12.02.2018

Физическая и механическая металлургия мартенситных нержавеющих сталей


В широком смысле нержавеющие стали базируются на бинарной системе Fe-C. На псевдобинарной диаграмме ферритная фаза (объемно-центрированная кубическая решетка (BCC)) устойчива в широком диапазоне химического состава и температуры. При низком содержании хрома менее 12 % из феррита формируется аустенит (гранецентрированная кубическая решетка (FCC)) при охлаждении в твердом состоянии. Область стабильного состояния аустенита часто называют гамма-областью из-за ее формы (дословный перевод — петлей из-за ее специфичной формы). При равновесных условиях охлаждения аустенит в пределах отмеченной области диаграммы переходит в феррит. Большинство мартенситных нержавеющих сталей содержат и другие легирующие элементы, прежде всего углерод, который расширяет гамма-область, являясь аустенизатором, и способствует формированию мартенсита. Для описания фазового равновесия применительно к мартенситным нержавеющим сталям более подходят диаграммы тройной системы Fe—Cr—С.

Как отмечено в главе 2, такие диаграммы лучше описывают фазовые превращения в сварных соединениях мартенситных нержавеющих сталей при нагреве и охлаждении в условиях сварки. Псевдобинарное сечение такой тройной диаграммы при содержании хрома 13 % (рис. 4.1) может быть использовано для анализа фазовой стабильности в диапазоне от температур кристаллизации до комнатной температуры. Следует отметить, что при содержании углерода от 0,1 до 0,25 % эти стали кристаллизуются как феррит, но в конце кристаллизации образуется некоторое количество аустенита или феррито-аустенитная смесь. При дальнейшем охлаждении, согласно этой диаграмме, при отмеченном выше содержании углерода весь феррит трансформируется в аустенит. При температурах ниже 800 °C (1470 °F) равновесными фазами являются феррит и карбид Cr23C6.
В условиях охлаждения при сварке аустенит, существующий при повышенных температурах, трансформируется в мартенсит. Многие мартенситные нержавеющие стали сохраняют некоторое количество высокотемпературного феррита в мартенситной матрице, но его существование определяется соотношением элементов — ферритизаторов и аустенизаторов. Вопросы по сохранению феррита будут рассматриваться далее. При большем содержании углерода гамма-область расширяется, обеспечивая формирование полностью мартенситной структуры. При повышенном содержании углерода мартенсит становится более твердым и хрупким и, как следствие, более склонным к водородным трещинам и, возможно, к хрупкому разрушению.
Для прогнозирования микроструктуры металла шва и ЗТВ, формирующейся при охлаждении с аустенитной области, применительно к стали марки 410 можно использовать диаграмму из работы изотермического распада аустенита (рис. 4.2). Для стали марки 410 точка кривой начала ферритного превращения ("носик") отстоит по оси времени (ось абсцисс) примерно на 100 секунд. Поэтому для большинства способов сварки плавлением в металле шва и частично ЗТВ формируется преимущественно мартенситная структура с высокой твердостью примерно 45 HRC.

Заслуживает внимания тот факт, что, согласно рис. 4.2, высокотемпературный аустенит, будучи охлажденным до температуры менее 700 °C (1290 °F) за время менее 200 с (примерно 3 мин) и с последующей выдержкой при температуре несколько выше температуры начала мартенситного превращения Ms, остается аустенитом в течение недели или более того. Эта особенность может быть очень полезной при выборе температуры предварительного подогрева, а также между проходами при выполнении валиков многопроходных швов мартенситных нержавеющих сталей. Если многопроходные швы выполняются исходя из этих соображений, то они могут остаться аустенитными, что благоприятно повлияет на формирование усадочных деформаций. За это время водород может "уйти" из металла шва, хотя с меньшей скоростью, поскольку его диффузионная подвижность (коэффициент диффузии) в аустените существенно ниже, чем в феррите и мартенсите. По окончании сварки и охлаждения сварного соединения аустенит трансформируется в мартенсит. Это превращение сопровождается увеличением объема, поскольку плотность аустенита выше, чем у феррита и мартенсита, что приводит к формированию напряжений сжатия в металле шва. Последнее способствует предотвращению образования трещин. Этот прием обычно используется в металлургической промышленности при наплавке на валки низкоуглеродистой мартенситной нержавеющей стали.

Интервал температур, при котором формируется мартенсит, зависит в первую очередь от химического состава. Почти все легирующие элементы, за исключением кобальта, понижают температуру начала мартенситного превращения Ms, при этом наиболее сильно воздействует углерод. Был предложен ряд формул для прогнозирования температуры начала мартенситного превращения в нержавеющих сталях, представленный в табл. 4.3 в виде коэффициентов к содержанию легирующих элементов мартенситных нержавеющих сталей. Постоянное слагаемое представляет собой базовый уровень, из которого вычитаются указанные в табл. 4.3 весовые коэффициенты, умноженные на концентрацию конкретного легирующего элемента, а полученный результат является температурой начала мартенситного превращения в градусах Цельсия. Так, например, уравнение, предложенное в работе, имеет вид
Однако следует проявлять осторожность при использовании этого уравнения, поскольку для данного химического состава, согласно этим соотношениям, разница в прогнозируемой температуре может быть более 100 °C (180 °F). Поэтому рекомендуется выбирать более безопасно прогнозируемое значение. Например, выбор температуры предварительного подогрева следует осуществлять для наиболее высокого значения Ms. Если необходимо получить полное мартенситное превращение при охлаждении с температуры существования аустенитной фазы, то следует выбрать наименьшее значение Ms, так как температура конца мартенситного превращения Mf примерно на 100 °C (180 °F) ниже значения Ms.
У большинства мартенситных нержавеющих сталей (с содержанием углерода от 0,1 до 0,25 %) значение Ms высокое в интервале температур от 200 до 400 °C (от 390 до 750 °F). Поскольку значение Mf обычно ниже значения Ms примерно на 100 °C (180 °F), то мартенситное превращение полностью завершается при комнатной температуре. В высоколегированных сталях с содержанием никеля 4 % или более температура Mf может быть ниже комнатной, и в микроструктуре может остаться некоторое количество аустенита, что способствует повышению ударной вязкости металла.
На рис. 4.3 изображена микроструктура основного металла отпущенной катаной мартенситной нержавеющей стали. Микроструктура состоит в основном из феррита и карбидов, причем отпуск способствует формированию богатых хромом карбидов и/или переходу тетрагональной объемно-центрированной решетки (BCT) мартенсита в кубическую объемно-центрированную решетку феррита (ВСС).

Минимальные значения механических свойств нескольких мартенситных нержавеющих сталей в отожженном или отпущенном состоянии представлены в табл. 4.4.





Яндекс.Метрика