Феррито-мартенситные системы легирования нержавеющих сталей

Уравнения и диаграммы также были разработаны для определения фазового баланса в ферритных, мартенситных и ферритно-мартенситных нержавеющих сталях. Kaltenhauser, признавая тот факт, что значение коэффициента различных элементов в формуле хром-эквивалент в работе основаны на двойных диаграммах, разработанных для катаного металла, модифицировал эти коэффициенты и предложил так называемый ферритный коэффициент (фактор) для определения склонности к образованию мартенсита в металле шва ферритных нержавеющих сталей. В частности, Kaltenhauser интересовался низкохромистыми ферритными сталями марки 409. Он предложил уравнение, известное в настоящее время как К-фактор (Kaltenhauserfactor, или K-factor):

Когда К-фактор снижается ниже определенного уровня, то микроструктура полностью ферритная. Kaltenhauser предположил, что нет единственного значения К-фактора, которое гарантирует ферритную микроструктуру во всех ферритных нержавеющих сталях. Единственное значение было предложено для индивидуальных сталей, оно -основано на металлографическом исследовании ряда сварных швов различных химических составов. Для низкохромистых марок сталей критическое значение К-фактора равно 13,5, в то время как для сталей со средним содержанием хрома оно равно 17. Уровень К-фактора и конечный микроструктурный результат обычно достигаются путем снижения содержания углерода и добавления титана или обеих комбинаций.

Авторы работы также представили уравнение хром-эквивалент, основанное на преобразованной системе автора работы:

В основном для обеспечения полностью ферритной микроструктуры обычных ферритных нержавеющих сталей требуется значение хром-эквивалент больше 12. Оно немногим отличается от значения К-фактора, за исключением добавления коэффициента к содержанию меди и существенного влияния алюминия.

Авторы работы гораздо шире изучили класс коммерческих низкохромистых сталей и смогли разработать структурную диаграмму для них, основываясь на преобразованных хром-эквивалент и никель-эквивалент. Во многом, как и диаграмма Делонга, эта диаграмма (рис. 3.19) была подмножеством пространства составов на диаграмме Шеффлера. Значения ординат по осям подсчитаны вычислением хром-эквивалент и никель-эквивалент и вычитанием соответствующей постоянной. Эти формулы имеют вид

В обзоре за 1990 г. по свариваемости нержавеющих сталей Lippold развил эту идею и перестроил диаграмму авторов, используя эквиваленты К-фактора, как показано на рис. 3.20. Форма области феррит + мартенсит почти приближается к такой же области на диаграмме Шеффлера. Однако эта диаграмма, основанная на работах, предоставляет более точную информацию по прогнозированию микроструктур низкохромистых нержавеющих сталей, так как она учитывает влияние титана и алюминия. Диаграмма в первом приближении может быть использована для прогнозирования микроструктуры металла сварных швов, так как данные по микроструктуре для этой диаграммы были получены закалкой сталей с низким содержанием хрома при температуре 1100 °C (2021 °F). Следует обратить внимание, что линия между областями полностью ферритной и феррито-мартенситной структур соответствует критическому значению К-фактора, предложенному автором для сплавов с низким содержанием хрома (KF = 13,5), и приближается к области, рекомендованной для среднехромистых сталей (KF = 17). Эта диаграмма также может прогнозировать существование дельта-феррита в сварных швах мартенситных нержавеющих сталей. Изоферритные линии, которые тоже могли бы прогнозировать процент мартенсита или феррита в металле швов, отсутствуют в связи с недостаточным количеством данных в источниках, доступных для их построения.

При изучении сталей 9Сr—1Mo для применения в паровых генераторах авторы работы использовали некоторые константы из работы для преобразования уравнения хром-эквивалент, разработанного исследователями компании General Electric для прогнозирования количества дельта-феррита, которое могло бы образоваться в мартенситных структурах при сварке. Используемое уравнение:

Это уравнение больше подходило для прогнозирования влияния активных легирующих элементов, включая коэффициенты для вольфрама, ванадия, ниобия и кобальта при их добавлении к тем элементам, которые обычно упоминались в источниках. При изучении фазового баланса в сталях 9Сr—1Mo Panton-Kent использовал хром-эквивалент из работы и модифицировал К-фактор применительно к мартенситным сталям при добавлении слагаемого для ниобия. Он установил, что приводимый модифицируемый "феррит-фактор" FF является более точным для более узкого диапазона химических составов металла швов, которые он получил, используя коммерческие электроды для дуговой сварки плавящимся покрытым электродом:

Согласно этому уравнению, можно ожидать, что металл шва с феррит-фактором, значение которого приблизительно равно 7,5 или менее, будет иметь полностью мартенситную микроструктуру.

Авторы работы в Британском институте сварки (TWI) разработали предварительную диаграмму (рис. 3.21) для прогнозирования содержания феррита в ЗТВ в сталях с низким содержанием углерода и 13 % хрома, названных супермартенситными нержавеющими. В основном исследовались только стали с высоким содержанием никеля. Их число невелико, поэтому диаграмма должна рассматриваться как качественная, не дающая возможности четко прогнозировать микроструктуру. Кроме того, диаграмма была основана на исследованиях микроструктуры ЗТВ, и потому возможность ее применения к металлам шва остается невыясненной.

Авторы разработали структурную диаграмму ферритно-мартенситных нержавеющих сталей, которая покрыла область составов, охватывающую большинство марок коммерческих ферритных и мартенситных нержавеющих сталей. Они разработали эту диаграмму, произведя около 200 плавок разных химических составов, и затем определили доли присутствующих фаз, используя количественную металлографию. Диаграмма показана на рис. 3.22.

Никель-эквивалент для этой диаграммы практически совпадает с эквивалентом диаграммы WRC-1992, но хром-эквивалент имеет большие множители для алюминия и титана. Доказано, что диаграмма наиболее точна в пределах, для которых она была построена (вплоть до значений Niэк = 6 и Cгэк = 24). Для того чтобы рассмотреть более широкую область сплавов, координаты по осям были несколько расширены по отношению к осям диаграммы WRC-1992. Под диаграммой указан диапазон химических составов, в пределах которого она является точной. Эта область покрывает большинство мартенситных и ферритных сталей, однако использование диаграммы для низкоуглеродистых сталей (углерода менее 0,03 %) весьма сомнительно. Диаграмма авторовработ также содержит область, в которой аустенит стабилен (верхняя часть диаграммы), что совместимо с диаграммой Шеффлера.