Аустенитная сталь что это такое?

Содержание

Аустенитная сталь: что это такое, марки, класс, свойства, применение

Аустенитная сталь что это такое?

29Янв

При изготовлении металла на предприятии используется классификация заготовок по структурным особенностям. Обычно металлурги наблюдают за изменениями структуры в ходе металлообработки в том числе после термообработки. И одним из таких состояний является аустенит, а уже после закалки с последующим охлаждением можно получить перлит, мартенсит и прочие изменения. В статье расскажем про то, какие стали относятся к аустенитному классу, какие свойства имеют эти материалы.

Данное образование может быть получено в стальной заготовке, то есть в растворе железа с добавлением углерода. Особенность данного состояния заключается в том, как располагаются атомы этих веществ. Они последовательно образуют рисунок в одном из двух вариантов:

  • ОЦК А-Fe. Это объемно-центрированное строение, согласно которому атомы располагаются так: они находятся на каждой вершине куба (всего их 8), а также один находится в самом центре). Такой вариант получается не часто, в среднем в 10% случаев.
  • ГЦК У-Fe. Объемность строения сохраняется, но к предыдущем вершинным точкам добавляется еще такое же количество – они размещаются по центру каждой грани. А в сердцевине атома нет. Таким образом, всего их 16. Это наиболее часто появляющаяся структура – гранецентрированная. Она очень крепкая по отношению к низким и высоким температурам, а также к нагрузкам.

Если сказать, что это такое значит «аустенитная сталь» по простому, то это особенная структура металла, которая предопределяет технические характеристики сплава. При изменении его состояния (нагреве, охлаждении и т.д.) меняются и свойства. Именно благодаря прохождению через аустенит с последующим охлаждением возможна такая популярная термообработка, как закалка (нагрев выше критической точки – до изменения кристаллической решетки). Данная процедура пользуется популярностью, потому что это отличный недорогой и достаточно технологически простой способ повышения прочности металла.

Данная модификация металла отличается высокой степенью легирования (наиболее частотная легирующая добавка – хром). Ее особенность – наличие гранецентрированной решетки, а также то, что она сохраняется даже при экстремальном холоде. Из основных характеристик аустенитов – прочность, устойчивость к деформациям даже при нагреве. Все это позволяет использовать изделия из материала в самых опасных, агрессивных средах, очень активно они применяются в машиностроении, а также в химической и нефтяной промышленности.

статьи

Механические свойства аустенитных сталей

В момент кристаллизации металл проходит 1 фазу, и после этого кристаллическая решетка остается неизменной даже при воздействии сверхнизких температур, например, -200 градусов. Сплав имеет в основу железо и обязательно подвергается легированию. Наиболее часто используются такие легирующие добавки как никель и хром, в меньшей концентрации добавляются прочие примеси. В зависимости от того, насколько велики пропорции химических металлических и неметаллических веществ, меняются и характеристики – химические, физические, технологические, появляются особые свойства.

В процессе легирования используют добавки:

  • Ферритизаторы. Они стабилизируют структуру аустенита, а также после охлаждения увеличивают долю феррита. Также они предопределяют образование ОЦК-решетки. К ним относятся следующие элементы: ванадий, вольфрам, титан, кремний, ниобий, молибден.
  • Аустенизаторы. Они расширяют область аустенита. Интересно, что есть даже термин аустенизация – это специальный нагрев, как во время закалки, с последующим кратковременным выдерживанием и охлаждением.

Не все марки класса аустенитных сталей обладают одинаковыми свойствами. Ведь кроме метода термообработки, важен еще и состав. Поэтому как и во всех других случаях при рассмотрении структурных разновидностей сплавов, следует учитывать входящие компоненты и пропорции. Мы отметим, какие свойства характерны некоторым из аустенитов:

  • Нержавеющие, устойчивые к коррозии. Производство этих популярных сталей регламентируется нормативным документом ГОСТ 5632-2014. Согласно ему, в таких составах находится 18% хрома, 30% никеля и 0,25% углерода. А еще могут быть различные примеси (как полезные, так и вредные), например, кремний, марганец и молибден. Коррозионная невосприимчивость настолько ценится, что применяется повсеместно – от изготовления изделий бытового назначения до сложных узлов в машиностроении. Вещества вступают в реакцию с кислородом и образуют на поверхности оксидную пленку. Именно она является защитной и не нарушается даже при сильных температурных перепадах. Невосприимчивость к нагреву объясняется достаточно низкой углеродистостью.
  • Аустенитные жаропрочные стали. У них очень высокая предельная точка нагрева, поэтому их можно использовать в сложных подвижных узлах, а также при непосредственном контакте с паром, огнем и иными раскаленными предметами. Температура вплоть до 1100 градусов им абсолютно не страшна, она не сделает существенных изменений в глубинной структуре материала. Это объясняется тем, что сплав обладает ГЦК-решеткой и такими добавками как бор, ниобий, молибден, ванадий и вольфрам. Перечисленные примеси и увеличивают устойчивость к жару. Приведем пример использования – турбины самолетов, все элементы двигателя внутреннего сгорания автомобиля и пр.
  • Хладостойкие. Чтобы добиться такого эффекта, следует изготовить высоколегированную сталь с высокой концентрацией никеля (25%) и хрома (19%). Интересной особенностью данных изделий является то, что высокая прочность, пластичность поддерживаются только на морозе, в то время как при комнатной температуре характеристики могут поменяться в негативную сторону.
Читайте также  Как намагнитить магнит в домашних условиях?

Отметим, что состав аустенитной стали является дорогостоящим, поскольку в него добавлено большое количество легирующих компонентов. Поэтому далеко не все производственные сферы могут похвастаться наличием деталей из аустенита. Основными примесями являются хром и никель, а они дорого стоят.

Данному классу сплавов характерны различные контролируемые структурные превращения, так можно получить:

  • Феррит, если нагреть состав до сверхвысоких температур.
  • Межкристаллическая коррозия. Этого стараются не допускать, поскольку данный процесс приводит ко внутренним разрушениям структуры, глубоких слоев и поверхности. Дело в том, что когда железо нагревается более 900 градусов, то появляются избыточные фазы карбидов, которые, в свою очередь, уже влияют на коррозийные преобразования.
  • Перлит. Это часто используемая структура металла, которая представлена в виде небольших зерен и пластин. Его образование неизбежно при медленном, постепенном охлаждении заготовки непосредственно вместе с печью до температуры в 730 градусов. Именно на этом рубеже происходят изменения в кристаллической решетке из-за эвтектоидного распада. Также его называют перлитным превращением. В ходе данного процесса одновременно растет феррит и цементит, имеющие пластинчатую форму.
  • Мартенсит. Это еще один тип структуры, представленный пластинами в виде иголок или тонких реек. Он образуется, когда резко снижают температуру изделия, например, сразу из печи и в холодную воду или в масло.

Таким образом, любые превращения являются предусмотренными заранее и контролируемыми. Обычно решающим фактором процедуры является время выдержки и температура нагрева и охлаждения. Это определяется содержанием углерода и прочих легирующих добавок. Те сплавы, которые имеют наименьшее количество примесей, кристаллизуются быстрее.

Методы получения аустенитных углеродистых сталей

Весь первоначальный процесс можно описать так: чтобы получить аустенит, необходимо чтобы в первоначальной структуре сплавов начали появляться и расти зерна. Сперва зернистость меняется у поверхности при фазах появления карбидов, со временем полностью толща заготовки меняет свою структуру.

Второй способ изготовления аустенита – это нагрев до 900 градусов перлитной модификации железа (после эвтектоидного распада). Такой сплав состоит частично из цементита, на вторую часть из феррита. Чтобы такое превращение произошло, необходима минимальная углеродистость стали – не меньше, чем 0,66% содержание вещества. После того как повышается температура более чем на 900 градусов, ферритная структура перевоплощается в аустенитную, а цементитная полностью растворяется. Получается прекрасного качества нержавейка.

Есть еще один вариант – с титановой смесью. В таких случаях берется металлическая заготовка, она помещается в индукционную печь, в которой поддерживается вакуум. В ней сперва достигается высокий жар, а затем он долгий период поддерживается. За это время происходит диазотирование, то есть удаление из стального расплава атомов азота. Временной промежуток определяется индивидуально в зависимости от массы заготовки. Затем постепенно добавляются титан и другие металлические и неметаллические примеси, которые образуют нитриды в реакции с железом.

Но основной способ получения аустенитной стали базируется на создании высоколегированного хромоникелевого сплава. Легировать изделие можно с помощью добавления хрома и никеля. После того как вещества добавлены в тугой раствор, нужно продолжительное время поддерживать высокую температуру, это дает:

  • устойчивость к коррозии;
  • прочность;
  • жаростойкость;
  • увеличенное выделение карбидов.

А если добавить молибден и фосфор, то можно добиться повышенной вязкости и усталостной прочности.

Химические элементы и их влияние на аустенит

Как и любая легированная сталь, в своей основе данная может иметь ряд легирующих добавок. Давайте посмотрим, как их содержание в расплаве влияет на основные качества металла:

  • Хром. Его высокая концентрация, превышающая 13% (но не более 19%), способствует созданию оксидной пленки. Она, как известно, препятствует возникновению коррозии. Интересно, что такое действие хрома актуально исключительно при невысоком содержании углерода. Поскольку в обратном случае эти два элемента начинают вступать в реакцию, образуя карбид, который, напротив, ускоряет процесс ржавления.
  • Никель. Еще один постоянно использующийся материал. Его может быть очень много, даже более 50%. Но для того чтобы получить из железа аустенит, достаточно всего 9-12 процентов. Химическое вещество очень положительно воздействует на пластичность – она становится выше. Кроме того, зернистость становится меньше, что хорошо сказывается на прочности.
  • Углерод. Добавляют обычно сотые, десятые доли. Этого достаточно для того, чтобы повысить прочность. Это обусловлено тем, что вещество приводит к образованию карбидов.
  • Азот. Он заменяет углерод, если тот нельзя добавлять в сплав по каким-либо причинам, например, если изделие должно обладать стойкостью к электрическому и химическому воздействию.
  • Бор. Очень хорошо увеличивает пластичность, даже если вещество находится в очень небольшом количестве, а зерно становится меньше.
  • Кремний и марганец. Добавляют для стабилизации аустенита, а также для повышения прочности.
  • Титан и ниобий. Применяют при изготовлении хладостойких сплавов.

Применение аустенитных сталей

Наиболее частое использование:

  • Любые элементы, которые используются при высоких температурах – более 200 градусов (вплоть до 1100). Это могут быть самолетные турбины или различные детали в двигателе. Однако следует внимательно следить за тем, какие химические реакции будут происходить при контакте с топливом, паром и другими агрессивными средами. Иногда возникают трещины. Чтобы предотвратить такую возможность, следует добавить такие примеси как ванадий и ниобий. С ними будет сформирована карбидная фаза, за счет чего происходит упрочнение поверхности.
  • Различные механизмы, которые подвергаются быстрым температурным перепадам. Например, при сварке некоторых материалов.
  • Электрическое оборудование, контакты. Их можно сделать благодаря тому, что аустенит устойчив к электромагнитным волнам.
  • Детали для устройств, работающих в водной среде или в условиях повышенной влажности. Это возможно из-за коррозионной устойчивости. Никель и хром, которые способствуют этой характеристики, также продлевают износ элемента.
Читайте также  Как захромировать деталь в домашних условиях?

Марки аустенитной стали

Все классы можно поделить на три категории:

  • Коррозионностойкие: 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 06Х18Н11 (они содержат хром и никель), 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5 (с добавкой марганца), 08Х17Н13М2Т, 03Х16Н16ЬЗ (особенность – наличие молибдена), 02Х8Н22С6, 15Х18Н12С4Т10 (в них много кремния).
  • Жаропрочные, например, 08Х16Н9М2, 10Х14Н16Б, 10Х18Н12Т, 10Х14Н14В2БР. Особенностью является наличие в них бора, вольфрама, ниобия, ванадия или молибдена.
  • Хладостойкие: 03Х20Н16АГ6 и 07Х13Н4АГ20, в них очень много хрома и никеля.

Обратите внимание на маркировку, она обусловлена нормативным документом, ниже о нем.

ГОСТ 5632-2014

Данный документ диктует требования к каждой конкретной марке. В представленных там таблицах перечисляются качества и показатели, которые отвечают за итоговый результат – прочность, износостойкость и пр. Посмотрим на маркировку и отметим, что она сочетает в себе цифры и буквы.

Литеры обозначают ту легирующую добавку, которая находится в наибольшем количестве (мельчайшие примеси могут не отображаться в названии, но будут перечислены в техническом паспорте сплава). В самом начале стоит только цифра – это сотые доли углерода. Затем буква добавки с последующим уточнением – сколько процентов.

Посмотрим на простом примере. 06Х18Н11, в этой марке:

  • 0,06% углерода;
  • 18% хлора;
  • 11% никеля.

Представим таблицу элементов, которые содержатся в наиболее распространенных марках:

Особенности термообработки

Несмотря на то что данный материал обладает повышенными прочностными характеристиками, он очень плохо подвергается металлообработке. Обычно, чтобы улучшить качества заготовки используется один из методов:

  • Отжиг. Данный процесс заключается в нагреве до высоких температур (изменения кристаллической решетки) с последующей выдержкой на протяжении нескольких часов. После этого происходит охлаждение одним из способов – в масле, воде, на воздухе при комнатных условиях. Это способствует снижению твердости аустенитных сталей.
  • Двойная закалка. Повторная процедура нагрева позволяет повысить жаропрочность материала. Дополнительно зачастую используют старение.

Аустенит – очень часто используемый сплав. Чтобы подробнее разобраться в теме, посмотрим видео:

Источник: https://www.rocta.ru/info/austenitnaya-stal-chto-eto-takoe-marki-klass-svojstva-primenenie/

Аустенитные нержавеющие стали: структура и свойства

Аустенитная сталь что это такое?

Аустенитные нержавеющие стали – это коррозионностойкие хромоникелевые аустенитные стали, которые в мировой практике известны как стали типа 18-10. Это наименование им дает номинальное содержание в них 18 % хрома и 10 % никеля.

Хромоникелевые аустенитные стали в ГОСТ 5632-72

В ГОСТ 5632-72 хромоникелевые аустенитные стали представлены марками 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10, 03Х18Н11.

Роль хрома в аустенитных нержавеющих сталях

Основным элементом, дающим сталям типа 18-10 высокую коррозионную стойкость, является хром. Роль хрома заключается в том, что он обеспечивает способность стали к пассивации. Наличие в стали хрома в количестве 18 % делает ее стойкой во многих окислительных средах, в том числе в азотной кислоте в большом диапазоне, как по концентрации, так и по температуре.

Роль никеля в аустенитных нержавеющих сталях

Легирование никелем в количестве 9-12 % переводит сталь в аустенитный класс. Это обеспечивает стали высокую технологичность, в частности, повышение пластичности и снижение склонности к росту зерна, а также уникальные служебные свойства. Стали типа 18-10 широко применяют в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

Фазовые превращения в аустенитных нержавеющих сталях

В хромоникелевых аустенитных сталях могут происходить следующие фазовые превращения:

  • выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале в интервале 450-900 ºС;
  • образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном нагреве;
  • образование α-фазы мартенситного типа при холодной пластической деформации или охлаждении ниже комнатной температуры.

Межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях

Склонность стали к межкристаллитной коррозии проявляется в результате выделения карбидных фаз. Поэтому при оценке коррозионных свойств стали важнейшим фактором является термокинтетические параметры образования в ней карбидов.

Склонность к межкристаллитной коррозии закаленной стали типа 18-10 определяется, в первую очередь, концентрацией углерода в твердом растворе. Повышение содержания углерода расширяет температурный интервал склонности стали к межкристаллитной коррозии.

Сталь типа 18-10 при выдержке в интервале 750-800 ºС становится склонной к межкристаллитной коррозии:

  • при содержании углерода 0,084 % – уже   в течение 1 минуты;
  • при содержании углерода 0,054 % – в течение 10 минут;
  • при содержании углерода 0,021 5 – через более чем 100 минут.

С уменьшением содержания углерода одновременно снижается температура, которая соответствует минимальной длительности изотермической выдержки до начала межкристаллитной коррозии.

Сварка аустенитных нержавеющих сталей

Необходимую степень стойкости стали против межкристаллитной коррозии, позволяющей выполнять сварку достаточно толстых сечений, обеспечивает содержание углерода в стали типа 18-10 не более 0,03 %.

Межкристаллитная коррозия при 500-600 ºС

Снижение содержания углерода даже до 0,006 % не обеспечивает полной стойкости сталей типа 18-10 к межкристаллитной коррозии при 500-600 ºС.  Это представляет опасность при длительной службе металлоконструкций в этом интервале температур.

Стабилизация стали титаном и ниобием

При введении в хромоникелевую сталь типа 18-10 титана и ниобия, которые способствуют образования карбидов, меняются условия выделения карбидных фаз. При относительно низких температурах 450-700 ºС преимущественно выделяются карбиды типа Cr23C6, которые и дают склонность к межкристаллитной коррозии. При температурах выше 700 ºС преимущественно выделяются специальные карбиды типа TiC или NbC. При выделении только специальных карбидов склонности к межкристаллитной коррозии не возникает.

Читайте также  Dc и ac напряжение что это?

Азот в аустенитных нержавеющих сталях

Азот, как и углерод, имеет переменную растворимость в аустените. Азот может образовывать при охлаждении и изотермической выдержке самостоятельные нитридные фазы или входить в состав карбидов, замещая в них углерод. Влияние азота на склонность к межкристаллитной коррозии хромоникелевых аустенитных сталей значительно слабее, чем у углерода, и начинает проявляться только при содержании его более 0,10-0,15 %. Вместе с тем, введение азота повышает прочность хромоникелевой аустенитной стали. Поэтому на практике применяют в этих сталях небольшие добавки азота.

Влияние содержания хрома

С повышением концентрации хрома растворимость углерода в хромоникелевом аустените уменьшается, что облегчает выделение в нем карбидной фазы. Это, в частности, подтверждается снижением ударной вязкости стали с повышением содержания хрома, что связывают с образованием карбидной сетки по границам зерен.

Вместе с тем, повышение концентрации хрома в аустените приводит к существенному снижению склонности стали к межкристаллитной коррозии. Это объясняют тем, что хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Более высокая концентрация хрома в стали дает меньшую степень обеднения им границ зерен при выделении там карбидов.

 Влияние содержания никеля

Никель снижает растворимость углерода в аустените и тем самым снижает ударную вязкость стали после отпуска и повышает ее склонность к межкристаллитной коррозии.

Влияние легирующих элементов на структуру стали

По характеру влияния легирующих и примесных элементов на структуру хромоникелевых аустенитных сталей при высокотемпературных нагревах их разделяют на две группы:1) ферритообразующие элементы: хром, титан, ниобий, кремний;

2) аустенитообразующие элементы: никель, углерод, азот.

Дельта-феррит в хромомолибденовой аустенитной стали

Присутствие дельта-феррита в структуре аустенитной хромоникелевой стали типа 18-10 оказывает отрицательное влияние на ее технологичность при горячей пластической деформации – прокатке, прошивке, ковке, штамповке.

Количество феррита в стали жестко лимитируется соотношением в ней хрома и никеля, а также технологическими средствами. Наиболее склонна к образованию дельта-феррита группа сталей типа Х18Н9Т (см. также Нержавеющие стали). При нагреве этих сталей до 1200 ºС в структуре может содержаться до 40-45 % дельта-феррита. Наиболее стабильными являются стали типа Х18Н11 и Х18Н12, которые при высокотемпературном нагреве сохраняют практически чисто аустенитную структуру.

Мартенсит в хромоникелевых аустенитных  сталях

В пределах марочного состава в сталях типа Х18Н10 хром, никель, углерод и азот способствуют понижению температуры мартенситного превращения, которое вызывается охлаждением или пластической деформацией.

Влияние титана и ниобия может быть двояким. Находясь в твердом растворе, оба элемента повышают устойчивость аустенита в отношении мартенситного превращения. Если же титан и ниобий связаны в карбонитриды, то они могут несколько повышать температуру мартенситного превращения. Это происходит потому, что аустенит в этом случае обедняется углеродом и азотом и становится менее устойчивым. Углерод и азот являются сильными стабилизаторами аустенита.

Термическая обработка хромоникелевых аустенитных  сталей

Для хромоникелевых аустенитных сталей возможны два вида термической обработки:

  • закалка и
  • стабилизирующий отжиг.

Параметры термической обработки отличаются для нестабилизированных сталей и сталей, стабилизированных титаном или ниобием.

Закалка является эффективным средством предупреждения межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойства.

Стабилизирующий отжиг закаленной стали переводит карбиды хрома:

  • в неопасное для межкристаллитной коррозии состояние для нестабилизированных сталей;
  • в специальные карбиды для стабилизированных сталей.

Закалка аустенитных хромоникелевых сталей

В сталях без добавок титана и ниобия под закалкой понимают нагрев выше температуры растворения карбидов хрома и достаточно быстрое охлаждение, фиксирующее гомогенный гамма-раствор. Температура нагрева под закалку с увеличением содержания углерода возрастает. Поэтому низкоуглеродистые стали закаливаются с более низких температур, чем высокоуглеродистые. В целом интервал температуры нагрева составляет от 900 до 1100 ºС.

Длительность выдержки стали при температуре закалки довольно невелика. Например, для листового материала суммарное время нагрева и выдержки при нагреве до 1000-1050 ºС обычно выбирают из расчета 1-3 минуты на 1 мм толщины.

Охлаждение с температуры закалки должно быть быстрым. Для нестабилизированных сталей с содержанием углерода более 0,03 % применяют охлаждение в воде. Стали с меньшим содержанием углерода и при небольшом сечении изделия охлаждают на воздухе.

Стабилизирующий отжиг аустенитных хромоникелевых сталей

В нестабилизированных сталях отжиг проводят в интервале температур между температурой нагрева под закалку и максимальной температуры проявления межкристаллитной коррозии. Величина этого интервала в первую очередь зависит от содержания хрома в стали и увеличивается с повышением его концентрации.

В стабилизированных сталях отжиг проводят для перевода углерода из карбидов хрома в специальные карбиды титана и ниобия. При этом освобождающийся хром идет на повышение коррозионной стойкости стали. Температура отжига обычно составляет 850-950 ºС.

Стойкость аустенитных хромоникелевых сталей к кислотам

Способность к пассивации обеспечивает хромоникелевым аустенитным сталям достаточно высокую стойкость в азотной кислоте. Стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Б и 02Х18Н11 имеют первый балл стойкости:

  • в 65 %-ной  азотной кислоте при температуре до 85 ºС;
  • в 80 %-ной азотной кислоте при температуре до 65 ºС;
  • 100 %-ной серной кислоте при температуре до 65 ºС;
  • в смесях азотной и серной кислот: (25 % + 70 %) и 10 % + 60 %) при температуре до 70 ºС;
  • в 40 %-ной фосфорной кислоте при 100 ºС.

Аустенитные хромоникелевые стали имеют также высокую стойкость к растворах органических кислот – уксусной, лимонной и муравьиной, а также в щелочах КОН и NaOH.

Источник: Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали сплавы, 1991.

  • Нержавеющие стали: феррит, мартенсит, аустенит
  • Зерно стали

Источник: https://steel-guide.ru/klassifikaciya/nerzhaveyushhie-stali/austenitnye-nerzhaveyushhie-stali-struktura-i-svojstva.html