Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

а < а0 2 ниже предела текучести. (Для усталостного разрушения сталей с углеродистым мартенситом - 30ХГСН2А, ВКС8, ВКС9 - достаточно напряжения всего в (0,45...0,49
...
Трещина зарождается в месте поверхностной перегрузки — от микропластических сдвигов близ царапин, рисок, надрезов. От разности сдвигов, совпадающих при нагружении и разгрузке не полностью, на поверхности металла появляется щель (или выступ) размерами в доли микрометра. Для одной из многих щелей случайные сдвиги за множество циклов нагружения сложатся так, что размер ее станет макроскопическим — появится трещина.
...
Далее тот же процесс повторяется уже в зоне перегрузки на кромке трещины. Перегрузку описывает интенсивность напряжений К{ - aVT,
...
испытание до 107 циклов задано всего лишь по возможности испытать за несколько суток образец, задавая частоту мотором от сети 50 Гц.
...
Расчеты конструкций на усталость исходят из испытаний двух типов. По ГОСТ испытывается в симметричном цикле (R
...
Более информативно испытание с непрерывным измерением длины трещины L: при постоянной нагрузке а интенсивность напряжений
...
~ aVX растет, так что испытание одного образца дает всю кривую (AL/AN) ~ (АК{)т (а попутно и величину К1с). Здесь легко реализуются и испытания при разной асимметрии цикла R.
...
Догадка «если прочнее вообще, то прочнее и при усталости» не подтвердилась. Поэтому испытание на усталость необходимо, и его схему желательно выбирать поближе к условиям нагружения в конструкции. (В том числе с учетом температуры и коррозионной агрессивности среды).
...
Комплекс требований. Все рассмотренные выше характеристики необходимы, не взаимозаменяемы и интуитивно учитываются при выборе материала. Но только две из них могут непосредственно входить в расчеты конструкции: a0 2 и К1с (и константы С и т закона усталости (AL/AN)
...
С ростом энергонапряженности конструкций изменилась психология конструктора. Появилась концепция безопасного разрушения: надо обеспечить не отсутствие всегда и любых трещин (что невозможно), а возможно больший допустимый (докритический) размер для них. Например, если перечисленные в табл. 5.4 высокопрочные стали будут работать при напряжении, близком к пределу усталости а_{,
...
вязкость разрушения К1с, но наиболее трудным считают получение высоких значений Klc, Klscc и a_j вместе.
...
Подразумевается также, что материал должен быть однородным в больших сечениях и изотропным — все эти характеристики одинаковы на образцах, вырезанных в любом направлении (например, вдоль и поперек оси вытяжки при ковке или прокатке) и в любом месте поковки. Иначе при сложном распределении напряжений в конструкции разрушение пройдет по слабой зоне «поперечного» нагружения.
...
Микроструктура. Уровень прочности и пластичности стали определен ее микроструктурой. При прочих равных условиях сочетание a0 2 - К1с лучше всех у пакетного мартенсита. Именно он — основа структуры всех высокопрочных сталей, применяемых в больших сечениях (т. е. без упрочнения пластической деформацией).
...
Во-первых, прочность мартенсита необычно высока в сравнении с остальными структурами в стали. Во-вторых, такую структуру можно получить одинаковой по всей толщине изделия, если легированием обеспечить сквозную прокаливаемость — на 100 % мартенсита при возможно медленном, «мягком» охлаждении — без термических напряжений, закалочных трещин или коробления детали. (Если же не получить 100% мартенсита после закалки, то остаток свободного феррита или перлита приведет к хладноломкости).
...
Прокаливаемость стали растет с содержанием легирующих элементов, а особенно углерода. Но при концентрациях > 0,4 % С пакетный мартенсит сменяется более хрупким двойникованным. И кроме того, углерод резко понижает свариваемость. Поэтому высокопрочные стали либо безуглеродистые, либо содержат не более 0,35...0,40 % С.
...
Субструктурное упрочнение. Одно исходное зерно аустенита при образовании из него мартенсита разбивается на несколько пакетов, упакованных из длинных и тонких (0,1... 1 мкм) переплетающихся кристаллов-реек с разной ориентировкой решетки. При росте реек граница фаз а/у испускает дислокации, и их плотность достигает р -Ю^.-.Ю12 см" ■
...
Границы реек и дислокации внутри реек — два равноправных фактора упрочнения. Вклад дислокаций Ао/Е
...
Сам по себе безутлеродистый мартенсит — не «рабочая» структура еще и потому, что его дислокационная структура неустойчива. Дислокаций так много, что их смещения только внутри рейки достаточно для деформации у ~ Ю-2 без упрочнения и даже с аннигиляцией дислокаций (при их встрече на границе реек). Поэтому упрочнение пакетного мартенсита в начале деформации слабое (показатель упрочнения л
...
Преодолеть это неотъемлемое свойство пакетного мартенсита за счет состава твердого раствора нельзя. Углерод как примесь внедрения сильно тормозит все дислокации. При его атомной доле сс < 2 • 10"2 концентрационное упрочнение К
...
Если примесь внедрения — сильное препятствие, то примеси замещения в сравнении с ней — слабое, «прозрачное» для дислокаций. Поэтому предел текучести, например, нелегированного и высоколегированного — до 31 % Ni — мартенсита при равном содержании углерода (сс > 1 • 10"3) не различается.
...
Упрочнение частицами. «Исправить» диаграмму деформации мартенсита а(е) — увеличить показатель упрочнения п — можно, вводя частицы второй фазы за счет распада твердого раствора.
...
На ранних стадиях распада решетка мелких выделений может быть хорошо сопряжена с решеткой железа. Тогда дислокации при движении их перерезают. Крупные несопряженные частицы не перерезаемы, и тогда скольжение идет только в матрице. В первом случае частицы вносят сопротивление движению дислокации Ао/Е ~ v, зависящее только от объемной доли частиц v. Во втором случае дислокации «продавливаются» в промежуток между частицами тем труднее, чем меньше расстояние между ними, пропорциональное их размеру d.
...
Другое отличие в том, что сопряженные, перерезаемые частицы действуют независимо от остальной структуры и поднимают всю диаграмму Деформации мартенсита о(е) равномерно. Если же частица не перерезаема, то всякая дислокация, обойдя ее вокруг, оставит около нее
...
Чтобы поднять только предел текучести, могут быть выгоднее частицы сопряженные, но чтобы поднять и показатель упрочнения п,
...
Мартенситные стали. Типы высокопрочных мартенситных сталей и различаются выбором упрочняющих частиц. Это могут быть карбиды железа типа Fe3C (№№ 1-4 в табл. 5.4), карбиды легирующих элементов (Мо2С; Сг23С6) или интерметаллиды — соединения легирующих элементов с железом (как Fe2Mo) или между собой (как NiAl).
...
Стали с углеродом подвергают низкому отпуску (200...300 °С), Прочность после отпуска сохраняется: хотя углерод ушел из раствора внедрения, упрочнение создали наночастицы карбидов. «Смягчение» наступит лишь с появлением и укрупнением равновесного карбида — цементита. Рекордные в этой группе - стали ВКС8 и ВКС9 (ВИАМ) [11]. Никель в них не только дает прокаливаемость, но и ослабляет хладноломкость. Остаточные (после закалки) карбиды не крупнее 0,1 мкм, и их всего 0,5 %. (Для сравнения в табл. 5.4 приведена инструментальная быстрорежущая сталь Р18: при том же содержании углерода в мартенсите в ней много карбидов крупнее 1 мкм — в результате вязкость разрушения К1с ниже в 5 раз.)
...
Интерметаллиды и специальные карбиды выделяются при отпуске около 500 °С. Типичная безуглеродистая мартенситно-стареющая сталь Н18К9М5Т упрочнена наночастицами интерметаллида Fe2Mo. Они перерезаемы, так что показатель упрочнения и после старения остается низким. Вязкость обеспечена тем, что углерод и азот связаны титаном в мелкие карбонитриды, а их остаток в растворе не дает деформационного старения из-за большого содержания никеля. Никель дает и прокаливаемость, а чтобы после закалки не оставалось аустенита, потребовалось много кобальта.
...
«Высший пилотаж» легирования — ввести в такие стали углерод и обеспечить при отпуске одновременное выделение наночастиц двух типов — интерметаллидов и карбидов. Одни перерезаются дислокациями, другие нет, и если изменять их пропорцию, можно при неизменно высоком пределе текучести регулировать показатель упрочнения и вязкость. Так, в стали 25Н12К10М6 (А. Г. Рахштадт и А. И. Плохих) получили рекордное для больших сечений сочетание прочности и вязкости (№ 7 в табл. 5.4) за счет интерметаллида Fe2Mo и карбида Мо2С. ДрУ" гой вариант - сталь без кобальта 25Х5Н11М2Ю (№ 6 в табл. 5.4), уп-
...
рочняемая интерметаллидом NiAl и карбидами Мо2С и Сг23С6 (А. Г. Рах-штадт и П.П.Андреев). Сбалансированное легирование таких сталей трудно: чтобы получать из раствора много интерметалл ид ов, нужно большое содержание никеля. Но несмотря на это, надо добиться полного превращения аустенита в пакетный мартенсит (например, трехкратной обработкой холодом).
...
Разрушение мартенсита. Обычный вид излома мартенсита — квазискол. Перед фронтом магистральной трещины происходит скол реек по плоскости (001), затем срезаются перемычки между фасетками скола. Работа G мала, так как сосредоточена в узком слое среза. Чем мельче зерно и пакет, тем тоньше рейки в нем, мельче фасетки скола в них, труднее их зарождение и слияние. Поэтому при очень мелком зерне (в несколько микрометров) сопротивление квазисколу оск настолько высокое, что становится возможен вязкий ямочный излом. Прежде чем напряжение оск будет достигнуто, от металла отслаиваются редкие инородные включения в нем (обычно 0,1...0,01 % оксидов, нитридов, силикатов, сульфидов в виде частиц размером 0,1...1 мкм). Металл течет около включения, образуя полость-пору. Перемычки между соседними порами в конце концов сужаются «в нож», и поры сливаются в «ямочный излом» — «естественный» вязкий излом с наибольшей возможной работой разрушения G.
...
Работу G задают при этом два параметра: напряжение массового рождения пор на включениях и деформация до их слияния. То и другое зависит от размеров включений сульфидов или карбонитридов и от расстояния между ними. Чем чище металл и чем мельче включения, тем больше вязкость.
...
В поковках и прокате сульфиды вытянуты, отчего и работа разрушения анизотропна. Хотя для стали ВКС9 при ов > 2000 МПа считают приемлемым по 0,005 % S и Р, но даже при содержании 0,002 % S вязкость разрушения высокопрочной стали с 0,4 % С «поперек волокна» на 16% ниже, чем вдоль. Когда после очистки до 0,0008 % S она выросла с АГ1с=51 МПаТм" до К[с
...
Используют два приема: снижают общее содержание серы и «округляют» и измельчают сульфиды модифицированием, заменяя MnS недефор-мируемыми тугоплавкими CeS, LaS, MgS.
...
Зернограничное разрушение. По мере того как пакет мартенсита становится более вязким, путь разрушения может перейти на границы зерна исходного аустенита. Они ослаблены заранее моноатомным сло-
...
ем фосфора, собирающимся еще при нагреве под закалку, около 850 °С. Обогащение границ фосфором доходит до 2...3 порядков, а для разрушения достаточно 3 % (ат.) Р в моноатомном слое. Поэтому обычная (в ГОСТ 4543) норма < 0,025 % Р для высокопрочной стали неприемлема.
...
Разрушение по границе начнется, когда концентрация напряжений у границы достигнет некоторого критического уровня озг, зависящего от содержания фосфора на ней.
...
Величина ударной вязкости складывается из работы пластического изгиба образца и собственно разрушения. Сопротивление пластическому течению о(7)
...
Для выделения интерметаллидов нужен более высокий отпуск - около 500 °С. При этой температуре аналогичные сегрегации и зернограничное охрупчивание дают также сурьма и олово (при их концентрации в стали ~10"3 %). Поэтому высокопрочные стали должны быть чистые и мелкозернистые. Им нужны микродобавки сильных карбидо-образователей, чтобы наночастицы (10...100нм) карбонитридов (TiC, NbC, VC), устойчивые при температуре растворения интерметаллида, воспрепятствовали росту зерна аустенита.
...
Действие фосфора и сурьмы отчасти нейтрализуется молибденом, который замедляет их сегрегацию, образуя трудноподвижные пары атомов Мо—Р. Но молибден уйдет из твердого раствора, если образует собственный карбид Мо2С. Фосфор связывают также в нерастворимый фосфид редкоземельными элементами. Наилучшей мерой против зернограничной хрупкости стали 25Н12К10М6 оказалось введение в хорошо раскисленный расплав комплекса: 0,07 % Се, 0,05 % Mg, 0,03 % Nb, 0,005 % В.
...
Необратимую отпускную хрупкость после отпуска при 350 °С вызывает и разрушение по границам реек, где от распада прослоек остаточного аустенита выпадают ленты цементита. Аналогичное явление в безуглеродистых мартенситно-стареющих сталях — хрупкость от «перестарения», когда по границам реек частицы интерметаллида укрупняются.
...
Выплавка. Высокопрочные стали получают обычно переплавными процессами: электрошлаковым (ЭШП), вакуумно-индукиионным (ВИ), вакуумно-дуговым (ВДП), электроннолучевым (ЭЛП). Используют двойной переплав: ВИ + ВДП, ВДП + ЭЛП. При этом ЭШП удаляет серу, но
...
не меняет содержание фосфора и может даже увеличивать содержание водорода (при отсыревшем шлаке) и азота. Высокотемпературные вакуумные процессы отчасти испаряют фосфор.
...
Выплавка должна обеспечивать низкое содержание водорода. Вязкость разрушения К1с мартенситно-стареющей стали от ввода 2-1СГ4%
...
Для крупных поковок важны условия кристаллизации. Следует подавлять дендритную ликвацию, так как отклонения состава от оптимума в любую сторону порождают нежелательные структуры. Так, обусловленные ликвацией 5 % феррита в стали ВКС9 дают площадки скола, чем заметно снижают вязкость разрушения.
...
Остаточный аустенит. После закалки всегда (а после низкого отпуска часто) кроме мартенсита в структуре есть остаточный аустенит. Это мягкий ГЦК раствор Fey— С. Пониманию его роли и целенаправленному использованию мешает то, что одновременно есть два структурных типа остаточного аустенита, которые по-разному ведут себя при отпуске, охлаждении и под нагрузкой.
...
Если остаточный аустенит при деформации стабилен, он понижает предел текучести. Зерна остаточного аустенита размером 2...6
...
может и повышаться. А поскольку стабильность аустенита при деформации зависит и от температуры, возможно противоположное его влияние при разных температурах испытания.
...
Сведения о влиянии аустенита на вязкость разрушения противоречивы, потому что обычно не изучена «его судьба» при деформации. Прослойки стабильного аустенита повышали вязкость разрушения сталей с кремнием. Но 5%
...
По сходной причине не может быть однозначного вывода о пользе или вреде появления после закалки бейнита. Сам по себе он несколько мягче отпущенного мартенсита, но при его образовании углерод частично оттесняется в исходный аустенит. Из такого аустенита далее при закалке может получиться высокоуглеродистый (хрупкий) мартенсит, а может и остаться достаточно стабильный аустенит. Если он не распадется ни при отпуске, ни под нагрузкой, вязкость будет выше, а если превратится в мартенсит — станет фактором охрупчивания. Разные температура и время образования бейнита меняют исход.
...
Ступенчатая закалка стали ВКС9 на 10...30 % бейнита ухудшала только пластичность поперечных образцов (не меняя иных свойств), но при 36 % бейнита вязкий излом сменился квазисколом (возможно, по высокоуглеродистому мартенситу) [11].
...
Перспективы. Для крупных поковок практически исключено упрочнение и холодной, и горячей пластической деформацией (термомеханической обработкой). Поэтому они не могут сравняться с проволокой, где волочением достигается в тонких сечениях прочность до 4500 МПа (для углеродистых сталей — при структуре тонкого перлита, а для безуглеродистых — за счет мартенситного превращения при деформации) [14].
...
Любые структурные решения будут эффективны лишь при высоком уровне металлургической технологии: чистой шихте; последовательной защите от водорода; точно дозированном по фактическому составу расплава вводе раскислителей, модификаторов и микролегирующих; условиях кристаллизации, подавляющих дендритную ликвацию, пористость и последующую строчечность структуры и включений.
...
На каждом пути есть жесткие ограничения «прочность ценой пластичности». Предвидимые варианты их обхода: «выпрямление» диаграм-
...
мы деформации за счет сочетания упрочнения наночастицами карбидов и интерметалл ид ов; целенаправленное управление стабильностью остаточного аустенита для «укрепления» пакета вязкими прослойками; измельчение зерна микролегированием; защита его границ за счет чистой исходной шихты и модифицирования расплава; выявление и обеспечение оптимального размера и распределения неметаллических включений. При этом нет уверенности в том, что на пути к более высокой конструктивной прочности стандартных характеристик свойств и структуры будет достаточно для объективного выбора варианта, наилучшего в конструкции. Продвижение потребует развития методов механических испытаний и измерений структуры и изломов.
...
Уже в XVIII в. было известно, что хром практически не растворяется в кислотах и что коррозионная стойкость его обусловлена так называемым пассивирующим слоем, который образуется на поверхности металла при воздействии окислительной среды. Гипотеза, объясняющая пассивность металла, была предложена в 1907 г. В. А. Кистяковским, который, изучая степень устойчивости железа в химических реагентах, обнаружил, что на поверхности железа образуется тонкая невидимая стекловидная пленка оксида железа, которая и защищает металл от коррозионного воздействия той или иной среды.
...
В 1910 г. сотрудники фирмы «Крупп» В. Борхерс и Ф. Моннартц получили обезуглероженные сплавы системы Fe—Сг, обладавшие повышенной коррозионной стойкостью в вод о-воздушной среде, которые, в принципе, могли стать основой для создания промышленных нержавеющих сталей ферритного класса. Тогда же Ф. Моннартц установил минимальное содержание в железе хрома (12 %), начиная с которого появляется пассивация, т. е. образование на поверхности стали тонкого оксидного слоя, который и защищает металл от воздействия среды. Толщина этого слоя составляет 20...30 А, т.е. несколько межатомных расстояний.
...
Датой изобретения широко применяемых коррозионностойких сталей типа 18-8 принято считать 1912 г., когда после многолетних опытов сотрудники фирмы «Крупп» Б. Штраус и Э. Маурер разработали состав стали с оптимальными содержаниями хрома 17... 18% и никеля 8...9 % в железе. Отметим, что появление нержавеющих сталей произошло почти одновременно в четырех странах: Германии, Англии, США и Франции.
...
За 90 лет существования нержавеющие стали превратились в основной конструкционный материал для многих отраслей промышленности Ряд технологий в химическом производстве, в целлюлозно-бумажной промышленности, атомной энергетике, в авиационном моторостроении и в других отраслях промышленности без использования нержавеющей стали просто неосуществим. В настоящее время коррозионностойкой стали в мире производится 17 млн.т, в России — около 85 000 т.
...
Широкое использование нержавеющих сталей предъявляет к ним множество особых требований. Одни должны быть особо твердыми, другие — очень пластичными, третьи — немагнитными. Поэтому потребовалась стандартизация и классификация нержавеющих сталей. -В России основным техническим классификатором стал ГОСТ 5632, в зарубежных странах появились свои стандарты: AISI и ASTM в США, DIN в ФРГ, BS в Великобритании, AFNOR во Франции, SIS в Швеции, SUS в Японии и т. д. По ГОСТ 5632 коррозионностойкие стали и сплавы классифицируются по восьми классам.
...
Стали мартенситного класса содержат обычно 13...18% хрома и 0,2...1,1 % углерода. При охлаждении от высоких температур стали претерпевают фазовое ос—>у—>ос-превращение, т. е. стали этого типа могут принимать закалку, и в их структуре формируется мартенситная (плюс карбиды) структура с очень высокой твердостью HRC > 40...55, но с весьма низкими значениями пластичности и ударной вязкости. Служебные свойства этих сталей получают закалкой с последующим отпуском. Если мартенситную сталь необходимо разупрочнить для придания ей формы конкретной детали, она подвергается отжигу или высокому отпуску. После придания стальной заготовке формы готовой детали, последняя вновь закаливается и отпускается для получения комплекса служебных свойств.
...
Механические свойства сталей мартенситного класса после закалки с 1010...1050 °С: ав = 650...2000 Н/мм2, о0 2 = 440...2000 Н/мм2, 55 = 2...1б%, у = 10...55 % [15]. Таким образом, нержавеющие стали мартенситного класса после закалки и отпуска характеризуются высокой твердостью, низкими значениями пластичности и свариваемости; их нельзя подвергать гибочным операциям в холодном состоянии.
...
Стали мартенситного класса (Fe-13Cr) используются для изделий, работающих в слабоагрессивных средах, клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода и др. Из них изготавливают режущий, мерительный и хирургический инструмент, пружины, карбюраторные иглы, пластины клапанных компрессоров. Из стали системы Fe—l8Cr
...
изготавливают шарикоподшипники высокой твердости для нефтяного оборудования, материал для ножей, износостойкие детали машин и т. п.
...
С целью улучшения комплекса пластических и вязких свойств в сталях этого типа снижают содержание углерода до 0,08...0,12% и добавляют небольшое количество (до 2 %) никеля с одновременным повышением содержания хрома до «17%. При таком соотношении компонентов в стали формируется смешанная мартенсито-ферритная структура. Стали на такой основе 08X13—12X13, 14Х17Н2 и другие относят к сталям мартенсито-ферритного класса. По сравнению со сталями мартенситного класса они обладают меньшей твердостью, более пластичны и удовлетворительно свариваются.
...
В общем случае для сталей системы Fe-13Cr характерна пониженная стойкость к коррозионному растрескиванию и точечной коррозии в средах, содержащих ионы хлора. Все стали мартенситного и мартенсито-ферритного класса ферромагнитны и сохраняют магнитность после термической обработки.
...
Хромистые стали ферритного класса. Существенное повышение коррозионной стойкости в хромистых сталях достигается при повышении содержания хрома до 17 % и более. Стали на основе Fe— 17...28Сг объединены в аЬерритный класс. Почти все стали ферритного класса являются однофазными при нагреве и охлаждении, т. е. не имеют фазовых превращений, и по этой причине не могут быть упрочнены термической обработкой. Присадка в ферритные стали титана — сильного фер-ритообразующего элемента, обычно в количестве не менее 5 % Ti, способствует стабилизации в структуре а-фазы (феррита), снижает склонность к росту зерна при нагреве стали под горячую деформацию, улучшает условия свариваемости за счет того, что титан тормозит рост зерна в околошовной зоне. Стали ферритного класса — это вторая по объемам производства и использованию группа сталей после аустенит-ных хромоникелевых. Объемы производства сталей этого класса оцениваются в 25...30 % от общего мирового производства коррозионностой-ких сталей.
...
Наиболее распространенными марками ферритных сталей являются: 08Х17Т, 08Х18Т1, 08Х18Т, 15Х25Т, 15X28. Последние две марки используются и как жаростойкие стали для работы при температурах До 1050... 1ЮО °С. Все стали ферритного класса не содержат в своем составе дорогостоящего никеля, что является их несомненным преимуществом. В то же время главный недостаток ферритных сталей — повышенная хрупкость при комнатных (+20 °С) и отрицательных температу-
...
pax — существенно сдерживает их более широкое применение. По этой причине стали данного класса не рекомендуется использовать в конструкциях, где имеются ударные виды нагружения, хотя современными технологическими приемами в сталях с 17... 18 % хрома достигается комплекс механических свойств, позволяющий во многих случаях проводить полноценную замену дорогостоящих, но сохраняющих вязкость при отрицательных температурах хромоникелевых сталей.
...
Из сталей ферритного класса (Fe—18Сг) изготавливают предметы домашнего обихода и кухонной утвари, оборудование заводов пищевой и легкой промышленности, системы выхлопных газов автомобилей и др. Стали (Fe—25...28Сг) используются для сварных конструкций, работающих при температурах не ниже -20 °С без ударных нагрузок; для деталей печной арматуры с рабочей температурой до 1000 °С: чехлы термопар, трубы пиролизных установок, теплообменников; как коррозионно-стойкий материал при температурах эксплуатации до 300...350°С для сред окислительного характера; для оборудования по производству каустической соды и др.
...
Суперферриты. Примерно в середине прошлого века в металлургии интенсивно внедрялась внепечная обработка металла, в частности, вакуумная, которая позволяла эффективно очищать металл от углерода, кислорода и азота. Эти элементы во многом ответственны за загрязнение стали неметаллическими включениями и за склонность высокохромистых сталей к хладноломкости. По мере внедрения и развития в металлургии вакуумных технологий появилась возможность для разработки ферритных сталей с суммарным содержанием углерода и азота < 0,02 %. В этих условиях в сталях не возникает склонность к межкристаллитной коррозии (рис. 5.4). Такие стали получили название суперферритов. В России был разработан и освоен промышленностью ряд марок таких сталей с содержанием 18 и 25 % хрома, 0,1 % углерода, 0,15...0,35 % Ti. Некоторые марки стали выпускаются с добавками 1,5...2,8%
...
Коррозионные свойства суперферритов, особенно стойкость к коррозионному растрескиванию, значительно выше свойств, которые показывают в тех же условиях хромоникелевые аустенитные стали типа 18-Ю и железоникелевые сплавы типа 06ХН28МДТ (рис. 5.5).
...
Стали аустенитного класса. Выше было отмечено, что все хромистые нержавеющие стали ферромагнитны и склонны к хрупкости при от-
...
ршгательных температурах. По этой причине в ряде конструкций стали этого типа не могут быть использованы. В этих случаях используют стали аустенитного класса, которые свободны от недостатков хромистых сталей.
...
общего производства нержавеющих сталей. Из этого количества львиная доля приходится на стали, за которыми в мировой практике закрепилось общее наименование стали типа 18-10, содержащие 18 % хрома и 10 % никеля. Кроме указанных элементов, стали могут содержать молибден, титан, ниобий и другие элементы, придающие сталям специфические и специальные свойства. Все стали аустенитного класса практически немагнитны при комнатной температуре, имеют однофазную структуру, поэтому не могут быть упрочнены закалкой. Для этих ста-
...
Рис 5.5. Сравнительные данные по устойчивости различных типов нержавеющих сталей к коррозионному растрескиванию
...
лей операция закалки (нагрев до 1000...1050 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде) является разупрочняющим видом термообработки.
...
Хромоникелевые стали аустенитного класса типа 18-10 при определенных температурно-временных условиях могут претерпевать фазовые превращения, в которых происходит:
...
— превращение аустенита в ос-фазу мартенситного типа при достаточно глубоком (порядка минус 150...200°С) охлаждении или при совместном воздействии низких температур и пластической деформации.
...
С первым из перечисленных фазовых превращений связывают появление в сталях типа 18-10 склонности к межкристаллитной коррозии (МКК) — наиболее опасного вида коррозионного разрушения. Температурный интервал 500...800°С — тот интервал, пребывания стали в котором следует избегать. Температурно-временные условия появления склонности стали к МКК в первую очередь определяются содержанием углерода, находящимся в твердом растворе. Например, сталь Х18Н12 при содержании 0,084 % С приобретает склонность к МКК уже при выдержке в интервале 750...800°С в течение 1 мин, при содержании 0,054% С минимальное время для возникновения склонности к МКК составляет 10 мин, а при 0,021 % С — более 100 мин. При этом, чем меньше в
...
стали содержание углерода, тем при более низкой температуре сталь будет приобретать склонность к ММК (рис. 5.6). Понятно, что эти рассуждения актуальны прежде всего для случаев, когда сталь подвергается сварочным операциям. Считается, что склонность к МКК в стали не возникает при содержании углерода < 0,03 %. Тем не менее снижение углерода до содержаний 0,012 и даже до 0,006 % не гарантирует полной стойкости стали к МКК. Существует интервал температур 500...550°С, пребывание в котором в течение 104...105 мин вызывает в стали, содержащей всего 0,006 % углерода, склонность к МКК, и поэтому представляет опасность в работе. Чтобы избавиться от возникновения в хромо-никелевой стали склонности к МКК, в нее вводят сильный карбидооб-разующий элемент, обычно это титан, реже ниобий. Образуя при высоких температурах карбиды TiC или NbC, сталь приобретает стойкость к МКК, в том числе после провоцирующих нагревов. При введении в сталь указанных элементов карбид Сг23С6, ответственный за возникновение в стали склонности к МКК, не образуется. В соответствии с этим стали, в составе которых отсутствуют карбидообразующие элементы, например стали 08Х18Н10, 03...05Х18Н10, 17Х18Н9, называются нестабилизированными; стали, содержащие в своем составе карбидообразующие элементы, называют стабилизированными: 08...12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т и др.
...
При втором фазовом превращении — образовании при высоких температурах в аустенитной основе 5-феррита — стараются управлять как составом стали, так и технологическими приемами. При наличии в стали 5-феррита в количествах 5...10% улучшается свариваемость стали; при содержаниях 5-феррита более 15...20% ухудшается обрабатываемость стали давлением при горячей деформации: ковке, прокатке и т. д. Управляют количеством образующегося в стали 5-феррита с помощью регулирования соотношением ферритообразующих (хрома, титана, молибдена, кремния и др.) и аустенитообразующих (углерода, азота, никеля, марганца, меди и др.) элементов. Для этого используют известную диаграмму Шеффлера (рис. 5.7).
...
Количество 5-феррита в сталях в промышленных условиях контролируют чаще всего на литых пробах с помощью ферритометров различной конструкции и оценивают в баллах. Зависимость баллов и процентов 5-феррита в стали с достаточной для практики точностью определяется следующими соотношениями:
...
Наконец, третье возможное фазовое превращение в аустенитньгх хро-моникелевых сталях — образование а-фазы мартенситного типа, наблюдается в очень специфичных условиях раздельного или совместного воздействия холодной деформации и низких температур. Так, в сталях 03X18Н8 и 03Х18Н10 а-мартенсит образуется при охлаждении до -60 и -196 °С, а в стали 03Х18Н12 при -250 °С.
...
Металлопрокат из аустенитных нержавеющих сталей, как было отмечено выше, — наиболее распространенный вид металлопродукции из высоколегированных сталей, применяемый практически во всех областях промышленности и строительства. Такая востребованность аустенитных хромоникелевых сталей обусловлена уникальным комплексом физико-механических и коррозионных свойств. Стали этого класса парамагнитны, имеют только им присущее сочетание прочности, пластичности, вязкости вплоть до водородных (-253 °С) и гелиевых (-269 °С) температур, свариваемости, коррозионной стойкости во многих средах окислительного характера. Эти стали широко используются для сварных конструкций различного назначения в химической, пищевой и других отраслях промышленности и машиностроении.
...
Хромоникельмолибденовые стали. С целью дальнейшего повышения коррозионной стойкости хромоникелевых сталей для работы в средах
...
повышенной агрессивности, например в производстве фосфорной и уксусной кислот, а также в средах, содержащих ионы хлора, в них стали вводить молибден в количествах от 2 до 6 % при сохранении хрома на уровне 16...18% и увеличении содержания никеля до 13...16 %. Повышение содержания никеля в сталях этого типа обусловлено, в основном, необходимостью компенсировать ферритообразующее действие молибдена, чтобы в
...
Аустенитньгх хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей типа 18-10 и 17-13-3 в стандартах промышленно развитых государств достаточно много. Они имеют весьма широкий спектр применения. В частности, стали типа Fe— 17Cr-10Ni-3Mo-Ti (ЭИ448) широко используют для сварных конструкций, работающих в кипящих фосфорной кислоте, 10%-ной серной, уксуснокислой кислоте, в производстве мочевины и других средах повышенной агрессивности.
...
Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали. Стремление сохранить комплекс свойств хромоникелевых аустенитньгх сталей и одновременно удешевить их посредством уменьшения в составе дорогостоящего никеля привело к созданию группы хромоникельмарганцевых и хромо-марганцевых аустенитньгх сталей, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.
...
Стали группы Сг—Mn—N в средах слабой агрессивности могут достаточно эффективно заменять хромоникелевые стали. Марганецсодержащие аустенитные стали имеют более высокий предел текучести при комнатной температуре при сохранении пластичности на уровне или даже несколько выше хромоникелевых сталей. Наиболее применимы из указанной группы стали 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 07Х21Г7АН5 (ЭП222), ЮХ14АГ15 (ДИ13), 10Х13Г18Д (ДИ61).
...
Таким образом, марганцовистые аустенитные нержавеющие стали имеют более высокий предел текучести при комнатных температурах, чем хромоникелевые стали. Термическая обработка этих сталей идентична хромоникелевым, но марганцевый аустенит имеет существенные отличия от хромоникелевого прежде всего по характеру протекания карбидной реакции при нагреве в интервале 500...800°С. Основной избыточной фазой, выделяющейся в хромомарганцевых сталях, в том числе
...
сталях с азотом, является карбид Сг23С6, в то время как в хромоникелевых сталях наряду с карбидом Сг23С6 выделяются карбиды типа МеС (TiC, NbC) в зависимости от легирования.
...
Несмотря на, казалось бы, более предпочтительный комплекс свойств нержавеющих сталей с марганцем по сравнению с хромоникелевыми сталями, первые не получили развития главным образом по причине неудовлетворительной стойкости их в хлорсодержащих средах, в частности, в морской воде.
...
Стали аустенито-ферритного класса. Дальнейшее развитие экономичных нержавеющих сталей привело в середине XX в. к созданию двухфазных сталей аустенито-ферритного класса, в иностранной литературе «дуплекс-стали», которые демонстрируют свойства, присущие аустенит-ным и ферритным сталям в отдельности. Название сталей этого класса подсказывает, что при комнатных температурах структура их состоит из аустенита и феррита обычно в соотношении, близком к единице. Аус-тенито-ферритные стали в отличие от аустенитных и ферритных характеризуются более высокими прочностью (предел текучести их выше в 1,5—2 раза), стойкостью к МКК, стойкостью против коррозионного растрескивания под напряжением в хлоридных и щелочных средах. Существует три поколения аустенито-ферритных сталей: к первому поколению относятся стали, содержащие < 0,12% углерода и стабилизированные титаном, это стали 08Х22Н6 (ЭП53), 08Х21Н6М2Т (ЭП54); ко второму поколению относятся стали, содержащие < 0,03 % С без стабилизирующих элементов, это стали 03Х23Н6 (ЗИ68), 03Х22Н6М2 (ЗИ67); к третьему поколению относятся стали с < 0,03 % С без стабилизирующих элементов, но дополнительно легированные азотом до 0,35 %. Наилучшим комплексом свойств обладают стали третьего поколения, из которых наиболее перспективна сталь 03Х24Н6АМЗ (ЗИ130). Так, в растворах серной кислоты сталь 03Х24Н6АМЗ имеет более высокую коррозионную стойкость, чем сталь 10Х17Н13М2Т (ЭИ448), которая содержит 13 % никеля, и не уступает сплаву на железоникелевой основе 06ХН28МДТ (ЭИ943), содержащему 28 % никеля. Сталь 03Х24Н6АМЗ хорошо противостоит питтинговой коррозии: в растворе 6%-ного FeCl3 скорость коррозии составляет < 0,1 г/м2-ч и близка к скорости коррозии высоконикелевого сплава ХН30МДБ; сталь устойчива против сероводородного коррозионного растрескивания при нагрузке 0,9ои2 и базе испытаний 720 ч в стандартном растворе 5%-ного NaCl, насыщенном сероводородом и подкисленном уксусной кислотой до рН 2,9...3,0; наконец, сталь целесообразно применять для работы в серно-, фосфорно- и
...
Структурные превращения в аустенито-ферритных сталях достаточно сложны, что определяется наличием двух составляющих с разным типом кристаллических решеток и разной скоростью диффузии в них легирующих элементов.
...
Железоникелевые сплавы. Для работы оборудования при производстве крепких кислот различных концентраций, сложных минеральных удобрений, целлюлозы и в других средах повышенной агрессивности комплекса физико-механических и коррозионных свойств коррозионностой-ких сталей бывает недостаточно. В таких случаях приходится использовать сплавы на железоникелевой и никелевой основах, которых в мире и в России создано достаточно много. Под сплавами на железоникелевой основе принято понимать сплавы железа с никелем, в которых сумма никеля и железа составляет > 65 % при приблизительном соотношении железа к никелю, равном 1,5. Сплавы на основе никеля — это никель, легированный различными элементами: хромом, молибденом, ниобием, вольфрамом, ванадием и другими элементами. Существуют в промышленности условия, в которых никакой другой конструкционный материал, кроме никелевых сплавов, не может обеспечить нормальное течение технологического процесса.
...
К группе отечественных сплавов на железоникелевой основе относятся сплавы 06ХН28МДТ (ЭИ943), 03ХН28МДТ (ЭП516), ХНЗОМДБ (ЭК77), ХН40МДБ (ЭП937), ХН40МДТЮ (ЭП543) и др.
...
Сплавы ЭИ943 и ЭП516 характеризуются одинаковой стойкостью к общей коррозии в серной кислоте при более высокой стойкости к МКК сплава ЭП516 за счет пониженного содержания углерода (< 0,03 %).
...
Сплав ЭК77 разработан для работы в растворах серной и фосфорной кислот, загрязненных хлоридами и фторидами, в производстве минеральных и органических кислот, т. е. в условиях, для которых коррозионная стойкость сплавов ЭИ943 и ЭП516 недостаточна. Сплав стоек против питтинговой и щелевой коррозии, пригоден для работы в сероводород-содержащих средах.
...
Сплав ХН40МДБ (ЭП937), которому соответствуют зарубежные сплавы Nicrofer 4823hMo, Inco alloy G-3, Incoloy 825 и другие, обладает исключительно высокой стойкостью к точечной и язвенной видам коррозии, коррозионному растрескиванию в хлоридах и сероводородсодержа-Щих средах. Сплав весьма стоек в растворах серной кислоты (при концентрациях до 60 % и температуре 80 °С), в кипящих растворах азот-
...
Сплав ХН40МДТЮ (ЭП543) относится к категории дисперсионно-твердеющих материалов, в которых комплекс служебных свойств достигается после закалки от 1050... 1100 °С и последующего старения при 750 °С. Сплав применяется для тяжелонагруженных узлов подземного скважинного оборудования, работающего на сероводородсодержащих месторождениях.
...
Сплавы на основе никеля. Для экстремальных условий эксплуатации, когда на металл одновременно воздействуют среды высокой агрессивности, высокие температуры и давления, комплекса физико-механических и коррозионных свойств железоникелевых сплавов бывает недостаточно. В этом случае применяют довольно дорогостоящие никелевые сплавы, в которых железо может присутствовать в незначительных количествах. Никель обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, способностью растворять в большом количестве многие элементы, такие как хром, молибден, железо, медь, которые являются основными легирующими элементами коррозионностойких никелевых сплавов.
...
— никельмолибденовые сплавы марок Н65М-ВИ (ЭП982-ВИ), Н70МФВ-ВИ (ЭП814А-ВИ) и их зарубежные аналоги Hastelloy В-2, Nimofer S6928, имеющие исключительно высокую стойкость в средах неокислительного характера — в соляной, фосфорной, серной кислотах, влажном хлористом водороде, органических кислотах при повышенных температурах;
...
— никельхромомолибденовые сплавы марок ХН63МБ (ЭП758У), ХН65МВУ (ЭП760) и их зарубежные аналоги Hastelloy С-276, Hastelloy С-22, обладающие высокой коррозионной стойкостью в широкой гамме высокоагрессивных сред окислительного и восстановительного характера, в водных растворах хлоридов меди (до 20 %) и железа (до 35 %), растворах серной, фосфорной, уксусной и муравьиной кислот, загрязненных ионами хлора и фтора, в сухом хлоре, мокром хлористоводородном газе, в кремнефтористоводородной кислоте и в других агрессивных средах;
...
— никельхромовые сплавы марок ХН58В (ЭП795) и зарубежный аналог Nicrofer 6030, имеющие высокую стойкость в растворах азотной кислоты в присутствии фтор-иона при высоких температурах. Никеле-
...
Необходимо отметить, что сравнительные испытания отечественных сплавов на основе никеля Н65М-ВИ, ХН65МВ, ХН63МБ с зарубежными (Крупп ВДМ) сплавами близкого состава Hastelloy В-2, Nimofer S6928, Hastelloy С-276, Hastelloy С-22, Nicrofer 5715hMoW, Nicrofer 5923hMo, проведенные в ЦНИИЧМ и НИИхиммаше, показали, что первые не уступали, а в ряде случаев превосходили последние по комплексу эксплуатационных свойств.
...
Задачи, стоящие перед металлургами всех стран в плане улучшения свойств коррозионностойких сталей и сплавов, сводятся к оптимизации легирования, к общему повышению качества металлопродукции, к снижению издержек производства. За счет оптимального легирования достигается формирование требуемой структуры стали, чистота стали по неметаллическим включениям и нежелательным избыточным фазам и получение наиболее благоприятного сочетания в сталях служебных свойств. В этом смысле снижение содержания углерода в сталях с фер-ритной, аустенитной и аустенито-ферритной структурой, а также в же-лезоникелевых и никелевых сплавах является одним из путей для достижения поставленной цели.
...
Имеется много работ, в которых показана практическая возможность частичной замены дорогого и дефицитного никеля на другие аустени-тообразующие элементы с улучшением свойств аустенитньгх коррозионностойких сталей. Известно, что азот в количествах 0,05...0,25 % оказывает положительное влияние на комплекс физико-механических и коррозионных свойств нержавеющих сталей со структурой аустенита и при этом для производства нержавеющих сталей с указанными содержаниями азота нет необходимости в перестройке промышленной технологии производства серийных хромоникелевых сталей типа 18-10. В ЦНИИЧМ им. И. П. Бардина разработана хромоникелевая коррозионностойкая сталь ЭК177 (03Х17АН9), свободная от недостатков как титансодержа-Щих, так и низкоуглеродистых беститанистых сталей. Сталь ЭК177 после закалки с 1000... 1050 °С имеет гарантированный предел текучести выше 325 Дж/мм2, что более чем на 25 % превышает предел текучести титансодержащих сталей типа 08...12Х18Н10Т при сохранении высокой пластичности (55 > 40 %) и вязкости. Сталь структурно стабильна и при охлаждении, и при холодной деформации, она не склонна к МКК после провоцирующих отпусков при температурах 450...750°С, т.е. после сварки не требуется термообработка. Промышленное производство сор-
...
Опытным путем установлено, что коэффициент эквивалентности азота по отношению к никелю близок к 26. Была предложена формула для расчета количества никеля, обеспечивающего стабильную аустенитную структуру хромоникелевой стали:
...
В результате последующих исследований предложены нержавеющие стали аустенитного класса — заменители сталей типа 18-10, содержащие вместо никеля марганец или марганец и азот. С 1970 г. в нашей стране запатентовано более 150 марок таких сталей, изучены технологии их выплавки, последующего передела и эксплуатационные свойства в промышленности.
...
Вместо сталей 18-10 предложены к использованию хромомарганцевые стали Х14Г14Н, Х14П4НЗТ, Х14Г14Н4Т, Х14Г14НЗ и др. Однако получение аустенитной структуры при замене никеля одним марганцем с сохранением высоких коррозионных свойств невозможно. Для обеспечения аустенитной структуры в этом случае необходимо, наряду с введением марганца, понижать содержание хрома и повышать содержание углерода в стали, что снижает ее коррозионные свойства. Такое неблагоприятное изменение состава металла вызывается тем, что марганец не расширяет аустенитную область, а делает аустенит более устойчивым при охлаждении. Поэтому хромомарганцевой сталью заменить сталь 18-10 во всех областях использования удается очень редко, и такие стали могут применяться лишь при изготовлении оборудования, работающего в слабоагрессивных средах.
...
Более эффективно снижение содержания никеля введением в сталь марганца в сочетании с азотом. В хромистой стали азот, подобно углероду, расширяет у-область, но в отличие от углерода снижает незначительно или вовсе не снижает коррозионную стойкость. В промышленности разработаны составы, изучены технологии производства и свойства и предложены к применению нержавеющие стали, в которые вместо никеля введены марганец и азот совместно: Х27Н4АГ9, Х27АГ14, Х20Н5АГ7, Х14АГ14, 17-7-4 (201), 18-8-5 (202). Эти стали имеют аустенитную структуру, плотный слиток, высокие коррозионные
...
и эксплуатационные свойства, но при организации производства высокомарганцевых экономнолегированных сталей необходимо преодолеть трудности, связанные с безвозвратными потерями марганца при продувке расплава кислородом и накоплением немобильных высокомарганцевых отходов.
...
В МИСиС большая группа исследователей (А. А. Яскевич, Н. О. Ней-гебауэр, Л. Н. Кац и др.) проводили активные исследования экономно-легированных сталей с заменой никеля на азот и марганец. Расчетная себестоимость экономнолегированных сталей на 35...40% ниже высоконикелевых (12Х18Н10Т и др.). В России выплавка экономнолегирован-ной стали составляет около 2 % от общего количества нержавеющей стали, за рубежом — 40 %. Исследованиями последних лет показано, что для улучшения коррозионных свойств хромистых и хромоникелевых нержавеющих сталей перспективным легирующим элементом может оказаться дешевый кремний, который при определенном сочетании с другими легирующими элементами существенно повышает стойкость нержавеющих сталей к питтинговой коррозии и тем самым повышает работоспособность сталей этого типа в средах окислительного характера.
...
При плавке нержавеющей стали основные трудности связаны с получением низкой концентрации углерода и использованием малоуглеродистых сортов феррохрома. Научные и экспериментальные работы в конце 40-х годов показали возможность использования газообразного кислорода для обезуглероживания высокохромистого расплава. За счет резкого повышения температуры ванны до 1800... 1900 °С термодинамически обеспечивалось окисление углерода, а не хрома. Это позволило использовать в шихте до 70...80 % отходов хромистой и хромоникелевой стали, окислить углерод до 0,05...0,08 % с сохранением 100 % никеля и 90 % хрома. Однако при этом нельзя было получить содержание углерода < 0,03 % и требовался низкоуглеродистый феррохром. Такая схема производства нержавеющей стали просуществовала до 60-х годов. Именно в эти годы появились новые способы плавки коррозионностойкой стали — метод AOD (аргоно-кислородное обезуглероживание) и VOD (вакуум-кислородное обезуглероживание). С внедрением указанных методов появилась возможность использования в шихте 100 % отходов нержавеющей стали и дешевого высокоуглеродистого феррохрома. Эти технологии и экономически целесообразные способы производства за рубежом используют для производства 100 % нержавеющей стали, в первую очередь низкоуглеродистой. У нас, к сожалению, эти методы используются лишь на ограниченном числе заводов.
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы