12.02.2018

Металлургически и механические особенности аустенитных сталей


Аустенитные нержавеющие стали имеют такой состав и подвергаются такой термомеханической обработке, что их первичной структурой является аустенит. В зависимости от соотношения элементов ферритизаторов и аустенизаторов структура катаного или литого металла либо полностью аустенитная, либо это смесь аустенита и феррита. Два примера микроструктуры катаной нержавеющей аустенитной стали приведены на рис. 6.1. В одном случае микроструктура состоит из равноосных зерен аустенита, в другом — некоторое количество остаточного высокотемпературного феррита (дельта-феррит) вытянуто по направлению прокатки. Этот феррит появился в результате сегрегации элементов-ферритизаторов (прежде всего — хрома) при кристаллизации и термомеханической обработке. Обычно объемная доля такого феррита незначительна (менее 2—3 %), она не рассматривается как опасная для большинства изготавливаемых конструкций, однако ее наличие в микроструктуре катаного металла может снизить пластичность и потенциальную ударную вязкость аустенитных нержавеющих сталей. Места залегания феррита могут являться зонами преимущественного выделения карбида хрома M23C6 и сигма-фазы, причем последняя охрупчивает нержавеющую сталь.
Превращения в аустенитных нержавеющих сталях могут быть описаны посредством псевдобинарной диаграммы системы Fe-Cr-Ni при содержании 70 % железа, как отмечено ранее. Эта диаграмма вновь приведена на рис. 6.2. Следует заметить, что первичная кристаллизация в аустенитных нержавеющих сталях может происходить как в аустенит или как в феррит. На тройной диаграмме граница раздела двух фаз примерно соответствует 18Cr-12Ni. При более высоких значениях соотношения хром/никель в результате первичной кристаллизации образуется дельта-феррит, а при более низких - аустенит. Следует обратить внимание на небольшую область в виде треугольника в температурном интервале кристаллизации, в которой существуют одновременно аустенит, феррит и жидкость. Сплавы, кристаллизующиеся как аустенит, расположенные левее этой области, имеют устойчивую аустенитную структуру при охлаждении вплоть до комнатных температур. Однако если стали кристаллизуются как феррит, то к концу кристаллизации они могут быть полностью ферритными либо представлять собой смесь феррита и аустенита. Вследствие наклона линии превращения феррита в аустенит основная масса или весь феррит превращается в аустенит при равновесных условиях охлаждения, что характерно для сплава 20Сr—10Ni, структура которого становится полностью аустенитной при охлаждении до температуры 1000 °C (1830 °F). При быстром охлаждении, характерном для условий сварки, превращение подавляется и в микроструктуре сохраняется некоторое количество феррита.
Влияние других легирующих элементов на фазовое равновесие аустенитных нержавеющих сталей может быть выявлено при использовании фазовых диаграмм, построенных с помощью термодинамического программного обеспечения, такого как ThermCalc. В качестве примера на рис. 6.3 показаны диаграммы для Fe-18Cr-10Ni-1, 5Mn-0,5Si-0,04N при переменном углероде и Fe-10Ni-1,5Мn-0,5Si-0,04C-0,04N при переменном хроме. Эти диаграммы очень схожи с диаграммами на рис. 2.5а, но дополнительно показывают условия выпадения карбидов и нитридов.
Различные выделения могут присутствовать в аустенитных нержавеющих сталях в зависимости от химического состава и характера термической обработки. Такие выделения, их структура и стехиометрический состав приведены в табл. 6.3. Карбиды практически присутствуют во всех аустенитных нержавеющих сталях, так как хром является сильным карбидообразователем. Добавки других карбидообразователей, в том числе молибдена, ниобия и титана, также способствуют образованию карбидов, механизм образования которых, включая влияние состава и температуры, весьма сложен. Вопросы карбидообразования наиболее полно изложены в работах.
Выделение карбидов M23C6 значительно влияет на коррозионную стойкость. Как показано на рис. 6.4, выделение этих карбидов происходит очень быстро вдоль границ зерен в интервале температуры от 700 до 900 °C (от 1290 до 1650 °F). При несколько более длительном времени выдержки присутствие по границам зерен карбидов может привести к межкристаллитной коррозии при нахождении стальных изделий в определенных средах. Такие реакции выделения ускоряются в сталях, подвергнутых холодной обработке.
В аустенитных нержавеющих сталях также могут образовываться различные фазы: сигма, хи, эта, G и Лавеса (см. табл. 6.3), особенно если стали содержат добавки молибдена, ниобия и титана. Как правило, эти фазы образуются при длительной выдержке при высокой температуре и приводят к охрупчиванию сталей. Пример влияния сигма-фазы на ударную вязкость сплавов системы Fe-Cr-Ni приведен на рис. 6.5. Следует отметить, что при содержании сигма-фазы менее 5 % ударная вязкость понижается более чем на 50 %.





Яндекс.Метрика