения технологичности, стойкости и прочности к жару, увеличению параметров пластичности. Хром увеличивает стойкость к коррозии и высоким температурам. Другие легирующие добавки способны сформировать и другие уникальные свойства, которыми должна обладать аустенитная нержавеющая сталь в тех или иных технологических условиях. В отличие от других материалов этот железный сплав не имеет трансформаций при снижении и повышении температур. Поэтому температурная обработка его не применяется. Какие стали относятся к аустенитным сталям принято классифицировать на три группы: Аустенитные стали относятся к труднообрабатываемым материалам. Термическое воздействие на них затруднительно, поэтому используются другие технологии. Механическая обработка этих сплавов сложна, поскольку материал склонен к наклепу и незначительные деформации значительно уплотняют материал. Этот железный сплав образует длинную стружку, поскольку обладает высокими параметрами вязкости. Механическая обработка аустенитных сталей энергозатрана, ресурса потребляется на 50% больше в сравнении с углеродистыми сплавами. Поэтому обработка их должна выполняться на мощных и жестких станках. Возможна сварка, ультразвуковое воздействие и криогенно-деформационная технология.
Классификация аустенитных сталей по группам и маркам
Особенности обработки аустенитных сталей