Аустенитная структура. Высоколегированных аустенитных сталей и сплавов. Сварка аустенитных нержавеющих сталей

Термическая обработка стали - это мощнейший механизм влияния на ее структуру и свойства. Он основывается на видоизменениях в зависимости от игры температур. В различных условиях в железоуглеродистом сплаве могут присутствовать феррит, перлит, цементит и аустенит. Последний играет основную роль во всех термических преобразованиях в стали.

Определение

Сталь - это сплав железа и углерода, в котором содержание карбона составляет до 2,14% теоретически, однако технологически применимая содержит его в количестве не более 1,3%. Соответственно, все структуры, которые образовываются в ней под влиянием внешних воздействий, также являются разновидностями сплавов.

Теория представляет их существование в 4 вариациях: твердый раствор проникновения, твердый раствор исключения, механическая смесь зерен или химическое соединение.

Аустенит - это твердый раствор проникновения атома углерода в гранецентрическую кубическую кристаллическую решетку железа, именуемую как γ. Атом карбона внедряется в полость γ-решетки железа. Его размеры превосходят соответствующие поры между атомами Fe, что объясняет ограниченность прохождения их сквозь «стенки» основной структуры. Образуется в процессах температурных превращений феррита и перлита при повышении тепла выше 727˚С.

Диаграмма железоуглеродистых сплавов

График, именуемый диаграммой состояния железо-цементит, построенный экспериментальным путем, представляет собой наглядную демонстрацию всех возможных вариантов преобразований в сталях и чугунах. Конкретные температурные значения для определенного количества углерода в сплаве образуют критические точки, в которых происходят важные структурные изменения в процессах нагревания или охлаждения, они же формируют критические линии.

Линия GSE, которая содержит точки Ac 3 и Ac m , отображает уровень растворимости карбона при повышении уровня тепла.

Особенности образования

Аустенит - это структура, которая формируется в процессе нагревания стали. При достижении критической температуры перлит и феррит образуют целостное вещество.

Варианты нагревания:

1. Равномерное, до достижения необходимого значения, непродолжительная выдержка, охлаждение. В зависимости от характеристик сплава, аустенит может быть как полностью сформирован, так и частично.
2. Медленное повышение температуры, длительный период поддержания достигнутого уровня теплоты с целью получения чистого аустенита.

Свойства полученного разогретого материала, а также того, который будет иметь место в результате охлаждения. Очень многое зависит от уровня достигнутого тепла. Важно не допустить перегрев или перепал.

Микроструктура и свойства

Каждой из фаз, характерных для железоуглеродистых сплавов, свойственно собственное строение решеток и зерен. Структура аустенита - пластинчатая, имеющая формы, близкие и к игольчатому виду, и к хлопьевидному. При полном растворении углерода в γ-железе, зерна имеют светлую форму без наличия темных цементитных включений.

Твердость составляет 170-220 НВ. Теплопроводность и электропроводность на порядок ниже, чем у феррита. Магнитные свойства отсутствуют.

Варианты охлаждения и его скорости приводят к образованию различных модификаций «холодного» состояния: мартенсита, бейнита, троостита, сорбита, перлита. Они имеют похожую игольчатую структуру, однако отличаются дисперсностью частиц, размером зерен и цементитных частиц.

Влияние охлаждения на аустенит

Распад аустенита происходит в тех же критических точках. Результативность его зависит от следующих факторов:

1. Скорость охлаждения. Влияет на характер углеродных включений, формирования зерен, образования итоговой микроструктуры и ее свойств. Зависит от среды, которая используется в качестве охладителя.
2. Наличие изотермической составляющей на одном из этапов распада - при понижении до определенного температурного уровня, поддерживается стабильное тепло некоторый период времени, после чего продолжается быстрое охлаждение, или же оно происходит вместе с нагревательным устройством (печью).

Таким образом, выделяют непрерывное и изотермическое превращения аустенита.

Особенности характера преобразований. Диаграмма

С-образный график, который отображает характер изменений микроструктуры металла во временном интервале, в зависимости от степени изменения температур - это диаграмма превращения аустенита. Реальное охлаждение непрерывно. Возможны лишь некоторые фазы принудительного удержания тепла. График описывает изотермические условия.

Характер может быть диффузионный и бездиффузионный.

При стандартных скоростях снижения тепла изменение аустенитного зерна происходит диффузионно. В зоне термодинамической неустойчивости атомы начинают перемещаться между собой. Те, которые не успевают внедриться в решетку железа, формируют цементитные включения. К ним присоединяются соседние частицы карбона, высвободившиеся из своих кристаллов. Цементит формируется на границах распадающихся зерен. Очищенные кристаллы феррита образовывают соответственные пластины. Формируется дисперсная структура - смесь зерен, размер и концентрация которых зависят от стремительности охлаждения и содержания карбона в сплаве. Образуется также перлит и его промежуточные фазы: сорбит, троостит, бейнит.

При значительных скоростях снижения температур распад аустенита не имеет диффузионного характера. Происходят комплексные искажения кристаллов, внутри которых все атомы одновременно смещаются в плоскости, не меняя расположения. Отсутствие диффузионности способствует зарождению мартенсита.

Влияние закалки на особенности распада аустенита. Мартенсит

Закалка - это вид термической обработки, суть которого заключается в быстром нагревании до высоких температур выше критических точек Ac 3 и Ac m , после чего следует быстрое охлаждение. Если снижение температуры происходит с помощью воды со скоростью больше 200˚С за секунду, то образуется твердая игольчатая фаза, имеющая название мартенсит.

Он являет собой пересыщенный твердый раствор проникновения карбона в железо с кристаллической решеткой типа α. Вследствие мощных перемещений атомов она искажается и формирует тетрагональную решетку, что и выступает причиной упрочнения. Сформированная структура имеет больший объем. В результате этого кристаллы, ограниченные плоскостью, сжимаются, зарождаются игольчатые пластины.

Мартенсит - прочный и очень твердый (700-750 НВ). Образуется исключительно в результате высокоскоростной закалки.

Закалка. Диффузионные структуры

Аустенит - это формирование, из которого могут быть искусственно произведены бейнит, троостит, сорбит и перлит. Если охлаждение закалки происходит на меньших скоростях, осуществляются диффузионные превращения, их механизм описан выше.

Троостит - это перлит, для которого характерна высокая Формируется при уменьшении тепла 100˚С за секунду. Большое количество мелких зерен феррита и цементита распределяется по всей плоскости. «Закаленному» свойственен цементит пластинчатой формы, а троостит, полученный в результате последующего отпуска, имеет зернистую визуализацию. Твердость - 600-650 НВ.

Бейнит - это промежуточная фаза, которая являет собой еще более дисперсную смесь кристаллов высокоуглеродистого феррита и цементита. По механическим и технологическим свойствам уступает мартенситу, но превышает троостит. Образуется в температурных интервалах, когда диффузия невозможна, а силы сжатия и перемещения кристаллической структуры для превращения в мартенситную - недостаточно.

Сорбит - крупнодисперсная иглообразная разновидность перлитных фаз при охлаждении со скоростью 10˚С за секунду. Механичесие свойства занимают промежуточное положение между перлитом и трооститом.

Перлит - это совокупность зерен феррита и цементита, которые могут быть зернистой или пластинчатой формы. Формируется в результате плавного распада аустенита со скоростью охлаждения 1˚С за секунду.

Бейтит и троостит - более относятся к закалочным структурам, тогда как сорбит и перлит могут формироваться и при отпуске, отжиге и нормализации, особенности которых определяют форму зерен и их размер.

Влияние отжига на особенности распада аустенита

Практически все виды отжига и нормализации основаны на взаимообратном превращении аустенита. Полный и неполный отжиг применяют к Детали нагревают в печи выше критических точек Ac 3 и Ас 1 соответственно. Для первого типа характерно наличие длительного периода выдержки, который обеспечивает полное преобразование: феррит-аустенит и перлит-аустенит. После чего следует медленное охлаждение заготовок в печи. На выходе получают мелкодисперсную смесь феррита и перлита, без внутренних напряжений, пластичную и прочную. Неполный отжиг менее энергоемкий, изменяет только строение перлита, оставляя феррит практически без изменений. Нормализация подразумевает более высокую скорость снижения температур, однако и более крупнозернистую и менее пластичную структуру на выходе. Для стальных сплавов с содержанием углерода от 0,8 до 1,3% при охлаждении в рамках нормализации происходит распад по направлению: аустенит-перлит и аустенит-цементит.

Еще одним видом термической обработки, который основан на структурных превращениях, является гомогенизация. Он применим для крупных деталей. Подразумевает абсолютное достижение аустенитного крупнозернистого состояния при температурах 1000-1200˚С и выдержку в печи в период до 15 часов. Изотермические процессы продолжаются медленным охлаждением, которое способствует выравниванию структур металла.

Изотермический отжиг

Каждый из перечисленных способов влияния на металл для упрощения понимания рассматривается как изотермическое превращение аустенита. Однако каждый из них лишь на определенном этапе имеет характерные особенности. В реальности же изменения происходят при стабильном снижении тепла, скорость которого определяет результат.

Один из способов, наиболее близкий к идеальным условиям, - изотермический отжиг. Его суть также состоит в нагреве и выдержке до полного распада всех структур в аустенит. Охлаждение реализовывается в несколько этапов, что способствует более медленному, более длительному и более термически стабильному его распаду.

1. Стремительное понижение температуры до значения на 100˚С ниже точки Ас 1 .
2. Принудительное удержание достигнутого значения (помещением в печь) длительное время до полного завершения процессов образования ферритно-перлитных фаз.
3. Охлаждение на спокойном воздухе.

Метод применим и для для которых характерно наличие остаточного аустенита в охлажденном состоянии.

Остаточный аустенит и аустенитные стали

Иногда возможен неполный распад, когда имеет место остаточный аустенит. Это может произойти в следующих ситуациях:

1. Слишком быстрое охлаждение, когда полный распад не происходит. Является структурной составляющей бейнита или мартенсита.
2. Сталь высокоуглеродистая или низколегированная, для которой усложнены процессы аустенитных дисперсных превращений. Требует применения особенных способов термообработки, как, к примеру, гомогенизация или изотермический отжиг.

Для высоколегированных - отсутствуют процессы описываемых преобразований. никелем, марганцем, хромом способствует формированию аустенита как основной прочной структуры, которая не требует дополнительных влияний. Аустенитные стали отличаются высокой прочностью, коррозионной стойкостью и жаростойкостью, жаропрочностью и устойчивостью к сложным агрессивным условиям работы.

Аустенит - это структура, без образования которой невозможно ни одно высокотемпературное нагревание стали и которая участвует практически во всех способах ее термической обработки с целью улучшения механических и технологических свойств.

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.

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:

1. ОЦК a-железо (объемно - центрированная - по одному атому располагается в 8-ми вершинах куба и 1 в центре).
2. 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:

1. химическая — окисление металла в таких средах, как газовая, водная, воздушная;
2. 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:

1. при t 1200 °С;
2. 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.

Аустенитные стали, обладая рядом особых свойств, применяются в тех рабочих средах, которые отличаются высокой агрессивностью. Такие сплавы незаменимы в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

1

К аустенитным относят сплавы с высоким уровнем легирования, которые при кристаллизации обычно образуют однофазную систему, характеризуемую кристаллической гранецентрированной решеткой. Такой тип решетки в описываемых сталях остается неизменным даже в тех случаях, когда металл охлаждается до очень низких температур, называемых криогенными (в районе -200 градусов Цельсия). В некоторых случаях стали аустенитного класса имеют и еще одну фазу (ее объем в сплаве может достигать десяти процентов) – феррита с высокой степенью легирования. В этом случае решетка является объемноцентрированной.

Разделение аустенитных сталей на две группы производится по составу их основы, а также по содержанию в сплаве легирующих компонентов – никеля и хрома:

1. Композиции на основе железа: содержание никеля – до 7 %, хрома – до 15 %, общее количество легирующих добавок – не более 55 %.
2. Композиции на никелевой (55 % и более никеля) и железоникелевой основе (в них содержится 65 и больше процентов никеля и железа, причем отношение первого ко второму составляет 1 к 1,5).

В таких сплавах никель увеличивает пластичность, жаропрочность и технологичность стали, а хром отвечает за придание ей требуемой коррозионной и жаростойкости. А добавляя другие легирующие компоненты, можно добиться уникальных свойств аустенитных составов, набор коих и обуславливает служебное предназначение того или иного сплава.

Чаще всего аустенитные стали легируются следующими элементами:

• Ферритизаторами, которые стабилизируют структура аустенита. К ним относят ванадий, вольфрам, ниобий, титан, кремний и молибден.
• Аустенитизаторами, коими являются азот, углерод и марганец.

Все указанные компоненты располагаются как в избыточных фазах, так и непосредственно в твердом стальном растворе.

По принятой классификации, учитывающей систему легирования, любая аустенитная сталь может быть причислена к хромомарганцевой либо к хромоникелевой. Кроме того, сплавы делят на хромоникельмарганцевые и хромоникельмолибденовые.

2

Разнообразие добавок позволяет создавать особые аустенитные стали, которые используются для изготовления деталей для конструкций, работающих в высокотемпературных, коррозионных и криогенных условиях. Исходя из этого, аустенитные составы и подразделяют на разные группы:

• коррозионностойкие;
• хладостойкие.

Жаростойкие составы не разрушаются при воздействии на них химической среды. Их можно применять при температурах до +1150 градусов. Из таких сталей изготавливают разнообразные слабонагруженные изделия:

• элементы газопроводных систем;
• арматуру для печного оборудования;
• нагревательные детали.

Жаропрочные марки сталей могут достаточно долго сопротивляться нагрузкам в высокотемпературных условиях, сохраняя при этом свои изначально высокие механические характеристики. Их обязательно легируют вольфрамом и молибденом (каждая из присадок может содержаться в стальной композиции в количестве до семи процентов). А для измельчения зерна в некоторые аустенитные сплавы вводят в небольших количествах бор.

Обозначим часто встречающиеся марки жаростойких и жаропрочных сталей описываемого в статье класса: Х15Н35ВТР, 10Х12Н20Т3Р, 40Х18Н25С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T, 08Х16Н9М2, 10Х15Н35ВТ, 20Х25Н20С2, 1Х15Н25М6А, 20X23H13, 10X15H18B4T, 10Х16Н14В2БР, 10X18H12T.

Аустенитные нержавеющие стали (то есть коррозионностойкие) характеризуются малым содержанием углерода (не допускается наличия свыше 0,12 процентов этого химического элемента). Никеля в них может быть от 8 до 30 %, а хрома от 12 до 18%. Любая аустенитная нержавеющая сталь проходит термическую обработку (отпуск, закалку или отжиг стали). Термообработка необходима для того, чтобы изделия из нержавейки хорошо "чувствовали" себя в разных агрессивных средах – в щелочных, газовых, жидкометаллических, кислотных при температурах от +20 градусов и больше.

Наиболее известны следующие марки аустенитных коррозионностойких сталей:

• хромоникельмолибденовые: 03Х21Н21М4ГБ, 08Х17Н15М3Т, 08X17Н13M2T, 03X16H15M3, 10Х17Н13М3Т;
• хромомарганцевые: 07Х21Г7AН5, 10X14AГ15, 10X14Г14H4T;
• хромоникелевые: 08Х18Н12Б, 03Х18Н11, 08X18H10T, 06X18Н11, 12X18H10T, 08X18H10;
• с большим содержанием кремния (от 3,8 до 6,7 %): 15Х18Н12C4Т10, 02Х8Н22С6.

Хладостойкие аустенитные композиции содержат 8–25 % никеля и 17–25 % хрома. Применяются они для криогенных аппаратов, имеют высокую стоимость производства, поэтому используются весьма ограниченно. Чаще всего встречаются криогенные стали 07Х13Н4АГ20 и 03Х20Н16АГ6, которые легируются азотом. Этот элемент вводят для того, чтобы сплав при температуре +20° имел более высокий предел текучести.

3

Наиболее распространенными считаются аустенитные хромоникелевые стали, которые имеют добавки молибдена. Их применяют тогда, когда есть риск образования щелевой либо питтинговой коррозии. Они демонстрируют высокую стойкость в восстановительных атмосферах, и делятся на два вида:

• нестабилизированные титаном с содержанием углерода не более 0,03 %;
• стабилизированные титаном с углеродом от 0,08 до 0,1 %.

Такие марки хромоникелевых композиций, как Х17Н13М2 и Х17Н13М3, оптимальны для конструкций, функционирующих в сернокислых средах, в уксусной десятипроцентной кислоте, в фосфорной кислоте в кипящем состоянии.

Хромоникелевые стали с добавлением ниобия или титана отличаются минимальной опасностью к образованию коррозии межкристаллитного типа. Ниобия вводят по сравнению с углеродом в 9–10 раз больше, а титана – в 4–5,5 раз больше. К сплавам с подобной возможностью относят следующие составы: 0Х18Н12Б, 0Х18Н10Т, Х18Н9Т и некоторые другие.

Увеличить коррозионную стойкость описываемых сталей также можно посредством введения в них кремния. Яркими представителями таких специальных композиций являются такие сплавы:

• 015Х14Н19С6Б;
• 03Х8Н22С6.

Они без преувеличения идеальны для производства химических сварных агрегатов, в которых хранится и перерабатывается азотная концентрированная кислота.

Хромомарганцевые стали типа 2Х18Н4ГЛ характеризуются высокими литейными характеристиками, поэтому их эксплуатируют на производствах, где применяются коррозионностойкие литые конструкции. Другие хромомарганцевые сплавы (например, 10Х13Г12Н2СА и 08Х12Г14Н4ЮМ) в горючих средах более стойки к коррозии, нежели хромоникелевые.

4

Жаропрочные и жаростойкие сплавы аустенитной группы подвергаются при необходимости разным видам термической обработки с целью увеличения своих свойств, а также для модификации имеющейся структуры зерна: число и принцип распределения дисперсных фаз, величина блоков и самого зерна и так далее.

Отжиг таких сталей применяется для уменьшения твердости сплавов (когда это требуется по условиям их эксплуатации) и устранения явления хрупкости. При подобной термической обработке металл нагревают до 1200–1250 градусов в течение 30–150 минут, а затем максимально быстро подвергают охлаждению. Сложные чаще всего охлаждают в масле либо на воздухе, а вот сплавы с малым количествам легирующих компонентов обычно погружают в воду.

Для сплавов типа ХН35ВТЮ и ХН70ВМТЮ рекомендуется термообработка в виде двойной закалки. Сначала выполняется первая нормализация их состава (при температуре около 1200 градусов), благодаря которой металл повышает показатель сопротивления ползучести за счет формирования твердой гомогенной фазы. А после этого осуществляется вторая нормализация с температурой не более 1100 градусов. Результатом описанной обработки является значительное увеличение пластических и жаропрочных показателей аустенитных сталей.

Аустенитная сталь повышает свою жаропрочность (а заодно и механическую прочность) в тех случаях, когда проходит двойную термообработку, заключающуюся в закалке и следующим за ней старении. Кроме того, практически все аустенитные металлы, которые относят к группе жаропрочных, искусственно старят перед эксплуатацией (то есть выполняют операцию их дисперсионного твердения).