Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

к н н й ги к

о артенсита, обладающий высокой

прочностью Многократное повторение этого процесса объясняет

высокую сто ым аустенитом.

1 Р С

т К

р здействия внешней среды механические свойства

мета

во

(н

вы .

эл

почвенн

сл

со а, образуется гальванический

элем

сл

га

ан

к Чем больше отдельные фазы (участки)

мета м м

те

то н

н еталле, что является наиболее частым случаем,

корр й р

не

ко

оч ,

с и точечной коррозии являются

конц

ин

гр

эл

вн

вг этом механические свойства. Сталь,

пора

тому, что а поверх ости под де ствием дравличес их ударов

бразуется новый слой м

йкость сталей с метастабильн

4. КОР ОЗИОННО-СТОЙКИЕ И ЖАРО ТОЙКИЕ СТАЛИ И

СПЛАВЫ

Коррозионная стойкос ь стали. оррозией называют

азрушение металлов под действием окружающей среды. При этом

асто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В

езультате во

ллов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии

идимого изменения внешнего вида поверхности.

Различают химическую коррозию, протекающую при

здействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов

ефть и ее производные), и электрохимическую коррозию,

зываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей К

ектрохимической коррозии относятся также атмосферная и

ая коррозия.

Механизм электрохимической коррозии сводится к

едующему. Если в электролит (влажный воздух, водные

астворы кислот, солей, щелочей и т. д.) поместить два

прикасающихся различных металл

ент, при этом металл, который легче, отдает электроны,

ужит анодом, а другой — катодом. В процессе работы

льванического элемента анод разрушается.

Микрогальванические элементы возникают также между

азличными фазами сплавов и даже в чистых металлах, где роль

одов играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль

атода — тело зерна.

лла отличаются свои и электрохи ическими потенциалами,

м быстрее происходит коррозионное разрушение.

Существует несколько видов электрохимической коррозии.

сли металл однороден (например, однородный твердый раствор),

наблюдается равномер ая коррозия, протекающая примерно

одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В

еоднородном м

озия носит локальны ха актер и охватывает только

которые участки поверхности. Эту местную, или локальную,

ррозию в свою очередь

подразделяют на т ечную пятнистую и

язвами. Очаги пятнистой

ентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая

теркристаллитная коррозия, распространяющаяся по

аницам зерен вследствие более низкого их

ектрохимического потенциала. Коррозия без заметных

ешних признаков быстро развивается по границам зерен,

лубь, резко снижая при

женная

интеркристаллитной коррозией,

291

теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам

зерен в местах коррозионного разруше ия металла. Кроме того

различают коррозию под напряжением, которая возникает при

одновременном действии коррозионной среды и напряжений

н ,

растяжения. Разновидностью этой коррозии является

коррозио

тонкой ещин, проходящих по объему зерна при

воздействии коррозионной среды и напряжений.

Ста ю

ме ,

П ок ко

ею н сит

)

положительны

она приобретает

292

нное растрескивание, т. е. образование в металле

сетки тр

ль, устойчиву к газовой коррозии при высоких

температурах (свыше 550 °С), называют окалиностойкой

(жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической

химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной

солевой), межкристаллит-ной и другим идам коррозии, называют

коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости

ст р

али к кор озии достигается введением в нее эле нтов

образующих на поверхности защитные пленки, прочно

связанные

с основным металлом и предупреждающие контакт

между сталью и наружной агрессивной средой, а также

повышающих электрохимический потенциал стали в разных

агрессивных средах.

Жаростойкие стали и сплавы. овышение алиностой сти

достигается введением в сталь главным образом хрома, а такж

алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом

растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки

оксидов (Cr, Fe)

, (Al, Fe)

, Введение в сталь 5—8 % С

повышает окалиностойкость до 700—750 °С; увеличени

содержания Сг до 15—17 % делает сталь окалиностойкой до 950—

1 2

000 °С, а при введении 5 % Сr сталь остается о алиностойкой до

1100°С. Легирование сталей с 25 % Сr алюминием в количестве 5 %

повышает окалиностойкость до 1300 °С. Окалиностойкость зависи

от состава стали, а не от ее структуры. В связи

с этим

окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных

сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных

установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие

ферритные (12X17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13

12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие

жаропрочностью (см. с. 300).

Коррозионно-стойкие стали. Составы сталей

устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в

зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти

стали можно разделить на два основных класса: хромистые

имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно

ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную структуру, и

хромоникелевые, им щие аустенит ую, аустенитно-мартен ную

или аустенитно-ферритную (феррита

более 10 % структуру (ГОСТ

5632—72).

Стали ферритного, мартенситного и мартенситно-феррит-

ного классов. При введении в сталь 12—14 % Сr ее

электрохимический потенциал становится

м и

устойчивость против коррозии в

атмосфере, морской (пресной) воде,

ряде слабых растворов кислот,

солей и щелочей. Более широко

применяют хромистые стали 12X13,

20X13, 30X13 и 40X13 (ГОСТ

5632—72), содержащие 0,12—0,4 % С

и 12—14 % Cr, И низкоуглеродистые

(≤0,12-0,15% С) стали 12Х17 и

15X28 с 17 и 28 % Сr (табл. 10).

Структурная диаграмма системы

Fe—C—Cr (равновесное состояние)

и составы хромистых коррозионно-

стойких сталей разных марок приведены на рис. 163. Сталь 12X13

в равновесном состоянии относится к полуферритным, а после

закалки в масле или на воздухе с высоких температур имеет

структуру мартенсит и

феррит (ферритно-мартенситная сталь).

Стали 20X13 и 30X13 в равновесном состоянии доэвтектоидные, а

сталь 40X13 — за-эвтектоидная. Они испытывают полное γ

α-

превращение. После охлаждения на воздухе стали 20X13, 30 и

40X13 имеют структуру мартенсит, т. е. относятся к

мартенситному классу.

Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только

при условии, что все содержание хрома в стали приходится на

долю твердого раствора. В этом случае он образует на

поверхности плотную защитную оксидную пленку типа (Cr,

Fe)

. Повышение содержания углерода, приводящее к

образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает

количество , хрома в твердом растворе и поэтому понижает

коррозионную стойкость стали и увеличивает хрупкость.

Коррозионная стойкость стали повышается термической

обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием

шлифованной и полированной поверхности.

Стали 12X13 и 20X13 применяют для изготовления деталей

с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным

нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов

домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие

слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов

солей органических кислот и т. д.). Их подвергают закалке в

масле от 1000—1100 °С и высокому отпуску при 700—775 °С, после

которого

карбиды присутствуют в виде более крупных частиц.

Применение

294

⇔

X13

более

пружи

°С.

прот

клас

приме

°С.

и ле

следу

имеют

нагру

ста

к сил

при

Изме

обра

прев

межк

охру

прич

хром

обра

межк

титан

(15Х

обра

обеднение

феррита

охру

образ

обла

прим

соде

супе

Ста

леги

охла ст итну

структу

высокую

низкого отпуска, создающего мелкие карбидные частицы,

усиливает коррозию.

Стали 30X13 и 40X13 используют для карбюраторных игл,

н, хирургических инструментов и т. д. Эти стали

закаливают от 1000—1050 °С в масле и отпускают при 180—200

После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру,

высокую твердость (50—60 HRC) и достаточную устойчивость

ив коррозии. Более высокой коррозионной стойкостью

обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали ферритного

са: 12X17, 15Х25Т и 15X28 (

см. рис. 163). Сталь 12X17

няют после рекристаллизационного отжига при 760—780

Из этой стали изготовляют оборудование для заводов пищевой

гкой промышленности и кухонную утварь. Сварку этой стали

ет избегать, так как зоны, прилегающие к сварному шву,

крупное зерно, низкую пластичность и относительно

невысокую коррозионную стойкость.

Стали 15Х25Т и 15X28 используют чаще без термической

обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более

агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных

зок, при температуре эксплуатации не ниже —20 °С. Эти

ли обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны

ьному росту зерна при нагреве свыше 850 °С (например,

сварке),

что сопровождается охрупчиванием стали.

льчить зерно и повысить пластичность термической

ботки нельзя, так как стали не претерпевают α → γ-

ращений; сварные конструкции из стали 15X28 склонны к

ристаллит-ной коррозии. Углерод и азот способствуют

пчиванию стали (повышают порог хладноломкости) и являются

иной меж-кристаллитной коррозии.

тот вид коррозии связан с обеднением твердого раствора

ом в местах, прилегающих к границам зерна, в результате

зования карбидов хрома. Для повышения сопротивления

ристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют

ом в количестве не менее пятикратного содержания углерода

25Т). Титан связывает углерод и исключает возможность

зования карбидов хрома, а

следовательно, хромом

. Ферритные стали, содержащие 25—30 % Сr,

пчиваются при длительном нагреве до 450—500 °С вследствие

ования выделений σ-фазы (см. рис. 92, б).

последние годы для сварных конструкций, где сталь должна

дать высокой стойкостью против коррозии под напряжением,

еняют суперферриты — ферритные стали с очень низким

ржанием углерода (<0,02 %). В СССР выпускается

рферрит—сталь 015Х10М2Б.

л о . , и аустенитног класса (см табл. 10). Эти стали обычно

рованные хромом и никелем (или марганцем), после

ждения до нормальной температуры имеют ау ен ю

ру, низкий предел текучести, умеренную прочность

пла-

295

стичность и хор

коррозио

стойкость

окислительных ср

Стали парамагнитны.

Представит

коррозионно-ст

сталей аустени

класса являются

ошую

нную

едах.

елями

ойких

тного

стали

12Х18Н9, 17Х18Н9 (см.

ащие

После

т (γ),

аусте-

стью,

00—

д т е (на

виде

енное

0 быть

нение

нение в процессе холодной

тного

е при

р о та в

ются

х до

тся и

Это

ниже

ечивает коррозионную

тной

ве

и, %

д МС

ь углерод, а хром остается в растворе.

этих

т о 0 чила

редах

ение

аллитной коррозии, хорошую пластичность и

свариваемость имеют низкоуглеродистые аусте-

296

табл. 10), содерж

соответственно 0,12 и 0,17% С, 17—19% Сr, 8—10 % Ni.

медленного охлаждения стали имеют структуру: аустени

феррит (α) и карбиды хрома М

. Для получения чисто

нитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойко

стали нагревают выше линии SE (рис. 164), чаще до 11

1150°С (ля растворения карбидов), и закаливаю в вод

воздухе). Сталь 12Х18Н9 обычно применяют в

холоднокатаного листа или ленты. В процессе холодно

пластической деформации сталь легко наклёпывается. Врем

сопротивление после холодной деформации (6 —70 % ) может

повышено до 1200— 1300 МПа, при этом относительное удли

снижается до 4—5 % . Упроч

деформации связано с наклепом и протеканием мартенси

превращения. Чем менее стабилен аустенит, тем интенсивне

холодной деформации п оисх дит превращение аустени

мартенсит (мартенсит деформации). Стали хорошо сварива

точечной

сваркой и штампуются. При нагреве закаленны

550—750 °С сталей, например при сварке, они охрупчиваю

приобретают склонность к меж-кристаллитной коррозии.

связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома

и происходит обеднение этих зон аустенита хромом

того предела (т. е. 12 %), который обесп

стойкость. Для уменьшения склонности к интеркристалли

коррозии в состав сталей вводят титан (реже ниобий) в количест

(5 С — 0,7), где С — содержание углерода в стал

(12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т). В этом случае образуется

карби

(TiC, NbC), связывающий вес

Для повышения стабильности аустенита количество никеля в

сталях увеличиваю д 10— 12 %. Сталь 12Х18Н1 Т полу

наибольшее распространение для работы в окислительных с

(например, азотной кислоте). Высокое сопротивл

межкрист

нитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12. Стали с пониженным

держанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других

агрессивных средах и широко используются для изготовления

химической аппаратуры.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали дороги. В связи

этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в

орых часть никеля заменена марганцем.

омнолегированная (по никелю) сталь 10Х14Г14Н4Т

рекомендована как заменитель стали 12Х18Н10Т для изделий,

работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах,

солях, щелочах), а также при температуре

до —196°С.

Некоторое применение находят хромомарганцевоникелевые

стали с азотом (0,15—0,4 % N), который стабилизирует аустенит и

может частично заменить никель. К числу этих сталей относятся

стали 10Х14АГ15 (см. табл. 10), 15Х17АП4, 12Х17Г9АН4.

Устойчивость сталей против коррозии в органических кислотах,

серной кислоте и морской воде повышает молибден. Для этой

со

кот

Экон

цели применяют стали 10Х17Н

13М2Т и 10

табл. 10), которые сочетают высокую коррозио с

хорошей технологичностью, начиная от выплав чая

изготовлением сварных конструкций и аппар

Стали аустенитно-ферритного класса содер

2—6 %

08Х21

с ауст

при

сопро

корро

охруп

Ст

предс

стали 0 8

устой

механ

09Х15

закалк

аусте

сталь

подве

После

темпе

нита

450—

выдел

Меха

в табл

Механические

образ

темпе

мар-

Х17Н13МЗТ (см.

нную стойкость

ки стали и кон

атов.

жат 18—22 % Сr,

Ni и некоторое количество Мо и Ti (08X22H6T,

Н6М2Т и др.). Аустенитно-ферритные стали по сравнению

енитными обладают более высокой прочностью (см. табл. 10)

удовлетворительной пластичности и лучшей

тивляемостью интеркристаллитной коррозии и

зионному растрескиванию. При нагреве до 400—750 °С стали

чиваются.

али аустенитно-мартенситного класса. Особую группу

тавляют аустенитно-мартенситные коррозионно-стойкие

, например сталь 9Х15Н Ю. Эти стали наряду с хорошей

чивостью против атмосферной коррозии обладают высокими

ическими свойствами и хорошо свариваются. Сталь

Н8Ю для повышения механических свойств подвергают

е от 975 °С, после которой структура стали — неустойчивый

нит и небольшое количество мартенсита. В этом состоянии

обладает достаточно высокой пластичностью и может быть

ргнута пластической деформации и обработке резанием.

закалки сталь обрабатывают холодом в интервале

ратур от —50 до —75 °С для перевода большей части аусте-

(~80 %) в мартенсит и подвергают отпуску (старению) при

500 °С. При старении из

α-твердого раствора (мартенсита)

яются дисперсные частицы интерметаллидов типа Ni

А1.

нические свойства стали после такой обработки приведены

. 10.

свойства указанной стали зависят от количества

овавшегося мартенсита, которое можно регулировать

ратурой закалки и обработкой холодом. Если количество

297

тенсита превышает 40 %, то пластичность стали заметно падает, но

быть

нит

ботки

ации.

Дал ста я с ени 450—

левой

стенитные (аустенитно-ферритные) стали не

н таких

зуют

50—

ит и

начен

рной

й в

слот,

а —Mo

отной

для

ляно-

ругих

ивных средах.

0 °С.

и й р еля и

Двухслойные стали. Для деталей химической аппаратуры

(корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), отаю-

щих в коррозионной среде, нашли применение двухслойны али.

298

прочность возрастает. Большое упрочнение стали может

достигнуто нагартовкой предварительно закаленной на аусте

стали путем прокатки или волочения. После такой обра

большая часть аустенита превращается в мартенсит деформ

ьнейшее упрочнение ли достигаетс тар ем при

480 °С

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и нике

основе. Ау

обеспечивают достаточно высокой коррозио ной стойкости в

средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях исполь

сплавы на железоникелевой основе, например сплав

04ХН40МДТЮ (табл. 11), имеющий после закалки от 10

1100°С и старения при 6 0—700 °С структуру

аустен

интерметаллидную γ'-фазу типа Ni

(Ti, Al). Сплав предназ

для работы при боль-ших нагрузках в растворах се

кислоты.

Для изготовления сварной аппаратуры, работающе

солянокислых средах, растворах серной и фосфорной ки

применяется никелевый сплав Н70МФ. Сплавы н основе Ni

имеют высокое сопротивление коррозии в растворах аз

кислоты.

Наибольшее распространение получил сплав ХН65МВ

работы при повышенных температурах во влажном хлоре, со

кислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и д

агресс

Никелевые сплавы используются после закалки от 107

Структура сплавов — α- ил γ-тверды раство на основе ник

избыточные карбиды типа М

С и VC (Х70МФ).

раб

е ст

Дву

или

сто

на

не

при

ррозионной стойкости. В качестве криогенных применяют

низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса,

не

ра

6—

по

83 предел

текуч

ст

ре

пр

ли

ю атов

криогенной

И х

ск

08 Эти стали получили наибольшее применение. Из

них

ус

(О

сж свариваются и обладают большим

зап

хслойные листовые стали состоят из основного слоя —

низколегированной (09Г2, 16ГС, 09Г2С, 12ХМ, 10ХГСНД и др.)

углеродистой (G

T3) стали и коррозионно-стойкого

плакирующего слоя толщиной 1—6 мм из коррозионно-

йких сталей (08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т, 06ХН28МДТ,

X13) или никелевых сплавов (ХН65МВ, Н70МФ).

15. КРИОГЕННЫЕ СТАЛИ

Низкие температуры (искусственный холод) широко

применяют в промышленности, ракетной и космической технике,

быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (—183 °С)

зывают криогенными. Для работы при этих температурах

обходимы специальные криогенные стали и сплавы.

Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью

нормальной температуре в сочетании с высоким

сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах.

этим сталям нередко предъявляют требование высокой

ко

склонные к хладноломкости. Для сварных конструкций,

ботающих при температуре до —196 °С

, используют стали с

7 % Ni (OH6A) и 8,5—9,5 % Ni (OH9A), обладающие низким

рогом хладноломкости .

Стали применяют после двойной нормализации (при 900 и

0°С) и отпуска при 560 °C или после закалки в воде от 810—

0 °С и отпуска при 600 °С. После такой обработки

ести σ

0,2

при нормальной температуре составляет 400—450

Па, а при —196 °C — 680—820 МПа (более высокое значение для

али ОН9А). Сопротивление удару при температуре — 196 °С

CU = 1,0÷1,3 МДж/м

Из этих сталей изготовляют цилиндрические или сферические

зервуары для хранения и транспортирования сжиженных газов

и температуре не ниже —196 °С. Все технологические операции,

том числе и сварку, по изготовлению изделий выполняют на

стах, прошедших термическую обработку.

Подавляющу часть разнообразных машин и аппар

техники

ИЗГОТОВЛЯЮТ З аустенитны сталей, не

лонных к хрупкому разрушению.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы.

1. Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10Т и

Х18Н10Т.

изготовляют крупногабаритные газораспределительные

тановки большой мощности для получения сжиженных газов

, N

, H

и др.), транспортные емкости и хранилища

иженных газов. Они хорошо

асом вязкости при криогенных температурах (при —253 °С σ

0,2

0 МПа и KCU = 1 МДж/м

). Высокий запас пластичности стали

299

12X18H10T позволяет использовать ее после холодной

пластической деформации с целью повышения прочности. Аустенит

хромо-никелевых сталей не табилен под влиянием пластическо

деформации возможно частичное мартенситное превращение (γ →

→ α).

2. Сложнолегированные аустенитные стали

с и й

повышенной

прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 (при температуре — 253

°С

0,2

= 1150÷13 1,0÷1,3 МДж/м

). Эти стали

применя х

1 замени х

в виду, что

п т

зв е е γ ε

з с ,

т в и

и и сплавы применяют для изготовления

нное сопротивление.

ати

тоянно

жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется усл м

пределом ползучести и пределом длительной прочности.

300

50 МПа и KCU =

ют для штампосварных изделий и толстостенны

крупногабаритных емкостей.

3. Аустенитные стали на хромомарганцевой основ

10Х14Г14Н4Т и 03Х 3АГ19 как тели более дороги

хромоникелевых аустенитных сталей. Следует иметь

ластическая деформация хромомарганцевых сталей може

вы ать частично мартенситно превращение ( → → α

), чт

снижает сопротивление хрупкому разрушению. Стал

рекомендуются для и готовления варных конструкций

работающих при температурах от 20 до —-196 °С (стал

03Х13АП9) и — 253 °С (сталь 10Х14Г14Н4Т). Аустенитные стал

использую после закалки в оде от 1000—1050 °С. Пр

нормальной температуре предел текучести σ

0,2

аустенитны

сталей не превышает 400—450 МПа.

16. ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Жаропрочными называют стали и сплавы, способны

работать под напряжением при высоких температурах в течение

определенного времени и обладающие при этом достаточно

жаростойкостью.

Жаропрочные стал

ногих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей

ракет и т. д., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства

понижает модуль упругости (вследствие уменьшения межатомны

сил сцеплений), предел текучести и време

П т

ри этом следуе иметь в виду, что в условиях малой скорости

нагружения разрушение происходит при более низких

напряжениях, чем при обычных ст ческих испытаниях.

Если при высокой температуре нагрузить металл пос

ействующим напряжением даже ниже предела текучести при

этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время

то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки

будет деформироваться с определенной скоростью. Это явлени

получило название ползучести. Развитие ползуче ти может в

конечном счете привести к

разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области

высоких температур при длительном действии нагрузки называю

овны