2.3. Аустенитные стали
Хромоникелевые аустенитные стали благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости вплоть до температур, близких к абсолютному нулю, высокой коррозионной стойкости и хорошим технологическим свойствам являются основным материалом для многих областей холодильной и криогенной техники.
Аустенитное состояние стали в широком температурном диапазоне стабилизируется благодаря введению в железохромистую основу достаточных количеств никеля.
Стабильность аустенитной структуры зависит от химического состава и внешних условий; температуры и деформации. Под влиянием низких температур и деформации хромоникелевые аустенитные стали могут испытывать мартенситное γ → α -превращение. Это приводит к увеличению твердости, снижает пластичность и вязкость стали.
В зависимости от содержания основных легирующих элементов различают два типа хромоникелевых сталей. К первому типу относятся метастабильные стали, претерпевающие заметное мартенситное превращение при охлаждении и деформации. Они содержат 18 - 20 % хрома и 8 - 12 % никеля. К ним относятся стали марок 12Х18Н8, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т. При необходимости полного подавления мартенситного превращения и сохранения аустенитной структуры вплоть до самых низких температур используют хромоникелевые стали, содержащие 18 - 25 % хрома и 14 - 25 % никеля. К сталям этого типа относятся 08Х25Н20, 08Х18Н20, 10Х15Н25МТ2 и др.
Все хромоникелевые аустенитные стали благодаря высокому содержанию хрома имеют высокую коррозионную стойкость. Однако при повторных нагревах, например при сварке, из-за образования карбидов хрома по границам зерен и обеднения rpaниц хромом эти стали склонны к межкристаллитной коррозии. Склонность к межкристаллитной коррозии может быть устранена снижением содержания углерода и введением стабилизаторов - сильных карбидообразователей: титана и ниобия.
Хромоникелевые аустенитные стали отличаются высокой технологичностью. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии. В холодном состоянии они допускают глубокую вытяжку. Эти стали хорошо подвергаются пайке и свариваются.
После сварки хромоникелевые аустенитные стали не образуют охрупченных околошовных зон и не требуют термической обработки после изготовления конструкции. Для сварки используют присадочную проволоку состава, близкого к основному металлу.
Хромоникелевые аустенитные стали сохраняют высокую вязкость после значительного пластического деформирования. Они нечувствительны к эффектам старения во времени и их ударная вязкость остается на высоком уровне даже после многолетней эксплуатации в условиях низких температур. Эти стали характеризуются высокими значениями вязкости разрушения в широком температурном диапазоне.
Механические свойства при низких температурах широко распространенной стали 12Х18Н10Т и ее заменителей — экономнолегированных аустенитных сталей на Cr - Ni - Mn и Cr - Mn основе, а также свойства стабильной аустенитной стали ОЗХ20Н16АГ6, приведены в табл. 26.
На рис. 144 приведены кривые изменения усталостной прочности при комнатной температуре и 77 К сталей 12Х18Н10Т и ОН9А, алюминиевого сплава АМг6.
Сталь 12Х18Н10Т, наиболее широко применяемая в технике низких температур, обладает высоким сопротивлением ползучести, термической усталости под нагрузкой и высокой усталостной прочностью. При температуре 77 К накапливаемая пластическая деформация при расчетном напряжении 130 - 140 МПа для десятилетнего срока эксплуатации не превышает 0,2 %. При температуре 20 К напряжение 200 МПа вызывает крайне незначительную деформацию - 0,02 %, находящуюся на грани точности измерений и практически не изменяющуюся во времени. Лишь напряжение 500 МПа дает начальную пластическую деформацию 0,5 %, увеличивающуюся при продолжительности испытания 100 ч до 0,7 %. Однако даже при таком высоком уровне напряжений суммарная деформация за период эксплуатации не превышает 2 %.
К недостаткам аустенитных хромоникелевых сталей относятся низкая прочность, особенно по пределу текучести, при комнатной температуре, а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого и дефицитного никеля. С целью повышения прочности эти стали дополнительно легируют элементами, способствующими дисперсионному упрочнению при старении. Так, высокая прочность стали 10Х15Н25МТ2 достигается за счет образования упрочняющей фазы NiTi после термообработки, состоящей из аустенитизации при 1000˚С и старения в течение 16 ч при 700˚ С.
Высокая стоимость никеля привела к созданию сталей, в которых никель полностью или частично заменен марганцем, также являющимся стабилизатором аустенита.
Исследования раздельного и совместного влияния марганца и хрома на механические свойства при низких температурах показали, что оптимальными по составу являются стали, содержащие 12 - 14 % хрома и 17 - 20 % марганца. Сталь отечественного производства ОЗХ13АГ19 рекомендована к применению до температуры 77 К для статически нагруженных сварных конструкций.
Более перспективными являются хромомарганцевые аустенитные стали, содержащие некоторое количество никеля. Как показывают эксперименты по оценке работоспособности при усталостном нагружении, содержание никеля должно быть не менее 3 - 4 %.
В СССР нашла применение сталь 10Х14Г14Н4Т. Эта сталь, обладая высокой вязкостью, уменьшающей опасность хрупкого разрушения, при сложных условиях нагружения имеет, как и сталь 12Х18Н10Т, относительно невысокий предел текучести при 293 К (σ0,2 ≥ 250 МПа), слабо увеличивающийся при понижении температуры.
Одним из путей повышения прочности аустенитных сталей для криогенной техники является легирование их азотом, образующим, как и углерод, твердые растворы внедрения. Присутствие хрома и особенно марганца способствует увеличению растворимости азота в стали. Азот упрочняет аустенитные стали за счет воздействия на их дислокационную структуру, образуя зоны с упорядоченной структурой наряду с неупорядоченной матрицей. С введением азота в сталь ее пластичность и вязкость несколько снижаются, но остаются на достаточно высоком уровне, характерном для аустенитных сталей. В отличие от углерода, азот в количестве до 0,25 % не ухудшает коррозионную стойкость стали.