2. Аморфный металл (металлическое стекло)

Общая теория кристаллизации жидкостей допускает возможность такого сильного переохлаждения расплавов, при котором число центров и скорость роста кристаллов становятся равными нулю и жидкость, загустевая, превращается в стекло, не претерпевая кристаллизации. Долгое время достичь такого состояния в металлах не удавалось, и многими высказывались сомнения относительно получения такого состояния. Однако затвердевание металлов и их сплавов подчиняется общим закономерностям теории кристаллизации, и это указывает на то, что в принципе такое состояние получить возможно.

Этому в первую очередь способствовало развитие техники быстрого охлаждения. Был применен способ, при котором летящая вниз капля жидкого металла расплющивается между двумя холодными медными плитами. Наилучшие результаты получают, выстреливая каплю вдоль радиуса быстро вращающегося диска-холодильника, на котором капля «размазывается» в виде топкой пленки.

Первые успешные опыты были проведены на сплавах системы благородный металл (Au, Pd) +17—25% (ат.) элемента полупроводника (Si, Ge). Рентгенограммы и электронограммы аморфных металлов такие же, как и у жидких расплавов (отсутствуют дифракционные пятна и кольца). Электросопротивление близко к электросопротивлению расплавов, Доказательством аморфного состояния служит также бурное выделение тепла (что следует рассматривать как выделение тепла кристаллизации) при нагреве до определенной температуры, обычно лежащей вблизи 300°С. При этой температуре происходит кристаллизация — переход из аморфного в кристаллическое состояние; она происходит во времени в полном соответствии с законами кристаллизации. Ее можно прервать охлаждением, и тогда структура металла будет состоять из мелких кристалликов, окруженных стекловидной фазой.

5. Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы

Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, в воде и во многих других средах, так как образующаяся пленка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического воздействия среды. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, и таким образом можно создать сталь (сплав), практически не подвергающуюся коррозии в данной среде.

При введении таких элементов в сталь (сплав) происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Не вдаваясь в подробности явлений, связанных с процессами коррозии и коррозионном разрушением, укажем, что введение в сталь более 12% хрома делает ее коррозионностойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие меньше 12% хрома, практически в столь же большой степени подвержены коррозии, как и железо. Сплавы, содержащие более 12 – 14% хрома, ведут себя как благородные металлы: обладая положительным потенциалом, они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот и щелочей.

Хромистые нержавеющие стали

Хромистые нержавеющие стали применяют трех типов:

• 13 % Cr;

• 17 % Cr;

• 27 % Cr.

Стали с 12 % Cr в зависимости от требований имеют различное содержание углерода (от 0,1 до 0,4%).

Стали с 17 – 18 и 25 – 28 % Cr имеют иногда небольшие добавки титана и никеля. Титан и никель вводят для измельчения зерна, а никель для улучшения механических свойств. Состав хромистых нержавеющих сталей, применяемых промышленностью, приведен в табл. 2.17.

Стали типа Х13 – распространенные и наиболее дешевые нержавеющие стали. Их применяют для бытовых назначений и в технике (лопасти гидротурбин, лопатки паровых турбин). Стали эти хорошо свариваются. Стали с низким содержанием углерода (1Х13, 2Х13) пластичны, из них хорошо штампуются различные детали. Стали 2Х13 и 4Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью, из них изготавливают детали повышенной прочности и износоустойчивости при высокой коррозионной стойкости.

Стали с 25 – 28 % хрома применяют для деталей печей (муфелей, чехлы термопар, реторты) при температурах 1050 - 1150°С.

Таблица 2.17

Состав хромистых нержавеющих сталей

Марка стали	Содержание элементов, %
	С	Cr	Ti	Mn	Si
0X13	0,08	11 – 13	—	≤0,6	≤0,6
1X13	0,09 – 0,15	12 – 14	—	≤0,8	≤0,8
2X13	0,16 – 0,25	12 – 14	—	≤0,8	≤0,8
3X13	0,26 – 0,35	12 – 14	—	≤0,8	≤0,8
4X13	0,36 – 0,45	12 – 14	—	≤0,8	≤0,8
X14	≤0,15	13 – 15	—	≤0,6	≤0,6
12X17	≤0,12	16 – 18	—	≤0,8	≤0,8
08X17T	≤0,08	16 – 18	5C – 0,8	≤0,8	≤0,8
15X25T	≤0,15	24 – 27	5C – 0,9	≤0,8	≤1,0
15X28	≤0,15	27 – 30	—	≤0,8	≤1,0

Хромоникелевые нержавеющие стали

Введение достаточного количества никеля в 18%-ную хромистую сталь обеспечивает лучшие механические свойства и делает сталь более коррозионностойкой и не хладноломкой.

Нержавеющие стали с 18% Cr и 10% Ni получили наиболее широкое распространение в машиностроение, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Промышленные хромоникелевые стали, естественно, не являются чистыми сплавами, а содержат примеси. Эти примеси влияют на условия равновесия, могут существенно изменить свойства стали.

Хромоникелевые стали могут быть разделены на три класса:

• аустенитные стали;

• аустенито – мартенситные стали (стали переходного класса);

• аустенито – ферритные стали.

Составы промышленных хромоникелевых нержавеющих сталей приведены в Приложении 7

В приложение включены не только хромоникелевые стали, в том числе и с дополнительным легированием, но и такие, в которых марганец и азот частично и даже полностью заменяют никель (в последнем случае они, разумеется, не являются хромоникелевыми сталями).

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерода могут образовываться специальные карбиды, преимущественно типа М₂₃С₆. Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определенных условиях приводит и к охрупчиванию стали, и к появлению особого вида коррозионного разрушения по границам зерен – очень опасного, называемого межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией (МКК). Лист из нержавеющей стали, пораженный интеркристаллитной коррозией, при постукивании не издает металлического звука, при небольшом усилии легко разрушается и может быть превращен в порошок.

Чисто аустенитные стали склонны также еще к одному виду коррозионного разрушения, к так называемому коррозионному растрескиванию или к коррозии под напряжением. Это явление заключается в том, что на поверхности образца (изделия), находящегося под нагрузкой или имеющего внутренние остаточные напряжения (например, после наклепа) и погруженного в относительно слабую коррозионную среду, образуются тонкие трещины, проходящие главным образом по телу зерна.

Аустенитные нержавеющие стали применяют очень широко не только из-за высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам. Эти стали хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глубокую вытяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон. Механические свойства аустенитных нержавеющих сталей в закаленном состоянии характеризуются низким значением предела текучести, невысокой прочностью и очень высокой пластичностью.

Из изложенного выше можно заключить, что в нержавеющих сталях может быть три основных вида коррозионного разрушения:

• общая коррозия, заключающаяся в равномерном по всей поверхности распространении коррозии в глубь металла;

• межкристаллитная коррозия;

• коррозионное растрескивание.

Скорость общей коррозии измеряется в линейных единицах (мм/год) и делится на пять баллов:

Баллы	I	II	III	IV	V
Скорость коррозии, мм/год	0,1	0,1 – 1	1 – 3	3 – 10	>10

Если скорость коррозии <0,1 мм/год (балл I), то уменьшение толщины нержавеющего листа будет меньше 1 мм за 10 лет. Такой металл можно считать устойчивым в данной среде, так как практически оборудование может работать в течение нескольких лет без смены деталей. При стойкости, равной II баллу, металл можно считать ограниченно стойким, и срок эксплуатации ограничивается обычно одним годом. Металл, характеризуемый стойкостью III – V баллов, следует, как правило, считать неустойчивым, непригодным для эксплуатации в данной среде.

Скорость этих трех видов коррозионных разрушений зависит от состава стали и структурного состояния.

Главным фактором, определяющим стойкость против общей коррозии, является содержание хрома. Большинство нержавеющих аустенитных сталей содержат около 18 % хрома и обладают приблизительно одинаковой стойкостью.

Межкристаллитная коррозия зависит от содержания углерода, а также от наличия элементов – стабилизаторов. Весьма стойки к межкристаллитной коррозии стали с пониженным содержанием углерода (<0,03% C) и стали с титаном и ниобием.

На основе перечисленных соображений выбирают нержавеющую сталь для изделия.