Что такое стабилизированная сталь

Обновлено: 19.05.2024

Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая стабилизация), механического (механическая стабилизация) или любого другого воздействия.

Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Т_п < М_н (но выше М_к) и сделать здесь выдержку, то аустенит стабилизируется.

Стабилизация проявляется в том, что по возобновлении охлаждения превращение начинается не сразу при температуре Т_п, а после переохлаждения аустенита (гистерезиса) до некоторой температуры М_н.

При этом мартенсита часто образуется меньше по сравнению с непрерывным охлаждением (мартенситная кривая 2 на рисунке идет ниже кривой 1) и количество остаточного аустенита возрастает. Возобновляющееся при температуре М_н мартенситное превращение может протекать взрывообразно (например, в сплавах Fe — Ni — С).

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита:

Т — температура, при которой охлаждение прерывают и проводят выдержку;
1 — кривая непрерывного охлаждения;
2 и 3 — кривые, соответствующие разной выдержке (τ) при температуре Т_п, причем τ₃ > τ₂.

Наиболее простой случай термической обработки, включающей стабилизацию аустенита, можно наблюдать, когда точка М_н находится выше, а М_к — ниже комнатной температуры причем Т_п = 2:0 °С.

Так, выдержка углеродистой стали при комнатной температуре после обычной закалки в воде стабилизирует аустенит, затрудняя мартенситное превращение при последующем охлаждении стали в области отрицательных температур и увеличивая количество остаточного аустенита после такой обработки. Поэтому изучение закономерностей термической стабилизации аустенита представляет интерес для технологии обработки стали холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).

Мерой эффекта стабилизации часто служит температурный гистерезис θ = Т_п — М_н.

Степень стабилизации аустенита зависит от температуры прерывания охлаждения Т_п и выдержки при этой температуре. Если же после прерывания охлаждения сплав был нагрет до некоторой температуры Т_с > Т_п, то степень стабилизации θ зависит от Т_с и времени выдержки при этой температуре.

С понижением т. е. с ростом количества мартенсита, присутствующего при стабилизирующей выдержке, степень стабилизации возрастает. Более сложно влияние времени выдержки. С увеличением времени выдержки при температуре Т_п или Т_с степень стабилизации может непрерывно возрастать (кривые 2 и 3 на рисунке). При достаточно высоких температурах увеличение времени выдержки сначала приводит к росту, а затем к уменьшению степени стабилизации. Чем выше температура Т_с, тем быстрее достигается максимум θ.

На стали с 1,4% С и 5% Ni было обнаружено, что величина θ с увеличением времени выдержки при температуре Т_с после прохождения через максимум снижалась и становилась отрицательной. Это означает, что большие выдержки после прерывания охлаждения приводили не к стабилизации (М_н < Т_п), а к противоположному эффекту — активированию мартенситного превращения (М_н > Т_п).

Термическая стабилизация аустенита — сложный процесс. Вполне возможно, что в разных случаях, например в разных температурных интервалах, действуют разные механизмы стабилизации.

В термическую стабилизацию при температурах ниже точки М_н определенный вклад может внести релаксация упругих напряжений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Эти напряжения, как уже отмечалось, вызывают автокаталитический эффект, свойственный всем мартенситным превращениям.

Уменьшение упругих напряжений вокруг мартенситных кристаллов хорошо объясняет повышение степени стабилизации с увеличением времени выдержки, но не может объяснить снижения θ при больших выдержках.

Для понимания природы стабилизации аустенита весьма важно, что термическая стабилизация наблюдается только в тех сплавах на основе железа, которые содержат, хотя бы и в сравнительно небольшом количестве, элементы внедрения: углерод и азот. Поэтому почти все современные гипотезы механизма термической стабилизации аустенита исходят из предположения о решающей роли сегрегации атомов углерода или азота.

Атомы элементов внедрения во время стабилизирующей выдержки могут сегрегировать в потенциальные участки зарождения в аустените, препятствуя превращению этих участков в зародыши мартенсита. Они могут сегрегировать на межфазную границу матрицы и зародыша, препятствуя его росту.

Весьма убедительна гипотеза, связывающая термическую стабилизацию с деформационным старением — образованием сегрегаций из внедренных атомов на дислокациях в аустените. Так как образование мартенситного кристалла вызывает пластическую деформацию аустенитной матрицы, то упрочнение ее при деформационном старении затрудняет мартенситное превращение.

Развитие деформационного старения аустенита с увеличением времени выдержки при температуре Т_с объясняет рост θ. Уменьшение эффекта стабилизации с дальнейшим увеличением времени выдержки легко объяснить перестариванием (смотрите Выбор режима старения), с которым связано падение предела текучести аустенита.

Достижение отрицательных значений 0 можно связать с далеко зашедшим перестариванием, которое, во-первых, сильно разупрочняет аустенит и, во-вторых, может привести к обеднению аустенита углеродом вблизи выделений карбида. Такие обедненные углеродом участки имеют повышенную температуру М_н. С повышением температуры Т_с деформационное старение ускоряется и соответственно ускоряется достижение максимума θ.

Рассмотренное в Термодинамике мартенситных превращений, снижение температуры М_н при переходе от чрезвычайно больших скоростей охлаждения выше этой температуры к обычным скоростям закалки в воде также является результатом стабилизации аустенита из-за предполагаемого закрепления дислокаций сегрегациями атомов углерода.

Термическая стабилизация проявляется при мартенситном превращении не только в железных, но и в других сплавах. Так, в сплаве меди с 15% (ат.) Sn, закаленном в воде, при охлаждении в жидком азоте развивается атермическое превращение. Если после закалки в воде сделать выдержку при комнатной температуре, то при последующем охлаждении точка М_н и количество образовавшегося мартенсита оказываются пониженными и в тем большей степени, чем дольше была выдержка.

Четырехдневная выдержка полностью подавляет мартенситное превращение. Одной из причин этой термической стабилизации может быть постепенно развивающаяся при комнатной температуре сегрегация атомов олова в исходной фазе, затрудняющая образование и рост зародышей мартенсита.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Стабилизирующий отжиг применяют для тех же сталей с целью снижения сварочных напряжений на 70 - 80 %, обеспечения стабильной структуры и предупреждения появления коррозионных трещин. Улучшение относится к полной термической обработке и производится в стационарных термических печах. Оно снижает остаточные сварочные напряжения и полностью восстанавливает структуру и свойства металла, изменившиеся от сварки. [2]

Стабилизирующий отжиг препятствует появлению склонности к межкристаллитной коррозии после сенсибилизации, но все же не обеспечивает достаточную стойкость в азотной кислоте. Из этого можно сделать вывод, что стабилизирующий отжиг устраняет склонность к межкристаллитной коррозии только карбидного типа. [3]

Стабилизирующий отжиг повышает также стойкость наплавленного металла шва к межкристаллитной коррозии. Швы, подвергшиеся стабилизирующему отжигу, могут иметь в наплавленном металле от 0 08 до 0 09 % С, не проявляя склонности к межкристаллитной коррозии. Особенно благоприятное влияние оказывает стабилизирующий отжиг на сварные швы, содержащие определенное количество титана, при автоматической сварке. [4]

Стабилизирующий отжиг частично устраняет склонность высоколегированных модифицированных и стабилизированных сталей к межкристаллитной коррозии в 70 % H2S04 при 100 С. Однако такая термообработка часто ведет к образованию а-фазы, влияние которой на коррозионное поведение сталей этого типа пока еще полностью не выяснено. [6]

Стабилизирующий отжиг ( 900 - 1000 С) после МТО приводит к снижению уровня упрочнения за счет развивающихся процессов рекристаллизации. [8]

Стабилизирующий отжиг имеет цель стабилизацию вообще или дополнительную стабилизацию стали с карби-дообразующими элементами для сварных конструкций. [9]

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. [10]

Стабилизирующий отжиг имеет значительный резерв применения. Дело в том, что для сварных изделий может проводиться местный стабилизирующий отжиг замыкающего шва, если все свариваемые элементы были подвергнуты стабилизирующему отжигу до сварки. При этом следует обеспечить равномерный нагрев всего шва и прилегающего к нему основного металла на ширину не менее 200 мм. Это может быть достигнуто с помощью индукционного нагрева токами промышленной частоты или инфракрасными нагревателями. [11]

Стабилизирующий отжиг при 900 С с охлаждением в печи почти полиостью снимает остаточные напряжения даже в изделиях сложной формы. [12]

Стабилизирующий отжиг снимает напряжения, а это ведет к снижению прочности. [13]

Стабилизирующий отжиг аустенитных сталей , содержащих сильные карбидообразующие элементы, заключается в выдержке стали в течение 2 - 3 ч при 850 - 900 С и охлаждении на воздухе. [14]

Стабилизирующим отжигом называется особый вид термической обработки листовой стали или готовых изделий, при котором в металле достаточно быстро проходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зерна и приводящие структуру стали в стабильное состояние. Наблюдаемое при этом выделение карбидов хрома по границам зерен не может повлечь за собой ( при благоприятных условиях) возникновение склонности к межкристаллитной коррозии или снижение сопротивляемости общей коррозии, поскольку при этом режиме термической обработки диффузионные процессы в стали Х18Н9, выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью и обеднение границ зерен по содержанию хрома практически не происходит. Стабилизирующий отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 850 - 900 С с выдержкой, достаточной для того, чтобы процессы распада твердого раствора аустенита и выравнивание концентраций хрома по сечению зерна были полностью закончены. Обычно выдержка 3 - 5 ч является достаточной для завершения этих процессов. [15]

Резку нестабилизированной стали целесообразно сопровождать интенсивным охлаждением кромки водой, чтобы сократить время пребывания металла при критической температуре; этим предотвращается выпадение карбидов хрома или по крайней мере уменьшается опасность образования межкристаллитной коррозии. [2]

В нестабилизированной стали 08Х18Н10, в первую очередь на границах зерен, выпадают частицы сложного кубического карбида хрома Мв2зСб - Минимальная ячейка этого карбида содержит 116 атомов. При этом на каждый атом углерода приходится приблизительно четыре атома хрома. [3]

При резке нестабилизированных сталей аустенитного класса зона термического влияния, в которой происходят структурные изменения, простирается на глубину 3 - 7 мм. Указанная зона разделяется на два участка: оплавленный участок, в котором может иметь место выпадение карбидов хрома, и участок, где металл нагрет выше температуры точки Аа, вследствие чего имеет место рост зерен аустенита. [4]

При резке нестабилизированных сталей аустенитного класса зона термического влияния, в которой происходят структурные изменения, простирается на глубину 3 - 7 мм. Указанная зона разделяется на два участка: оплавленный участок, в котором может иметь место выпадение карбидов хрома, и участок, где металл нагрет выше температуры точки Ас, вследствие чего имеет место рост зерен аустенита. [5]

Охлаждение после отжига нестабилизированных сталей должно быть достаточно быстрым во избежание выделения дополнительных порций карбидов хрома и смещения равновесной концентрации хрома на границе раздела карбид-аустенит в сторону меньших концентраций. [6]

Если к изделиям из нестабилизированных сталей предъявляются требования отсутствия склонности к МКК, то их нельзя подвергать стабилизирующему отжигу или отжигу для снятия напряжений. [8]

Хотя при стабилизирующем отжиге нестабилизированной стали 1Х18Н9 и образуются отдельные частицы карбидов хрома, связывающие некоторое количество углерода, все же склонность к межкристаллитной коррозии после сенсибилизации при низких температурах не устраняется полностью, а лишь несколько отдаляется ее появление ( см. гл. Другими словами, у нестабилизированных сталей твердый раствор при температурах стабилизирующего отжига еще настолько пересыщен углеродом, что при более низких температурах и достаточно продолжительных выдержках будет выделяться по границам зерен сетка карбидов хрома, вызывающих склонность к межкристаллитной коррозии. [9]

Высоким сопротивлением межкристаллитной коррозии отличаются нестабилизированные стали а азотом, но в том случае, если содержат не более 0 03 % С [121], предел содержания азота в стали при этом также должен быть ограничен. [11]

Образцы всех стабилизированных сталей и сплавов, а также нестабилизированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода ( не более 0 03 %), за исключением указанных в табл. 1, следует подвергать провоцирующему нагреву при температуре 650 10 С. Посадку образцов следует производить в печь, нагретую до температуры провоцирующего нагрева. Перед посадкой в печь образцы должны быть обезжирены. [12]

Такие участки с пониженной коррозионной стойкостью выявляются при резке нестабилизированных сталей аустенитного класса . [14]

Стабилизированные стали и сплавы ( содержащие титан или ниобий) и нестабилизированные стали и сплавы с содержанием углерода не более 0 03 %, следует испытывать на образцах после термической обработки по режимам, указанным в нормативно-технической документации на продукцию, и дополнительного провоцирующего нагрева, который может вызвать склонность стали или сплава к межкристаллитной коррозии. [15]

Нержавеющая сталь коррозионно-стойкие свойства

Нержавеющая сталь фактически представляет виды материала, эффективно стойкого относительно коррозии за счёт легирования различными легирующими элементами. Между тем, коррозионно-стойкие структуры способны «корродировать» под воздействием различных веществ. Соответственно, термин «нержавеющие» следует рассматривать для всей группы таких материалов, легированных хромом с целью получения коррозионно-стойких свойств.

Типы нержавеющих сталей + применяемые легирующие элементы

Для легирования используются разные химические элементы, в частности:

хром (Cr),
углерод (C), ,
ниобий (Ni),
азот (N),
молибден (Mo),
тантал (Ta).

Нержавеющие стали фактически представляют сплавы железа, хрома, никеля, марганца, молибдена, титана, ниобия, углерода и других сплавов. Нержавеющие стали условно разделяют на три основные группы:

Легированные хромом.
Легированные хромом и никелем.
Мартенситные.

Эти группы характеризуются содержанием углерода от 0,1% до 1,0%. Содержание хрома отмечается диапазоном 13% — 18%. Так называемые мартенситностареющие структуры подвергаются закалке на воздухе. Такой материал невозможно сваривать без предварительного нагрева и последующего отпуска.

Структура, однако, является сфероидизируемой. В этом состоянии допустима обработка резанием. По сути, являясь машинными, этот тип нержавеющих сталей обладает значительной прочностью в термически обработанном состоянии. Также отмечается повышенная стойкость к коррозии. Применяются, как правило, для деталей машин, подверженных коррозии, например:

зубчатые шестерни,
валы и ножи,
клапаны и оси.

Что такое сфероидизация нержавеющих сталей?

Структуры с большим содержанием цементита (легированные стали с большим содержанием карбидов) трудно сваривать только холодной деформацией и резкой. Это обусловлено высокой твёрдостью и пластинчатым образованием карбидов.

При ковке или сварке, когда материал нагревается до температуры выше 800-900°C, структура превращается в образование с пластинчатым перлитом и карбидами по границам зёрен. Очевидным становится значительный износ режущего инструмента.

Нержавеющая сталь сфероидизируется при температуре ниже температуры 723°C. Сфероидизация – это, по сути, превращение пластин карбида в шарообразные образования. Такая термообработка, обычно, характерна для производственных процессов сталелитейных заводов.

При обработке сфероидизированного материала твёрдые шарики вдавливаются в более мягкий ферритный основной материал. Твёрдость снижается, пластичность увеличивается.

Нержавеющая сталь ферритная легированная хромом

Этот тип характеризуется ферритным при всех температурах, если процентное содержание углерода и процентное содержание хрома уравновешены. Содержание хрома может варьироваться на уровне 12% — 30%. Если процентное содержание хрома составляет 27%, допускается содержание углерода до 0,25%. Если содержание хрома составляет 13%, процентное содержание углерода не должно превышать 0,05%.

Ферритные материалы труднее сваривать, чем аустенитные, поскольку существует риск образования трещин в зоне термического влияния по причинам образования зерна. Образование крупных зёрен невозможно предотвратить термической обработкой, поскольку налицо ферритная структура при высоких температурах.

Типичное производство так называемых ферритных нержавеющих сталей, достаточно широко применяемых в народном хозяйстве

Небольшие количества ванадия и молибдена способны противодействовать образованию крупных зёрен. Эти структуры невозможно упрочнить мартенситно, но вполне возможно повысить прочность холодной деформацией. Материал подходит для деформации, и применяется в бытовой технике.

Несмотря на быстрое охлаждение, отмечается новое выделение карбида по причине оптимальных условий для диффузии в кубическом центрированном пространстве решётки. Однако если термообработка происходит при температурах 700°C — 800°C, концентрация остаточного количества хрома в кристаллах α сбалансирована. Стабилизация сталей титаном и ниобием может снизить склонность ферритных сталей к межкристаллитной коррозии.

Другой способ избежать межкристаллитной коррозии — применение стали ELI, представляющей материал с очень низким содержанием углерода 0,003% и азота. Но при этом содержание хрома должно быть очень высоким, поскольку и углерод, и азот имеют аустенитный эффект.

Длительный нагрев до 550°C — 800°C ферритно-хромистых сталей с содержанием хрома более 20% вызывает эффект охрупчивания по причине образования так называемой сигма-фазы. Пластичность значительно снижается, а предел прочности на разрыв увеличивается. Эта фаза снимается путём нагревания до температуры более 800°C, после чего применяется быстрое охлаждение для предотвращения повторного явления этой фазы.

Ферритно-аустенитные нержавеющие стали

Этот тип нержавейки отличается легированием на уровне 18% — 26% хрома, 5% — 6% никеля, 0,03% — 0,15% углерода. Нержавейка такого типа легче сваривается по сравнению с чисто ферритным материалом, а коррозионная стойкость примерно равна нержавейке типа 18/8.

Этот тип материала демонстрирует значительно лучшую ударную вязкость, чем ферритные структуры, но при этом может оставаться хрупким. Некоторые отдельные типы в процессе сварки характеризуются образованием мартенсита. Этот тип материала отмечается хорошими литейными свойствами, поэтому часто используется для литья нержавеющих стальных изделий, к примеру, клапанов и аналогичных.

Аустенитные нержавеющие стали

Одна из первых производных нержавеющей стали прошла следующий анализ:

углерод 0,12%,
хром 18%,
никель 8%.

Продукт получил характеристику нержавеющая сталь 18/8. Именно из этой основе несколько позже были разработаны другие типы нержавеек. За счёт добавления до 5% молибдена вместе с повышенным содержанием никеля было достигнуто улучшение антикоррозионных свойств.

Этот вид нержавеющей стали считается однофазным, то есть материал является аустенитным при всех температурах, за исключением некоторых случаев образования дельтаферрита при высоких температурах.

Процент углерода в составе аустенитных нержавеющих сталей низкий, поскольку хром является очень сильным производителем карбида. Образование карбида хрома является нежелательным элементом многих нержавеющих сталей. Крайне сложно и дорого снижать содержание углерода до такого необходимого уровня.

Продукт — пружины металлические для механических систем, изготовленные на основе аустенитной нержавейки. Такие изделия используются повсеместно и в больших количествах

Поэтому нержавеющую сталь часто легируют титаном и ниобием, которые являются сильными генераторами карбида. Таким методом удаётся избежать образования карбидов хрома. Аустенитную нержавейку условно разделяют на четыре группы в соответствии с легирующим составом, в частности, в отношении процентного содержания углерода:

содержание до 0,10%,
содержание до 0,06%,
содержание до 0,03%,
содержание до 0,06%.

Углерод соединяется с титаном или ниобием, что предотвращает образование карбида хрома. Легирование молибденом улучшает коррозионные свойства против хлоридов и разбавленных кислот. Чтобы сохранить аустенитную структуру, при увеличении содержания молибдена необходимо повысить содержание никеля.

Свариваемость аустенитных нержавеющих сталей

Аустенитные нержавеющие стали легко свариваются без образования мартенсита в зоне термического влияния. Однако следует учитывать: аустенитные нержавеющие стали имеют низкую теплопроводность.

Этот параметр отмечается на уровне не выше 40% по сравнению с обычной стальной структурой. Коэффициент теплового расширения составляет приблизительно на 50% больше, чем для обычной структуры.

Эти условия характеризуют материал как склонный к напряжениям и деформациям. Если процентное содержание углерода достаточно велико, может происходить осаждение карбидов хрома, когда температура повышается и достигает диапазона 450°C — 800°C.

Осаждение происходит на границах зёрен аустенита, то есть области гамма-кристаллов рядом с карбидами хрома становятся «расщеплёнными». Таким образом, утрачивается коррозионная стойкость. Содержание углерода должно быть достаточно большим для образования карбидов хрома.

Так обстоит дело с упомянутыми выше группами 1 и 2, и поэтому эти типы нержавеек необходимо подвергать термообработке после процесса сварки, чтобы восстановить содержание хрома в аустенитных зёрнах.

Термообработку логично проводить при температурах 1000°C — 1100°C, когда карбиды хрома растворяются, и содержание хрома равномерно перераспределяется в гамма-кристаллах. Охлаждение до температуры ниже 400°C следует выполнять очень быстро, чтобы избежать повторного образования карбидов.

Даже при такой высокой температуре термообработки аустенитная нержавеющая сталь не очень склонна к росту зерна. При работе с большой конструкцией, когда такого рода термообработка невозможна, необходимо выбирать нержавеющую сталь ELC группы 3. Этот материал имеет очень низкое содержание углерода и, следовательно, не образует карбидов.

Стабилизированная нержавеющая сталь + свариваемость

Стабилизированные нержавеющие стали также допустимо сваривать без последующей термической обработки. Нержавеющая сталь может быть легирована:

титаном,
никелем,
хромом,
танталом.

Эти элементы потребляют углерод и делают невозможным образование карбида хрома. Из-за трудностей вышеупомянутой термической обработки, свариваемые нержавеющие стали не требуют термической обработки после сварки (группа 4, где содержание углерода менее 0,1%). Эти нержавеющие стали также подходят для применения при более высоких температурах.

При легировании стабилизаторами: титаном или ниобием, образуются стабильные карбиды, предотвращающие образование нежелательных карбидов хрома. Количество стабилизаторов зависит от содержания. Содержание титана должно быть в 10 раз больше содержания углерода, тогда как содержание тантала, которое обычно заменяет часть содержания ниобия, должно быть в 20 раз больше содержания углерода.

Титан не используется в наполнителе, так как легко окисляется и образует оксид титана. Наполнитель обычно стабилизируется ниобием. Титан имеет важные экономические преимущества, тем не менее, считается менее активным, чем ниобий. Недостатком титана является долгий процесс полировки, если требуется получить полностью гладкую поверхность.

Обычное производство пластин и профилей приводит к соединению углерода в карбид титана, так что нержавеющие стали обычно устойчивы к межкристаллитной коррозии. Стабилизированные нержавеющие стали выгодны для конструкций, работающих под высоким давлением и в условиях высоких температур.

Предел ползучести и предел прочности при высоких температурах для таких материалов лучше, чем у нестабилизированных нержавеющих сталей. Стабилизированные нержавеющие стали также более устойчивы к межкристаллитной коррозии при температурах выше 400°C. Когда стабилизированные нержавеющие стали отжигаются в течение нескольких часов и медленно охлаждаются, образования карбидов хрома не отмечается.

Читайте также: