Фазовое и структурное состояние

При легировании стали одновременно никелем свыше 8 % и хромом критическая скорость охлаждения снижается настолько, что сталь даже при очень медленном охлаждении сохраняет переохлажденный аустенит. При этом Мн снижается ниже 0^оС и сталь остается аустенитной при комнатной температуре.

Легирование никелем свыше 8 % резко облагораживает электрохимический потенциал стали. Одновременное присутствие свыше 12 % хрома способствует проявлению защитных свойств окисной пленки и так же сдвигает электрохимический потенциал в положительную сторону.

В реальных хромоникелевых сталях фазовый состав при нагреве и охлаждении может быть сложным. Однако во всех случаях основой обеспечения всего положительного комплекса свойств является полностью или преимущественно аустенитная структура стали в процессе эксплуатации.

Если при нагреве получена полностью γ- состояние, то при охлаждении с достаточной скоростью можно зафиксировать чистый аустенит, если Мн ниже комнатной температуры. Если Мн выше, а Мк ниже комнатной температуры, то фиксируется аустенитно-мартенситная структура.

Температуры Мн и Мк зависят в основном от содержания никеля и других элементов, входящих в формулу для Ni_экв.

Хром способствует стабилизации α-фазы и образованию двухфазных аустенито-ферритных сталей. Феррит снижает вязкость стали и ее жаропрочность. Обычно допускается до 25 % феррита.

Рассмотрим фазовые области системы Fe – Ni – Cr – C при содержании С = 0,05%. При очень медленном охлаждении и затвердевании из расплава вначале начинают выпадать кристаллы хромоникелевого феррита, имеющего решетку δ-железа, а по мере охлаждения – и кристаллы хромоникелевого аустенита, имеющего решетку γ-железа. После затвердевания всего расплава сталь имеет аустенитно-ферритную структуру. При дальнейшем охлаждении происходит превращение δ – γ, и сталь приобретает аустенитную структуру; углерод в аустенитно-ферритной и аустенитной стали при температурах выше 800ºС находится в твердом растворе в виде фаз внедрения. Медленное охлаждене стали ниже 800ºС приводит к выделению углерода из твердого раствора в виде химического соединения – карбидов хрома Cr₂₃C₆, располагающегося преимущественно по границам зерен; дальнейшее охлаждение ниже 500ºС (в зависимости от содержания С) способствует выпадению по границам зерен вторичного феррита, т.е. сталь с содержанием С = 0,05%, Ni = 18% и Cr = 8% будет иметь при комнатной температуре аустенитную структуру с вторичными карбидами и ферритом.

При быстром охлаждении (закалке) распад твердого раствора не успевает произойти, и аустенит фиксируется в пересыщенном и неустойчивом состоянии. При быстром охлаждении может фиксироваться и первичный δ-феррит.

Стали типа 18-8 в зависимости от содержания углерода и других легирующих элементов содержат 0÷30 % феррита. Полностью аустенитную структуру в этих сталях получают путем закалки после выдержки при температуре около 1000 ^оС, когда высокотемпературный δ-феррит полностью превращается в аустенит.

Стали типа 25-20 являются полностью аустенитными.

Однако небольшое количество δ-феррита играет положительную роль в литых сталях и при сварке с точки зрения предотвращения ГТ. δ-феррит играет роль второй фазы при кристаллизации и подавляет рост столбчатых кристаллитов.

На пластические свойства хромоникелевых высоколегированных сталей неблагоприятное влияние оказывает σ –фаза (интерметаллическое соединение железа и хрома переменного состава), которая образуется в интервале температур 600÷800 ^оС.

По области применения различают хладостойкие, жаропрочные, кислотостойкие и высокопрочные хромоникелевые стали.

В хладостойких сталях легирование направлено на снижение Мн ниже –100 ^оС. Вводимые иногда сильные карбидообразующие элементы не должны обеднять твердый раствор хромом.

Жаропрочные стали имеют три типа упрочнения.

1. Используется только повышенная жаропрочность высоколегированного аустенита (малое содержание углерода).

2. Стали с дополнительным карбидным упрочнением – повышенное содержание углерода и сильных карбидообразующих элементов.

3. Стали с интерметаллидным упрочнением – пониденное содержание углерода, дополнительное легирование молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном.

В кислотостойких сталях сопротивление коррозии зависит от фазовой и структурной однородности, а также однородности по химическому составу. Наличие карбидов и других фаз по границам зерен способствует созданию гальванического элемента и ускоряет процесс коррозии. Для получения фазовой и структурной однородности проводится закалка на аустенит. Другим способом повышения стойкости к коррозии является снижения содержания углерода до минимума (сталь 000Х18Н9 – менее 0,03 %С; сталь 00Х18Н9 – менее 0,04 %С). Хорошие результаты дает легирование сильными карбидообразующими элементами. Этим исключается образование карбидов хрома по границам зерен и обеднение хромом твердого раствора.

Высокопрочные стали содержат мартенсит как упрочняющую фазу. Они разделяются на мартенситностареющие и мартенситно-аустенитные. Пример – сталь 08Х15Н5Д2Т.