Руководство по высокопроизводительной аустенитной нержавеющей стали -- Металлургический обзор

1. Типы нержавеющей стали

Нержавеющая сталь представляет собой сплав на основе железа с содержанием хрома не менее 10,5 процентов. Он широко используется из-за его хорошей коррозионной стойкости и высоких температурных характеристик. Когда содержание хрома достигает 10,5%, на поверхности стали образуется слой богатого хромом оксида, который называется пассивирующим слоем или пассивирующей пленкой. Эта пленка защищает нержавеющую сталь от коррозии, как и обычную сталь. Существует множество видов нержавеющей стали, но вся нержавеющая сталь должна соответствовать требованиям по минимальному содержанию хрома.

Нержавеющая сталь делится на пять категорий: аустенитная нержавеющая сталь, ферритная нержавеющая сталь, дуплексная нержавеющая сталь (со смешанной структурой феррита и аустенита), мартенситная нержавеющая сталь и нержавеющая сталь с дисперсионным твердением. Классификация этих категорий связана с кристаллической структурой (расположением атомов) и термической обработкой нержавеющей стали. Группа кристаллов с одинаковой кристаллической структурой в металле называется фазой. В нержавеющей стали есть три основные фазы: аустенит, феррит и мартенсит. Тип и количество металлографической структуры нержавеющей стали можно определить с помощью стандартного процесса металлографического контроля и оптического металлографического микроскопа.

Характеристика аустенитной нержавеющей стали заключается в том, что металлографическая структура в основном аустенитная. Кристаллическая структура аустенитной фазы представляет собой гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, то есть в каждом углу и в центре каждой грани куба есть атом. Напротив, кристаллическая структура ферритовой фазы представляет собой объемно-центрированную кубическую (ОЦК) структуру с одним атомом в каждом углу и центре куба. Кристаллическая структура мартенситной фазы представляет собой объемно-центрированную тетрагональную структуру с высокими деформациями.

Кристаллическая структура аустенитной фазы представляет собой гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку, ферритная фаза представляет собой объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку, а мартенситная фаза представляет собой объемноцентрированную тетрагональную (ОЦК) решетку.

 

1.1 Аустенитная нержавеющая сталь:

Аустенитная нержавеющая сталь не обладает магнетизмом, средним пределом текучести, высокой скоростью упрочнения, высокой прочностью на растяжение, хорошей пластичностью и отличной низкотемпературной ударной вязкостью. В отличие от других нержавеющих сталей, ударная вязкость аустенитных нержавеющих сталей медленно снижается с понижением температуры. Аустенитная нержавеющая сталь не имеет определенной температуры вязко-хрупкого перехода (DBTT), поэтому она является идеальным материалом для применения при низких температурах.

Диаграмма температуры вязко-хрупкого перехода (ВТХП) аустенитной, ферритной и дуплексной (аустенитно-ферритной) нержавеющей стали. Фактическая DBTT зависит от толщины среза, химического состава и размера зерна. DBTT ферритной нержавеющей стали обычно составляет от 20 до - 30 градусов C (от 70 до - 22 градусов F).

 

Аустенитная нержавеющая сталь обладает хорошей свариваемостью и может быть изготовлена ​​из различных сложных форм. Эта серия нержавеющих сталей не может быть закалена или усилена термической обработкой, но может быть усилена холодной штамповкой или деформационным упрочнением (см. ASTM A666). Аустенитная нержавеющая сталь, особенно стандартная аустенитная нержавеющая сталь, имеет потенциальный недостаток, заключающийся в том, что по сравнению с ферритной нержавеющей сталью и дуплексной нержавеющей сталью она склонна к коррозионному растрескиванию под воздействием хлоридов.

Серия 300 или стандартная аустенитная нержавеющая сталь обычно содержат от 8 до 11 процентов никеля и от 16 до 20 процентов хрома. Металлографическая структура стандартной аустенитной нержавеющей стали в основном состоит из аустенитных зерен и содержит небольшое количество (обычно 1–5 процентов) фазы δ-феррита (рис. 3). Из-за присутствия ферритной фазы эти аустенитные нержавеющие стали обладают небольшим магнетизмом.

Типичная металлографическая структура кованой нержавеющей стали 304L состоит из аустенитных зерен и отдельных полосок феррита © TMR Stainless.

 

По сравнению с нержавеющей сталью серии 300, аустенитная нержавеющая сталь серии 200 имеет более низкое содержание Ni, но более высокое содержание Mn и N. Прочность и коэффициент деформационного упрочнения нержавеющей стали серии 200 выше, чем у нержавеющей стали серии 300. Из-за низкого содержания никеля нержавеющая сталь серии 200 иногда используется в качестве дешевого заменителя нержавеющей стали серии 300.

Микроструктура высококачественной аустенитной нержавеющей стали полностью состоит из аустенитной фазы без ферромагнетизма (рис. 4). По сравнению со стандартной аустенитной нержавеющей сталью высокоэффективная аустенитная нержавеющая сталь содержит больше элементов никеля, хрома и молибдена и обычно содержит азот. Эти нержавеющие стали обладают высокой коррозионной стойкостью в агрессивных средах, таких как сильная кислота, сильная щелочь и среда с высоким содержанием хлоридов, включая солоноватую воду, морскую воду и соленую воду. По сравнению со стандартной аустенитной нержавеющей сталью высокоэффективная аустенитная нержавеющая сталь имеет более высокий класс прочности и лучшую стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Металлографическая структура высококачественной аустенитной нержавеющей стали с содержанием молибдена 6%, полностью состоящая из аустенитных зерен © TMR Stainless.

 

1.2 Ферритная нержавеющая сталь:

Микроструктура ферритной нержавеющей стали представляет собой ферритную фазу. Ферритная нержавеющая сталь имеет низкое содержание никеля или вообще не содержит его и является ферромагнитной. Его нельзя упрочнить термической обработкой. Ферромагнитные свойства этого типа нержавеющей стали аналогичны свойствам углеродистой стали. Ферритная нержавеющая сталь обладает хорошей прочностью и стойкостью к коррозионному растрескиванию под воздействием хлоридов намного лучше, чем стандартная аустенитная нержавеющая сталь серии 300. Однако их формуемость и свариваемость плохие. Их ударная вязкость не так хороша, как у аустенитной нержавеющей стали, и будет снижаться с увеличением толщины сечения. С понижением температуры ферритная нержавеющая сталь будет демонстрировать очевидный переход от пластичности к хрупкости. Ограниченное этими факторами использование ферритной нержавеющей стали обычно ограничивается изделиями с меньшей толщиной стенки, такими как тонкие пластины, полосы и тонкостенные трубы.

 

1.3 Дуплексная нержавеющая сталь:

Дуплексная нержавеющая сталь состоит из ферритной и аустенитной фаз, каждая из которых составляет примерно половину. Дуплексная нержавеющая сталь имеет многие характеристики аустенитной и ферритной нержавеющей стали. Хотя термическая обработка не может упрочнить такие стали, их предел текучести обычно в два раза выше, чем у стандартной аустенитной нержавеющей стали, а их магнитное притяжение пропорционально объемной доле ферритной фазы. Дуплексное свойство металлографической структуры дуплексной нержавеющей стали делает ее стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением лучше, чем у стандартной аустенитной нержавеющей стали.

 

1.4 Мартенситная нержавеющая сталь:

Микроструктура мартенситной нержавеющей стали в основном представляет собой мартенсит, который может содержать небольшое количество вторичных фаз, таких как феррит, аустенит и карбид. Мартенситная нержавеющая сталь является ферромагнитной и похожа на углеродистую сталь. Окончательная твердость зависит от конкретной термической обработки. Мартенситная нержавеющая сталь обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью, плохой ударной вязкостью и высокой температурой вязко-хрупкого перехода. Они плохо поддаются сварке и, как правило, требуют термообработки после сварки. Таким образом, мартенситная нержавеющая сталь, как правило, ограничивается применением, не связанным со сваркой. Содержание хрома в мартенситной нержавеющей стали не слишком велико. Некоторые элементы хрома выделяются в виде карбидов, что приводит к низкой коррозионной стойкости, обычно ниже, чем у стандартной аустенитной нержавеющей стали 304/304L. Из-за плохой ударной вязкости и коррозионной стойкости мартенситная нержавеющая сталь обычно используется для изделий, требующих высокой прочности и твердости, таких как инструменты, крепежные детали и валы.

 

1.5 Нержавеющая сталь дисперсионного твердения:

Нержавеющая сталь с дисперсионным твердением (PH) также может быть усилена термообработкой. Основная особенность этого типа нержавеющей стали заключается в том, что ее частичное упрочнение достигается за счет механизма осаждения. Мелкие интерметаллические осадки образуются путем старения, упрочняющей термической обработки для повышения прочности. Из-за высокого содержания хрома дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь обладает лучшей коррозионной стойкостью, чем мартенситная нержавеющая сталь, и подходит для высокопрочных применений, требующих хорошей коррозионной стойкости. Нержавеющая сталь с дисперсионным твердением в основном используется для изготовления пружин, крепежных деталей, деталей самолетов, валов, шестерен, сильфонов и деталей реактивных двигателей.

 

2. Фазовый состав:

Легирующие элементы влияют на соотношение фазового равновесия и оказывают сильное влияние на стабильность аустенитной, ферритной и мартенситной фаз. Элементы, добавляемые в нержавеющую сталь, можно разделить на элементы, образующие ферритную фазу, и элементы, образующие аустенитную фазу. Фазовое равновесие зависит от химического состава, температуры отжига и скорости охлаждения стали. На устойчивость к коррозии, прочность, ударную вязкость, свариваемость и формуемость влияет фазовое равновесие.

Ферритообразующие элементы способствуют образованию ферритной фазы, а аустенитообразующие элементы способствуют образованию аустенитной фазы. В таблице 3 перечислены распространенные элементы, образующие ферритную и аустенитную фазы. Марка нержавеющей стали и ее применение определяют требуемый фазовый баланс. Большинство стандартных аустенитных нержавеющих сталей имеют небольшое количество ферритной фазы при отжиге на твердый раствор. Отжиг на твердый раствор может улучшить свариваемость и ударную вязкость при высоких температурах. Однако, если содержание ферритовой фазы слишком велико, другие свойства, такие как коррозионная стойкость и ударная вязкость, будут снижены. Высококачественная аустенитная нержавеющая сталь разработана в соответствии со всеми аустенитными фазами в условиях отжига на твердый раствор.

 

Чтобы контролировать фазовый состав стали и, следовательно, свойства стали, необходимо поддерживать равновесие элементов сплава. Структурная диаграмма Шеффлера (рис. 5) отражает взаимосвязь между химическим составом нержавеющей стали и ожидаемой фазовой структурой в состоянии затвердевания, выявляемой по микроструктуре сварного шва. Таким образом, пользователи могут прогнозировать фазовое равновесие на основе заданного химического состава. Рассчитайте «никелевый эквивалент» и «хромовый эквивалент» по химическому составу и изобразите их на рисунке. Формула общих параметров организационной структуры Schaeffler выглядит следующим образом:

Никелевый эквивалент{{0}} процентов Ni плюс 30 процентов C плюс 0,5 процента Mn плюс 30 процентов N

Эквивалент хрома{{0}} % Cr плюс % Mo плюс 1,5 % Si плюс 0,5 % Nb

Типичная высокоэффективная аустенитная нержавеющая сталь содержит около 20 процентов Cr, 6 процентов Mo, 20 процентов Ni и 0,2 процента N, которые расположены в однофазной зоне аустенитной фазы на рисунке, рядом с «ферритной фазой». » линия с эквивалентом никеля около 24 и эквивалентом хрома около 26. Напротив, химический состав стандартной нержавеющей стали (например, 304) соответствует дуплексной зоне аустенита плюс феррит (A плюс F) с небольшим количеством феррита фаза. Ферритная нержавеющая сталь находится в зоне ферритной фазы на рисунке, а дуплексная нержавеющая сталь находится в дуплексной зоне аустенита плюс феррит (A плюс F).