книги из ГПНТБ / Сокол, И. Я. Двухфазные стали

при ограниченных содержаниях титана (до 0,5%) и остаточного алюминия (^0,08% ) прирост предела проч­ ности и снижение пластичности этой стали после допол­ нительного старения при 550° С в течение 1 ч с медлен­ ным охлаждением по сравнению с закаленным состоя­ нием не превышает 20% (норма по ЧМТУ 1-490—68 не более 50%)- Необходимость отмены этих дополнитель­ ных испытаний назрела уже давно и представляется вполне целесообразной.

Кроме того, по нашему мнению, надо шире предо­ ставлять металлургическим заводам право гарантиро­ вать без обязательных испытаний отдельные качествен­ ные показатели, в частности, предел текучести некото­ рых марок двухфазных сталей, который при заданном химическом составе и уровне прочности, как показыва­ ют результаты многолетних испытаний, всегда превыша­ ет установленные нормы.

Также необходимо более широкое внедрение нераз­ рушающих методов контроля сдаточных механических свойств металла, в первую очередь в состоянии по­ ставки.

Естественно, что для обоснования отмены того или иного испытания на заводе-нзготовителе должна быть проведена большая подготовительная работа по обеспе­ чению стабильности технологии производства и стати­ стическая проверка результатов определения требуемых свойств и их корреляция с каким-либо из контролируе­ мых параметров. Это направление весьма перспективно и может привести к существенному экономическому эф­ фекту, так как стоимость и трудоемкость проведения испытаний дорогостоящих и труднообрабатываемых ста­ лей в настоящее время достаточно велики.

Г л а в а VI

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ДВУХФАЗНЫЕ СТАЛИ

1. Межкристаллитная коррозия

Хорошо известно, что наличие б-феррита в структуре уменьшает склонность аустенито-ферритных сталей к межкристаллитной коррозии (МКК) по сравнению с чи­ сто аустенитными сталями. Согласно данным [42, 128],

134

благотворное влияние ферритной составляющей обус­ ловлено сочетанием ряда факторов:

1. Двухфазные стали имеют мелкозернистую струк­ туру и, следовательно, большую протяженность межзе- ■репных границ, что обусловливает меньшую концентра­ цию карбидных выделений.

2.При образовании карбидов типа Ме2зСб на гра­ нице у/б вследствие большего содержания хрома в б-феррите и повышенной скорости диффузии легирую­ щих элементов в о. ц. к. решетке облегчается выравни­ вание химического состава в приграничных областях и концентрация хрома не опускается ниже допускаемого уровня.

3.При высокотемпературном нагреве в процессе сварки происходит перераспределение элементов между фазами с преимущественной концентрацией углерода в аустените вблизи границ раздела у/б.

Поэтому выделяющиеся при провоцирующем отпус­ ке карбиды располагаются в виде отдельных участков по границам аустенитных зерен, не образуя непрерывной сетки.

Существуют противоречивые точки зрения о влия­ нии титана на склонность двухфазных аустенито-фер­ ритных сталей к межкристаллитной коррозии. Так, по мнению И. А. Левина и Д. Г. Кочергиной, титан, способ­ ствуя увеличению содержания б-феррита в стали, мо­ жет вызывать склонность стали типа Х21Н5Т к МКК

[136].

Согласно Чигалу [137], присадки титана нежела­ тельны в тех сталях, в структуре которых преобладает б-феррит, так как в этом случае дальнейшее увеличе­ ние количества б-феррита (если не компенсировать фер­ ритообразующее действие титана добавками никеля) вызывает скорее склонность к МКК после перегрева, чем стабилизацию.

Эти соображения основаны на данных о том, что возникновение склонности двухфазных сталей к меж­ кристаллитной коррозии определяется ферритной со­ ставляющей. После закалки с высоких температур ста­ ли, содержащие более 60% б-феррита, ведут себя ана­ логично чисто ферритным сталям, а наиболее слабой сопротивляемостью МКК в стандартном растворе обла­ дают границы между ферритом и аустенитом. Наиболее стойкими к МКК, по мнению авторов работы [136], яв­

135

ляются стали без титана типа Х21Н5 и Х21Н5М2 с 0,04—0,09% С, закаленные с 950°С (молибден, тормозя­ щий диффузию углерода, препятствует появлению склон­ ности феррито-аустенитных сталей к МКК при отпуске в интервале температур 450—525°С). Противоположная точка зрения высказана в работах [138, 139]. По мне­ нию А. А. Бабакова и сотрудников [138], легирование титаном увеличивает стойкость стали против МКК, при­ чем в сталях с двухфазной структурой титан предотвра­ щает коррозионное разрушение по границам у/у после провоцирующего нагрева, а в сталях со структурой, близкой к ферритной, его положительная роль проявля­ ется в уменьшении зоны чувствительности к МКК пос­ ле резкого охлаждения, аналогично чисто ферритным сталям типа Х17Т и Х25Т*.

Согласно результатам исследований Э. Г. Фельдгандлер и др. [139], проведенных с применением потенциостатического метода, легирование титаном уменьшает склонность стали типа Х21Н6 к МКК, облегчает пере­ ход в пассивное состояние и снижает ток растворения в пассивной области. Однако отмечается сокращение об­ ласти оптимальной запассивированности титансодержа­ щих сталей и подчеркивается, что наиболее предпочти­ тельным путем предупреждения склонности двухфазных сталей к МКК является снижение содержания углерода в них до уровня не более 0,020 %:-

Необходимо отметить, что по данным [138—139], межкристаллитная коррозия и охрупчивание двухфаз­ ных сталей при низкотемпературном отпуске обусловле­ ны разными процессами или разными стадиями одного процесса структурных превращений. Это следует, в ча­ стности, из противоположного влияния содержания ти­ тана в стали на области развития МКК и хрупкости

(рис. 44).

По-видимому, наибольший практический интерес представляют условия предотвращения МКК сварных соединений после кратковременных технологических на­ гревов, так как вследствие охрупчивания эти стали не

М„ 1963.

136

количеств стабилизирующих элементов в стали типа Х21Н5, так как при этом повышается пластичность ста­ ли при горячей деформации, а двухфазность структу­ ры даже после высокотемпературного нагрева в обла-

Продолжительность отпуска, ч

Рис. 44. Влияние содержания титана (цифры у кривых) на об­ ласти развития МКК (сплошные линии) и хрупкости (штриховые) в сталях типа 0Х22Н6

сти сварного шва обеспечивает стойкость стали против МКК. По данным авторов работы [24, с. 5], наиболее высокой стойкостью против МКК и ножевой коррозии обладает сталь 0Х21Н6Б, содержащая не более 0,08% С

и 0,4—0,8% Nb.

2. Механические свойства

Химический состав и сдаточные нормы механических свойств различных марок двухфазных сталей приведе­ ны в табл. 18.

В первую очередь следует отметить, что даже в зака­ ленном состоянии эти стали обладают более высоким пределом текучести ао,2^350 МН/м2 (35 кгс/мм2), чем чисто аустенитные стали типа 1Х18Н10Т, у которых пре­ дел прочности ао,2~ 20О МН/м2 (20 кгс/мм2). В настоя­ щее время в технической литературе нет общепринятого представления о причине повышенного предела текуче­ сти аустенито-ферритных хромоникелевых сталей. Сог­ ласно [76], это явление объясняется влиянием перерас-

137

жить, что зерна с иной кристаллической структурой по сравнению с матрицей каким-то образом воздействуют на механизм скольжения в приграничных участках да­ же в случае крупных размеров второй фазы, когда ис­ ключается возможность их влияния на источники Фран­ к а — Рида. Во всяком случае для разработки обосно­ ванной теории, объясняющей причину влияния крупных зерен второй фазы на механические свойства сплава,

О 20 40 60 80 100

Содержание д-феррита,%

Рис. 45. Зависимость механических свойств закаленной стали типа 15Х18Н12С4ТЮ от содерж ания о-феррита

необходимо накопление большого числа прямых экспе­ риментальных данных о поведении дислокаций в двух­ фазных сталях при пластической деформации. Этот во­ прос еще нуждается в тщательных исследованиях.

Помимо высокого предела текучести, двухфазные ста­ ли как конструкционный нержавеющий материал име­ ют и другие несомненные достоинства. Циклическая прочность аустенито-ферритной стали типа Х22Н5 зна­ чительно выше, чем чисто аустенитной, причем двух­ фазная сталь имеет четко выраженный предел устало­ сти, а влияние мартенситного превращения при предва­ рительной холодной деформации на эти параметры пренебрежимо мало. Весьма важным достоинством двухфазных сталей является то, что они практически нечувствительны к механическим надрезам и сварочным дефектам.

НО

Двухфазные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред [128] и, как было показано выше, менее склонны к межкристаллитному разрушению, чем чисто аустенитные стали. Вместе с тем производство ряда двухфазных сталей затруднено вследствие пониженной технологической пластичности как в горячем, так н в холодном состоянии. Кроме того, они более склонны к упрочнению и охрупчиванию, чем чисто аустенитные стали. Для правильного выбора ма­ териала и оптимальной технологии изготовления полу­ фабрикатов и готовых изделий необходимо знание кон­ кретных зависимостей структуры и свойств различных марок стали от режима обработки. Ниже приведены ре­ зультаты исследований автора и литературные данные об основных двухфазных нержавеющих сталях, приме­ няемых в качестве конструкционных материалов в на­ родном хозяйстве.

3. Сталь Х21Н5Т (ЭИ811)

Эта сталь является, по-видимому, наиболее изучен­ ной из всех двухфазных сталей. Она поставляется в ви­ де тонкого и толстого листа, сорта, труб, проволоки. Сталь обладает хорошим сочетанием механических н технологических свойств и является полноценным заме­ нителем аустенитной стали 1X18Н1ОТ для изготовления ряда изделий в химическом машиностроении. Подроб­ ные сведения о механических, физических и коррозион­ ных свойствах стали приведены в работе [128].

Как было показано в гл. IV, при повышенном содер­ жании титана в твердом растворе отдельные плавки этой стали были склонны к охрупчиванию в результате кратковременных выдержек при 500—550° С вследствие дисперсионного твердения. После снижения верхнего предела по содержанию титана в марочном составе до 0,5% (изменение № 1 к ГОСТ 5632—61) и ограничения содержания остаточного алюминия не выше 0,08%. (ЧМТУ 1-490—68) этот недостаток был полностью уст­ ранен. В настоящее время аппаратура из этой стали ус­

тельных выдержек в интервале 400—500° С обусловлено расслоением твердого раствора высокохромистого фер-

141

142

жаиием титана и других ферритообразующих элементов. При замедленном охлаждении или повторном нагреве в интервале 700—1100° С выделяется вторичный аусте­ нит, повышающий пластичность п ударную вязкость стали (см. гл. II).

4. Сталь 0Х22Н6Т (ЭП53)

Эта сталь, отличающаяся от ЭИ811 пониженным (до 0,08%) содержанием углерода и несколько более высо­ ким содержанием хрома и никеля (табл. 18), нашла довольно широкое распространение в химическом ма­ шиностроении [128]. Особенностью этой стали является то, что при содержании легирующих элементов на ниж­ нем пределе норм ГОСТ 5632—61 аустенит является не­ достаточно стабильным и обнаруживает склонность к у-^-М-превращеыию как при вылеживании при комнат­ ной температуре [73], так и, в особенности, при охлаж­ дении после разбалаиснрующего отпуска; это является причиной заметного снижения пластичности металла. Нагрев до высоких температур (1200—1250°С) при сварке расплавлением приводит к получению почти чи­ сто ферритной крупнозернистой структуры после быст­ рого охлаждения и резкому повышению порога хладно­ ломкости почти до комнатной температуры. Если содер­ жание титана в стали находится на верхнем пределе (0,55—0,60%), то последующий нагрев до 500—550°С какого-либо участка сварного шва (например, при пере­ крестной сварке) вызовет катастрофическое охрупчива­ ние вследствие протекания процесса старения.

Повторный нагрев стали с крупным зерном до 700— 1000° С приводит к быстрому образованию вторичного аустенита, выделения которого, как правило, имеют форму игл (пластин), расположенных по границам фер­ ритных зерен, а также по определенным кристаллогра­ фическим плоскостям в теле зерна (см. рис. 6). Однако повышение пластичности стали, состаренной после охлаждения до комнатной температуры, будет на­ блюдаться только в том случае, если зерна выделивше­ гося вторичного у'-аустенита окажутся достаточно ста­ бильными. Если же при охлаждении до комнатной тем­ пературы будет протекать у'-э-М-превращение, то ста­ рение металла с феррито-мартенситной структурой вновь охрупчивает металл, так как процессы дисперсионного твердения протекают и в 6-феррите, и в мартенсите.

144

сл