Аустенит — это твердый однофазный раствор углерода до 2 % в y-Fe. Главная его особенность заключается в последовательности, в которой располагаются атомы, т. е. в строении кристаллической решетки. Она бывает 2 типов:
- ОЦК a-железо (объемно - центрированная - по одному атому располагается в 8-ми вершинах куба и 1 в центре).
- ГЦК y-железо (гране-центрированная по одному атому находится в 8-ми вершинах куба и по одному находятся на каждой из 8-ми граней, всего 16 атомов).
Простыми словами: аустенит — это структура или состояние металла, определяющая его технические характеристики, которые получить в другом состоянии невозможно, т.к. меняя строение, металл изменяет и свойства. Без аустенита невозможна такая технология как закалка, которая является самой распространенной, дешевой, технически доступной, а в некоторых случаях и единственной технологией упрочнения металла.
Свойства аустенитных сталей и где их используют
Само состояние железа в Y-фазе (аустенит) уникально, благодаря ему металл является жаропрочным (+850 ºC), холодостойким (-100 ºC и ниже t), способен обеспечивать коррозионную и электрохимическая стойкость и другие важнейшие свойства, без которых были бы немыслимы многие технологические процессы в:
- нефтеперерабатывающей и химической отраслях;
- медицине;
- космическом и авиастроении;
- электротехнике.
Жаропрочность — свойство стали не менять своих технических свойств при критических температурах с течением времени. Разрушение происходит при неспособности металла противостоять дислокационной ползучести, т. е. смещению атомов на молекулярном уровне. Постепенно происходит разупрочнение, и процесс старения металла начинает происходить все быстрее. Это происходит с течением времени при низких или высоких температурах. Так вот, насколько этот процесс растянется во времени — это и есть способность металла к жаропрочности.
Коррозионная стойкость — способность металла противостоять разрушению (дислокационной ползучести) не только с течением времени и при криогенных и высоких температурах, но еще и в агрессивных средах, т. е. при взаимодействии с веществами активно вступающих в реакцию с одним или несколькими компонентных элементов. Разделяют 2 типа коррозии:
- химическая — окисление металла в таких средах, как газовая, водная, воздушная;
- электрохимическая — растворение металла в кислотных средах, имеющих положительно или отрицательно заряженные ионы. При разности потенциалов между металлом и электролитом, происходит неизбежная поляризация, приводящая к частичному взаимодействию двух веществ.
Холодостойкость — способность сохранять структуру при криогенных температурах с течением длительного времени. Из-за искажения кристаллической решетки структура стали холодостойкой способна принимать строение присущее обычным малолегированным сталям, но уже при очень низких температурах. Но этим сталям присущ один недостаток — иметь полноценные свойства они могут только при минусовых температурных значениях, t - ≥ 0 для них недопустимы.
Методы получения аустенита
Аустенит — это структура металла, которая в малолегированных марках возникает в диапазоне температур 550-743 ºC. Как можно сохранить эту структуру и, соответственно, свойства за границами этих t? — Ответ: методом легирования. При наполнении решетки аустенита атомами других элементов, образуются структурные искажения, а процесс восстановления ОЦК-решетки (естественное строение при нормальных температурах) сдвигается на сотни градусов.
Как эти свойства проявляются и в каком состоянии, зависит от добавочных т. е. легирующих элементов и термической обработки детали, которую она может дополнительно получать. Причем влияют не только элементы, но их соотношение, так аустенитная сталь подразделяется на:
- хромомарганцевую и хромникельмарганцевую (07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T);
- хромоникелевую (08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
- высококремнистую (02Х8Н22С6, 15Х18Н12C4Т10);
- хромоникельмолибденовую (03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т).
Химические элементы и их влияние на аустенит
Пособников у аустенита немного, использоваться они могут как совместно, так и частично, в зависимости от того какие свойства нужно получить:
- Хром — при его содержании более 13 % на поверхности образует оксидную пленку, толщиной 2-3 атома, которая исключает коррозию. В аустените хром находится свободном состоянии, при условии минимального содержания углерода, так как тот сразу образует карбид Cr 23 C 6 , что приводит к сегрегации хрома и обедняет большие участки матрицы, делая ее доступной для окисления, сам карбид Cr 23 C 6 способствует межкристаллитной коррозии аустенита.
- Углерод (максимальное его значение не более 10 %). Углерод в аустените находится в соединенном состоянии, основная его задача — образование карбидов, которые обладают предельной прочностью.
- Никель — основной элемент, который стабилизирует желаемую структуру. Достаточно содержание 9-12 %, чтобы перевести сталь в аустенитный класс. Измельчает и сдерживает рост зерна, что обеспечивает высокую пластичность;
- Азот заменяет атомы углерода, присутствие которых в сталях электрохимически стойких снижено до 0,02 %;
- Бор — уже в тысячных процентах увеличивает пластичность, в аустените, измельчая его зерно;
- Кремний и марганец не указываются как основные легирующие элементы в маркировке, но они являются основными или обязательными легирующими элементами аустенита, которые придают прочность и стабилизируют структуру.
- Титан и ниобий — при температуре выше 700 °С карбид хрома распадается и образуется стойкий TiC и NiC, который не вызывает межкристаллитную коррозию, но их использование не всегда оправданно холодостойких сталях, т.к. оно повышает границу распада аустенита.
Термическая обработка
Аустенит подвергают обработке только по необходимости. Основные операции это высокотемпературный отжиг (1100-1200 °С в течение 0,5-2,5 часа) при котором устраняется хрупкость. Далее закалка с охлаждением в масле или на воздухе.
Аустенитную сталь, легированную алюминием, подвергают двойной закалке и двойной нормализации:
- при t 1200 °С;
- при t 1100 °C.
Механическая окончательная обработка проводится до закалки, но после отжига.
Изделия из аустнитных сталей
Полуфабрикаты, в которых поставляется сталь, представляет собой:
- Листы, толщиной 4-50 мм с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.
- Поковки. Ввиду сложной обработки этих сталей методом сварки, изготовление некоторых деталей представляет собой получение практически готовых изделий уже на этапе литья. Это роторы, диски, турбины, трубы двигателей.
Методы соединения аустенита:
- Припой - очень сильно ограничивает использование металла при t более 250 °С;
- Сваривание - возможно в защитной атмосфере (газовой, флюсовой), при последующей термической обработке.
- Механическое соединение - болты и другие крепежные элементы, изготовленные из аналогичного материала.
Аустенитные стали одни из самых дорогих технических сталей, использование которых ограничивается узкой специализацией оборудования.
— 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.
Нержавеющая сталь, (сложнолегирована сталь) является стойкой против появления ржавчины в атмосферных условиях и коррозии в агрессивных средах. Главный легирующий элемент нержавеющей стали - Cr (содержание 12-20%). Кроме того, нержавеющая сталь содержат элементы, которые сопутствуют железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р) и элементы, вводимые в сталь для придания ей нужных физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo). Чем выше содержание Cr в стали, тем выше ее сопротивление коррозии и жаропрочность; при содержании Cr 12% и более сплавы являются нержавеющими в обычных условиях и в слабоагрессивных средах, 17% и более - коррозионностойкими и в более агрессивных окислительных и других средах, в частности в азотной кислоте крепостью до 50%. Коррозионная стойкость нерж. стали объясняется тем, что на поверхности контакта хромсодержащего сплава со средой образуется тончайшая защитная пленка окислов либо др. нерастворимых соединений. Немаленькое значение при этом имеют однородность металла, которое соответствует состояние поверхности, отсутствие у стали склонности к межкристаллитной коррозии. В сильных кислотах (соляной, серной - которая образуется в дымоходах, фосфорной, плавиковой и их смесях) высокую коррозионную стойкость показывают сложнолегированные нерж. стали и сплавы с более высоким содержанием Ni с присадками Mo, Cu, Si в разных сочетаниях. При этом для каждых конкретных условий (температура и концентрация среды) выбирается соответствующая марка стали.
По химическому составу нержавеющие стали подразделяются на хромоникелевые, хромистые и хромомарганцевоникелевые (более 100 марок). По структуре хромистые нерж. стали подразделяются на полуферритные, мартенситные и ферритные. Наилучшую стойкость против коррозии имеют хромистые Н. с. мартенситного типа в полированном состоянии. Хромистые нерж. стали находят применение в качестве конструкционного материала для клапанов гидравлических прессов, которые турбины лопаток, арматуры крекинг-установок, режущего инструмента, пружин, предметов быта.
Нержавеющие стали обычно делятся на 3 немаленькие группы, в зависимости от их структуры:
♦ аустенитные
стали обычно содержат 16-25% хрома
, 6-14% никеля, кое-когда 2-6% молибдена и маленькое число иных элементов. Стали это группы - максимально широко используемые и представляют 60-70% мирового потребления. Область их применения довольно-таки широка.
♦ ферритные
стали (кое-когда называемые хромистые стали) содержат по большей части 12-20% хрома
. Кое-какие марки могут содержать маленькое число титана и молибдена. Коррозионная стойкость и иные свойства хуже чем у аустенитных сталей, но из-за более низкой стоимости ферритные стали используются для меньше ответственного применения.
♦ мартениститные
нержавеющие стали применяются в специальных случаях, когда требуется высокая твердость и прочность. Дальше будут рассматриваться по большей части аустенитные марки. Области применения аустенитных нержавеющих сталей.
Различают аустенитные нерж. стали, которые не склонны к межкристаллитной коррозии, так называемые стабилизированные - с добавками Ti и Nb. Резкое понижение склонности нерж. стали к межкристаллитной коррозии достигается также сокращением содержания углерода (до 0.03%). Стабилизированные аустенитные нерж. стали применяются для изготовления сварной аппаратуры, которая работает в агрессивных средах (при этом после сварки термическая обработка не обязательна). В качестве жаропрочного и жаростойкого материала данные стали используются для изготовления изделий, которые подвергаются воздействию температур 550-800 °С . Стали, которые склоны к межкристаллитной коррозии, после сварки, обычно, подвергаются термической обработке (для деталей, которые сварены роликовой или точечной сваркой, термическая обработка не требуется). Хромомарганцевоникелевые и Хромоникелевые нерж. стали находят широкое применение в промышленности и быту. Для высоконагруженных элементов конструкций, которые работают при повышенных температурах (до 550 °С), применяются так называемые мартенситно-стареющие нерж. стали аустенитно-мартенситного типа, которые обладают значительной прочностью (sb = 1200-1500 Мн/м2, либо 120-150 кгс/мм2), высокой вязкостью и отличной свариваемостью.
В последнее время на рынке дымоотводящих труб и газоходов стали появляться случаи использования нержавеющих сталей не аустенитного, а ферритного класса.
Основные недостатки нержавеющих сталей ферритного класса (AISI 430, 439, 409, аналоги по Российской классификации 08Х17Т, 15Х25Т, 08Х13, 08Х18Т1) по сравнению со сталями аустенитного класса (AISI 304, 321, 316, аналоги по Российской классификации 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 20Х23Н18) следующие:
♦ Неупрочняемые при термообработке.
♦ Ферритные стали склонны к охрупчиванию при длительном использовании в диапазоне температур от 300 до 600.
♦ Вязкость может быть до некоторой степени ограничена при низких температурах и в заготовках крупного сечения (переход пластичность-хрупкость).
ВНИМАНИЕ:
Срок службы дымоходных труб, изготовленных из ферритных нержавеющих сталей, толщиной 0,5 мм от 1 года составляет менее 2-х лет!
ВНИМАНИЕ:
Сварка швов ферритных нержавеющих сталей должна производиться с особой осторожностью.
ВНИМАНИЕ:
Рекомендуемая максимальная температура применения в течение длительного времени (до 10 000 час) до 800°С
установлена только для нержавеющих сталей аустенитного класса. Для ферритных нержавеющих сталей данные условия использования категорически запрещены!
ВНИМАНИЕ:
Отличить ферритную сталь от аустенитной можно с помощью магнита - ферриная сталь обладает магнитными свойствами в отличии от аустенитной.
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.
Стремление к увеличению термического к.п.д. энергетических установок с ядерными энергетическими реакторами, использующими в качестве теплоносителя легкую воду и жидкие металлы, заставило обратить внимание и решать вопрос об использовании аустенитных нержавеющих сталей в качестве оболочковых материалов. Их отрицательное свойство - высокое сечение поглощения тепловых нейтронов было воспринято как зло с которым надо мириться, т.к. коррозионная стойкость этих сталей весьма высока, их стоимость значительно ниже чем у циркония; они более технологичны, чем сплавы циркония, т.к. требуют меньших затрат наиболее простых приемов при изготовлении деталей из этих сталей.
Как и в случае с Al, исторически сложилось так, что основным конструкционным материалом была выбрана хорошо изученная и опробованная в других областях промышленности аустенитная нержавеющая сталь типа 18/8 и 18/10. Эти стали коррозионно стойки в воде до 360° С и в перегретом паре до 650° С, обладая при этом достаточно хорошими механическими характеристиками. Однако, для повышения жаропрочности требуется дополнительное легирование вольфрамом или молибденом.
Совместимость сталей этого типа с ядерным топливом достаточно хорошая. Сталь 18/10 хорошо совместима с двуокисью урана до температуры 750° С, а с металлическим ураном - до 500° С.
Стали типа 18/8 и 18/10 способны пассивироваться и это обстоятельство является весьма ценным при эксплуатации.
Однако, в зависимости от внешних и внутренних факторов на этих сталях наблюдаются несколько видов коррозии - равномерная общая, язвенная, межкристаллитная, коррозия под напряжением.
Общая коррозия идет со скоростью 0,8 - 4 мк/год в воде высокой чистоты при температуре 280 - 350° С, 5 - 10 мкм/год в водяном паре до 600° С. Скорость коррозии аустенитных хромоникелевых нержавеющих сталей зависит от скорости теплоносителя и наличия ионизирующего излучения, но остается во вполне допустимых для эксплуатации пределах.
Нарушение гомогенности структуры сталей - наличие включений, трещин, раковин может привести к язвенной или точечной коррозии. Неоднородные включения путем образования микрогальванических пар также приводят к язвенной коррозии вследствие местной депассивации металла и растравливания депассивированных участков.
О вредном действии хлор - иона уже говорилось. В присутствии хлор - иона уменьшается потенциал пробоя в пассивной области.
Местная коррозия интенсивно протекает в щелях, зазорах и любых других местах возможного упаривания воды, когда количество примесей в этих местах увеличивается.
В контакте с Al нержавеющая сталь интенсифицирует процесс анодного растворения Al вследствие образования микрогальванической пары (в местах разрушения защитной окисной пленки) или контактной разности потенциалов. О способах борьбы с этим видом коррозии говорилось ранее. Аустенитная сталь может корродировать по границам зёрен (м.к.к.). Этот вид коррозии происходит преимущественно из-за того, что по границам зёрен выпадает карбид хрома. Это приводит к обеднению границ зёрен Cr, что уменьшает электрохимическую стойкость этих областей.
Следовательно, повышенное количество углерода нежелательно, т.к. он основной карбидообразователь, для предотвращения выпадения карбидов применяют легирование молибденом, но лучшие результаты даёт стабилизация титаном или ниобием.
Ti u Nb создают стойкие карбиды, вследствие чего не происходит обеднение границ зёрен хромом. Т.е. Ti u Nb "забирают" C на себя и не дают ему соединиться с Cr.
В то же время, азотосодержащие стали следует легировать Nb, т.к. Ti идет на образование нитридов. Кроме того в тонкостенных трубах
(толщины менее < 0,5 мм) Ti может давать карбиды, размеры которых могут быть почти соизмеримы с толщиной стенки трубы.
Ещё один способ борьбы с МКК - термообработка 1-3 часа при
t = 800 - 870° C для максимального связывания углерода в карбиды равномерно по объему зерна и выравнивания концентрации Cr за счет высокой диффузии.
Сварные швы - тоже узкое место, т.к. в пришовной зоне термического влияния происходит карбидообразование по границам зёрен и эта зона становится склонной к коррозионному растрескиванию.
МКК развивается обычно на сталях в кислых средах и при наличии кислорода (более 0,1-:-0,3 мг/кг). Существуют гостированные методы для проверки склонности стали к МКК: так называемые методы АМ и Б.
Метод АМ - кипячение 24 часа в смеси серной кислоты, медной стружки и медного купороса.
Затем образцы изгибают на 90° по радиусу, зависящему от толщины образца. Наличие трещин свидетельствует о склонности к МКК.
Готовые изделия проверяются анодным травлением участка поверхности (метод Б). Если при увеличении в 10 - 30 раз видна сетка протравленных границ зёрен то считают, что металл склонен к МКК. Но этот метод несколько субъективен.
Наиболее опасный вид коррозионного разрушения на аустенитных хромоникевых сплавах - коррозионное растрескивание КР.
КР появляется при наличии механических напряжений и коррозионно - агрессивной среды. На возникновение КР влияют очень многие факторы.
В первую очередь - степень пластической деформации - наклёпа, ибо растягивающие напряжения от наклепа, складываясь с действующими растягивающими напряжениями, могут усилить скачком растрескивание.
Следовательно, необходимо обеспечить полное снятие наклепа.
На КР также влияет структура стали. Так в 18 / 8 при холодной прокатке образуется феррит (в небольшой части). Объем феррита > объема аустенита, из которого образовался феррит, это приводит к возникновению в металле местных механических напряжений, способствующих КР. Следовательно, надо всеми известными способами обеспечить структурную устойчивость аустенитной нержавеющей стали.
Особо опасные стали с двухфазной структурой, у которых даже при небольшой деформации происходит выпадение феррита.
Кроме того, в некоторых сталях при определенных видах термообработки появляется магнитная a - фаза по границам зёрен в виде сплошной сетки.
Как отмечалось, огромную роль играет состав коррозионной среды, и в первую очередь наличие хлорид - ионов и кислорода.
Причем, если строго прослеживается зависимость от концентрации хлоридов, то кислородная концентрация не столь важна, но важен сам факт присутствия кислорода. Поэтому реакторная вода и подпиточная вода строго нормируются по содержанию хлорид - иона (0,1 - 0,5 мг/кг.). Наиболее опасными участками для КР участками являются места с переменным увлажнением.
Если вспомнить историю отечественного прямоточного котлостроения, то видно, что парогенераторы на давление 30 - 50 кг/см^2 "горели" вследствие плохой растворимости солей в паре этих давлений и выпадении их на поверхностях нагрева, т.е. с повышением концентрации Cl с накапливанием его.
Этот опыт необходимо помнить и использовать сейчас, т.к. такие ошибки повторяются и в современном проектировании энергетического оборудования.
Коррозионное растрескивание происходит и в паре, содержащем O2 и ион хлора.
В настоящее время делаются успешные попытки объяснить коррозионное растрескивание перемещением и блокированием перемещения дислокаций.
В общем виде эта теория сводится к расчету времени, в течение которого дислокация, перемещаясь от места возникновения к границе зерна, останавливается, заблокированная.
Т.е. t = L / u
где t - время, L - размер зерна, или путь дислокации до блокирования, u - скорость перемещения дислокаций.
Вся сложность в определении скорости от внутренних факторов. Точностью предпосылок и определяются успехи отдельных попыток рассчитать время устойчивой работы готового изделия.
Аустенитные нержавеющие хромоникелевые стали склонны еще к одному, пока малообъяснимому, типу разрушений - щелочной хрупкости - ухудшению механических свойств сталей в среде с повышенным содержанием щелочи.
В связи с большой величиной сечения поглощения тепловых нейтронов аустенитные нержавеющие стали предпочтительнее применять в реакторах на быстрых нейтронах.
Вообще говоря воздействие расплавов металлов на сталь весьма специфично, и не похоже не на электрохимическую и химическую коррозию.
Основную разрушающую силу в жидкокристаллических теплоносителях приобретает перенос массы. Это явление заключается в растворении отдельных компонентов, насыщении этими компонентами расплав с высокой температурой и выпадении в осадок из расплава с более низкой температурой, т.е. при перенасыщении.
Следовательно, у этого процесса 2 стороны: разрушение металла в зоне высокой температуры и сужение проходных сечений в зоне низких температур.
При увеличении скорости прокачки металла скорость растворения сталей увеличивается (примерно в степени 0,8).
Для тяжелых жидких металлов характерно эррозионное действие.
Кроме того в эвтектике Pb - Bi происходит вымывание углерода из перлитной стали и науглероживание аустенитной, т.е. выравнивание концентрации углерода. Это приводит к изменению механических свойств аустенитной стали.
Этот же расплав вымывает Ni u Cr их стали типа 18 / 8, что тоже изменяет её свойства.
Сталь типа 18 / 8 весьма стойка в эвтектике Na - K . В ней при содержании кислорода 0,002 % глубина коррозионного поражения составляет
2 - 3 мкм /год. Следовательно надо бороться с содержанием кислорода, т.е. надо очищать от кислорода жидкий металл.
Кроме того, для эксплуатации в жидком металле необходимо брать стали с минимальным содержанием углерода, а сам расплав периодически очищать от него. Кроме углерода, Ni u Cr, переносится а также Fe; причем этот процесс сопровождается МКК сталей. Скорость МК поражений достигает 250 мкм/год и зависит от содержания кислорода в Na.
Резкий скачок в скорости МКК наблюдается при концентрации кислорода 0,05 %, т.к. окислы, образующиеся на поверхности могут растворяться в расплаве.
Коррозионная стойкость жаропрочных сталей, применяемых при t = 700° С может быть повышена легированием Al до 30 % ат.
Применение тугоплавких материалов при t = 800° C в общем не спасает положение, если в расплаве присутствует кислород.
Повышенная концентрация Li весьма коррозионно агрессивна к сталям и вымывает Ni; O u N "помогают" Li в этом "черном деле".
С точки зрения наличия ионизирующего излучения аустенитные хромоникеливые стали подвергаются радиационному охрупчиванию т.е. повышению прочности и понижению пластичности.
Этот вид последствий облучения весьма опасен, особенно если принять во внимание термическую науку, напряжения, вибрацию и т.д. Способствуют разрушению материала при этом виде коррозионного воздействия образование интерметаллических фаз.