Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
331
Механические свойства хромистого феррита во многом опреде-
ляются скоростью охлаждения. В отожженном состоянии (930 °С,
медленное охлаждение) твердость феррита при 20 °С с увеличени-
ем концентрации хрома немного возрастает (чистое железо имеет
НВ ≈ 700 МПа, у сплава Fe−4 % Cr НВ ≈ 1050 МПа). Легирование
хромом способствует значительному повышению стабильности
свойств. При температуре испытания до 400 °С твердость легиро-
ванного феррита остается практически неизменной, разупрочнение
наступает только при более высокой температуре.
После закалки феррит, содержащий Cr меньше, чем нужно для
исключения γ-области (менее 12 %), приобретает более мелкозер-
нистую структуру или даже структуру игольчатого мартенсита, в
результате чего значительно возрастает твердость (после закалки
сплава Fe−4 % Cr от 930 °С НВ ≈ 2800 МПа). Повышенная твер-
дость сохраняется до температуры 450 °С.
Хромистый феррит, в котором отсутствуют фазовые превраще-
ния (содержащий более 13−15 % Cr), термической обработкой не
упрочняется, и его твердость соответствует твердости отожженно-
го легированного феррита.
25.6.2. Влияние легирования на структуру и свойства
хромистых сталей
В качестве легирующих элементов хромистых сталей применя-
ют в основном те же элементы, что и для сталей перлитного класса
(см. п. 25.5). Их влияние на структуру и свойства хромистых сталей
аналогично влиянию на перлитные стали. Различие заключается в
количестве и соотношении хрома и углерода, что, в свою очередь,
вызывает качественное изменение структуры и свойств стали.
Хром увеличивает устойчивость аустенита по сравнению с низ-
колегированными (до 2,5 % Cr) сталями перлитного класса так, что
мартенситные превращения наблюдаются при охлаждении сталей
из γ-области на воздухе. При этом в сталях, содержащих до 8 % Cr,
превращение аустенита наблюдается лишь в одной низкотемпера-
турной области; в сталях, содержащих 8−12 % Cr,− в двух обла-
стях. Первая область − высокотемпературная, в которой выделяется
феррит, вторая − низкотемпературная, отвечающая мартенситному
превращению. При этом следует отметить, что мартенситное пре-
332
вращение в стали с 12 % Cr протекает при температуре на 100 °С
ниже, чем в стали с 8 % Cr, благодаря чему структура в первом
случае имеет больше дефектов и более упрочнена. В структуре ста-
лей, охлажденных на воздухе, всегда присутствуют карбиды хрома.
Стали с мартенситно-ферритной структурой имеют оптимальные
свойства, когда содержание феррита не превышает 15 %.
Легирование хромом повышает коррозионную стойкость сталей,
причем она увеличивается не монотонно − при количестве Cr более
12−13 % происходит скачкообразное увеличение коррозионной
стойкости, что связано с переходом электрохимического потенциа-
ла хромистых сталей от отрицательных значений к положительным
(рис. 25.57). Сплавы с содержанием менее 12 % Cr практически
также корродируют, как и Fe, а при содержании более 12−14 % Cr
ведут себя как благородные металлы: обладая положительным
электрохимическим потенциалом, они при комнатной и близкой к
ней температуре не окисляются во влажной атмосфере, в воде, в
растворах кислот, щелочей, солей и в других электролитах и по-
этому называются кор-
розионно-стойкими (или
нержавеющими по ста-
рым ГОСТ).
Рис. 25.57. Электродный
потенциал сплавов Fe−Сr
Углерод сдвигает кривые распада аустенита вправо (рис. 25.58)
и в зависимости от концентрации переводит сталь в разные струк-
турные классы.
Равновесная структурная диаграмма системы Fe−Cr−С и поло-
жение на ней составов хромистых коррозионно-стойких сталей
разных марок приведены на рис. 25.59. Как видно, в зависимости
от содержания углерода стали с одинаковым содержанием Cr
(например, типа X13) принадлежат разным структурным классам:
сталь 08XI3 в равновесном состоянии ферритная; 12X13 − полу-
ферритная, после закалки в масле или на воздухе с высоких темпе-
333
ратур имеет струк-
туру М + Ф; стали
20X13 и 30X13 в рав-
новесном состоянии
доэвтектоидные, а
40X13 − заэвтектоид-
ная, испытывающие
полное (γ
α)-пре-
вращение. После ох-
лаждения на воздухе
стали 20X13, 30X13 и
40X13 имеют струк-
туру мартенсита.
Кремний и алюми-
ний вводят в хро-
мистые стали для
увеличения сопро-
тивления окислению
(жаростойкости).
Стали, содержащие
от 6 до 10 % Cr и ле-
гированные Si в ко-
личестве 2−3 % (Х6С,
Х9С2, Х10С2М и
др.), известны под
названием сильхромов. Однако Si является сильным феррито-
стабилизирующим элементом (полное замыкание γ-области проис-
ходит при наличии в железе 1,8 % Si) и при концентрации 2−3 %
переводит сталь в ферритный класс, исключающий возможность
проведения термической обработки. Для восстановления способно-
сти к закалке в сильхромы вводят углерод в количестве до 0,4 %,
который расширяет γ-область и переводит сильхромы в группу
мартенситных сталей с полным превращением α
γ. Сильхромы
обычно применяются для изготовления арматуры и других деталей
различных устройств и механизмов, которые должны обладать по-
вышенной твердостью и сопротивлением износу.
Рис. 25.58. С-образные кривые изотермического
распада аустенита в углеродистой стали 20 (1),
хромистых сталях 12X13 (2) и 20X13 (3): АВ, А′В′,
А
′′В′′ − начало распада аустенита А → Ф + К; CD,
C′D′, C′′D′′ − конец распада аустенита
334
Молибден, вольфрам
и ванадий используют
для повышения жаро-
прочности (15Х5М,
15Х5МВ, 15Х9С2М,
14Х12В2МФ и др.),
снижения склонности к
тепловой и отпускной
хрупкости хромистых
сталей.
Титан, ниобий, тан-
тал и, иногда, азот
вводят с целью умень-
шения склонности
хромистых сталей к
росту зерна при нагре-
ве, устранения склон-
ности к закаливанию
при охлаждении на
воздухе благодаря свя-
зыванию углерода в
специальные карбиды
(TiС, NbC). Механиче-
ские свойства феррит-
ных сталей с Nb и Та
при высокой температуре выше, чем у сталей без дополнительного
легирования. Легирование ниобием обеспечивает относительную
стойкость сварных соединений против межкристаллитной корро-
зии (например, сталь 15Х18М2Б).
Никель в хромистых сталях заметно повышает прокаливае-
мость, улучшает фазовый состав стали, поскольку снижает содер-
жание δ-феррита, хотя приводит к уменьшению критических точек:
A
c
1
(680−700 °С), A
c
3
(820−840 °С), М
н
(160−180 °С). Последнее об-
стоятельство серьезно затрудняет смягчающую термообработку.
Никель в количестве не более 2÷4 % благоприятно влияет на жаро-
прочность мартенситных и мартенситно-ферритных сталей.
Рис. 25.59. Система Fe−С−Сr и положение
в ней промышленных хромистых
коррозионно-стойких сталей
335
25.6.3. Хромистые стали мартенситного класса
Благоприятное влияние, оказываемое хромом на коррозионную
стойкость, является причиной его максимального использования в
сталях, предназначенных для работы при высокой температуре.
Однако увеличение концентрации Cr более 2−3 % значительно
сдвигает кривую изотермического распада аустенита вправо (см.
рис. 25.6), в результате чего даже при медленном охлаждении ста-
ли могут приобретать мартенситную структуру (переходят в мар-
тенситный класс).
В зависимости от содержания Cr и С мартенситные стали
условно делят на несколько групп (табл. 25.15). В пределах каждой
группы более высокому содержанию углерода обычно соответ-
ствует и более высокая концентрация хрома, так как увеличение
содержания углерода, приводящее к образованию хромистых кар-
бидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество Cr в
твердом растворе ниже 13% и поэтому понижает коррозионную
стойкость стали.
К первой группе относятся стали, содержащие до 10 % Cr. Эти
стали закаливаются на мартенсит. Стали, содержащие 10−13 % Cr,
помимо мартенсита, имеют в своей структуре феррит. Стали с со-
держанием Cr более 13 % не претерпевают фазовых превращений и
относятся к сталям ферритного класса (см. рис. 25.55).
Стали, принадлежащие к группе I, относятся к теплоустойчивым
сталям (см. рис. 25.4 и табл. 25.15). Они могут применяться для из-
готовления трубопроводов, паронагревателей, теплообменников и
различных деталей арматуры, если требуется более высокое сопро-
тивление окислению по сравнению со сталями перлитного класса.
Таблица 25.15
Группы хромистых сталей мартенситного класса
Группа
Структура
после
закалки
Содержание легирующих элементов, %
С Сr
I
II
III
IV
М
М + Ф
Ф + М
М
0,15−0,25
0,1−0,4
Около 0,1
0,6−1,0
5−10
10−13
Более 13 (16−18 в сочетании с 2−4 % Ni)
Более 13 (14−16)
336
Стали, содержащие от 5 до 7 % Cr, обладают повышенным со-
противлением окислению. Для дальнейшего увеличения сопротив-
ления окислению в сталь вводят Si и Аl (табл. 25.16).
Мартенсит хромистых сталей обладает достаточно высокой ста-
бильностью, однако при нагреве до 600−750 °С он превращается в
дисперсные карбидно-ферритные смеси (сорбитообразные струк-
туры), которые обладают более низкими прочностными характери-
стиками и, соответственно, более высокой пластичностью.
Накопленный опыт применения мартенситных сталей показыва-
ет, что они склонны к хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение
проявляется при отпуске с последующим медленным охлаждением
(отпускная хрупкость). Однако существует также тепловая хруп-
кость, которая проявляется в процессе длительного нагрева в об-
ласти температуры 450−600 °С.
Снижение склонности к тепловой и отпускной хрупкости дости-
гается путем легирования Мо и W (0,4−0,7 %). Оно одновременно
способствует и повышению жаропрочных свойств сильхромов
(стали Х9С2М, Х10С2М и др.).
Возможность образования мартенситных структур при охла-
ждении на воздухе вносит ряд особенностей в технологию изготов-
ления деталей из таких сталей. После каждой технологической
операции (ковки, прокатки, сварки и т.д.), связанной с нагревом
выше критической температуры, стали подвергаются повторному
нагреву.
Хрупкое состояние устраняется при высокотемпературном от-
пуске (650−700 °С) и при нагреве до температуры, приближающей-
ся к критической (~ 850 °С) с последующим медленным охлажде-
нием.
Для длительной работы при повышенных температурах эти ста-
ли применяют, как правило, после отжига при 840−870 °С, что свя-
зано со стремлением получать возможно более стабильную струк-
туру, состоящую из легированной ферритной основы и сравни-
тельно дисперсных карбидов, в основном специальных карбидов
ванадия VC или V(С, N).
На примере сталей с 12 % Cr можно проследить, как усложне-
нием состава сталей благодаря введению дополнительных легиру-
ющих элементов в оптимальных количествах можно повысить их
337
Таблица 25.16
Состав и механические свойства некоторых хромистых теплоустойчивых сталей
Марка
стали
Содержание основных легирующих
элементов, %
Режим термической
обработки
Т
исп
,
°С
σ
в
,
МПа
σ
0,2
,
МПа
δ, %
ψ,
%
а
к
,
кДж/м
2
σ
дл
, МПа,
за время,
ч
С Сr Мо Другие 10
4
10
5
15X5
≤ 0,15 4,5−6,0
− −
Нормализация
(850−870 °С)
20
500
600
440
274
162
226
102
83
31
27
36
80
80
85
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Отжиг (840−860 °С),
охлаждение с печью
20 400 170
24(δ
5
)
50
≥ 1000
− −
15Х5М
≤ 0,15 4,5−6,0 0,4−0,6
−
Нормализация
(950−980 °С)
20
550
600
524
319
246
234
153
122
31
37
42
77
83
90
−
−
−
−
−
−
−
−
−
Нормализация +
отпуск (840−880 °С)
480
540
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
180
100
150
75
15Х5ВФ
≤ 0,15 4,5−6,0
−
0,4−0,6
V;0,4−0,7
W
Отжиг (840−860 °С),
охлаждение с печью
20 400 220
22(δ
5
)
50
≥ 1200
− −
Отжиг (850 °С) 500
− − − − −
120 92
Отжиг(870 °С) 550
− − − − −
89 70
15Х6СЮ
≤ 0,15 5,5−7,0
−
0,7−1,1 А1;
1,2−1,8 Si
Отжиг(750−800 °С),
воздух или масло
20 450 250 20 40
− − −
40Х10С2М
≤ 0,40 9,5−10,5
~1 ~2 Si
Закалка (1010−
1050 °С), воздух
или масло + отпуск
(720−780 °С), масло
20 950 750 10 35
≥ 200
− −
337
338
жаропрочность (табл. 25.17). Улучшение свариваемости этих ста-
лей достигается посредством снижения содержания углерода, что
сопровождается увеличением количества феррита и образованием
более пластичного мартенсита.
Таблица 25.17
Влияние легирующих элементов на сопротивление ползучести
12%-й хромистой стали (ТО: аустенизация 1250 °С + старение 650 °С)
Легирующий
комплекс
Деформация ползучести
(σ = 125 МПа, Т = 600 °C),
%, в течение, ч
Относительное
сопротивление
ползучести, %,
при 600 °С
(σ = 125 МПа, τ = 300 ч)
300 1000
Сr−Мо
3,34
−
4
Cr−Mo−V
0,5
−
26
Cr−Mo−V−Nb
0,13 0,23
100
Cr−Mo−V−Nb−N
0,081 0,137
160
Cr−Mo−V−Nb−N−B
0,067
−
194
Cr−Mo−V−Nb−Ti−N
0,065 0,080
200
Cr−Mo−V−Nb−Ti−N−B
0,053 0,078
243
Химический состав и механические свойства некоторых отече-
ственных и зарубежных хромистых сталей, принадлежащих к II и
III группам, представлены в табл. 25.18−25.20.
Отечественные стали содержат в основном 12−13 % Cr, а зару-
бежные 8−9 и 12 % Cr. Хромистые реакторные стали на основе
системы Fe-Cr по структурно-фазовому состоянию могут быть
ферритными, мартенситными и ферритно-мартенситными. В
табл. 25.21 приведен пример различных СФС хромистых сталей в
зависимости от их химического состава.
Характерной особенностью 13 %-ных хромистых сталей являет-
ся их способность закаливаться при охлаждении на воздухе даже в
том случае, когда содержание углерода сравнительно невелико
(0,05 %). Обусловлено это высокой стабильностью хромистого
аустенита, приводящей к значительному снижению критических
скоростей охлаждения для формирования мартенситной структуры.
339
Другая особенность 13 %-х хромистых сталей − даже при не-
больших колебаниях состава они могут существенно изменять
свою структуру и переходить из мартенситного в другой класс (см.
рис. 25.55, табл. 25.18, 25.19 и 25.21). Это отрицательно сказывает-
ся на механической прочности при высокой температуре, и поэто-
му к химическому составу сталей для ответственных деталей
предъявляют особые требования в отношении хрома, углерода и
некоторых других элементов.
По жаропрочным свойствам и особенно по сопротивлению пол-
зучести стали с 13 % Cr, не содержащие других легирующих эле-
ментов, уступают перлитным сталям. Уже при температуре выше
450−480 °С происходит значительное снижение предела ползуче-
сти, особенно у сталей с повышенным содержанием углерода
(30X13 и 40X13).
Существенное повышение жаропрочности 12−13 %-х хроми-
стых сталей возможно путем дополнительного легирования их Mo,
W, Nb, V (см. табл. 25.17 и 25.20). Однако оно ограничено доволь-
но узкими пределами. В первую очередь, невелики колебания со-
держания углерода (0,1−0,2 %), поскольку это необходимо для
уменьшения количества карбидных фаз, а также для более высокой
концентрации легирующих элементов в твердом растворе.
Содержание других легирующих элементов в мартенситных
сталях находится также в довольно узких пределах: около
12−13 % Cr; до 2 % Мо; до 4 % W; 0,2−0,4 % V; 0,1−0,5 % Nb; до
2 % Ni, так как повышенное содержание их переводит сталь в дру-
гой класс, например в ферритный (при большом количестве ферри-
тостабилизирующих элементов) или ферритно-аустенитный (при
большом количестве Ni). Это сопровождается ухудшением меха-
нических и технологических свойств, невозможностью проведения
термических обработок (стали ферритного класса). Кроме того,
большое содержание ферритостабилизирующих элементов (Мо,
V и др.) способствует образованию δ-феррита при 1050 °С
(табл.
25.22), что уменьшает прочность. Тем не менее, если необхо-
димо высокое содержание легирующих ферритостабилизирующих
элементов, то в стали поддерживают соответствующее содержание
аустенитостабилизирующих элементов, таких, как Ni, Mn и др. В
результате этого достигается полностью аустенитная структура при
1050°С и полностью мартенситная после закалки перед отпуском.
340
Таблица 25.18
Химический состав некоторых отечественных коррозионно-стойких хромистых сталей мартенситного
и ферритно-мартенситного класса, применяемых и предполагаемых для использования в реакторостроении
Марка стали
Структурный
класс стали
Содержание основных легирующих элементов, %
С Сr Мо V W Nb В Другие*
08X13
Ф (или Ф−М) ≤ 0,08 12−14
− − − − − −
12X13
М−Ф 0,09−0,15 12−14
− − − − − −
20X13
М (или М−Ф) 0,16−0,25 12−14
− − − − − −
30X13 М
0,26−0,35 12−14
− − − − − −
15Х11МФ М
0,12−0,19 10,0−11,5 0,6−0,8 0,25−0,40
− − − −
14Х12В2МФ
М−Ф 0,10−0,17 11−13 0,6−0,9 0,15−0,30 1,7−2,2
− − −
12Х12МВБФР
М−Ф 0,10−0,15 11−13 0,7−1,0 0,15−0,30 0,6−0,9 0,15−0,3 ≤ 0,008
−
13Х13М2С2
(ЭИ-852)
М−Ф 0,10−0,15 12−14 1,2−1,7
− − − −
1,4−2,1Si; ≤ 0,3Ni
12Х13М2БФР
(ЭП-450)
М−Ф 0,10−0,15 12−14 1,2−1,8 0,1−0,3
−
0,2−0,4
0,004
≤ 0,3Ni
16Х12СМВФНБАР
(ЭП-900)
М−Ф 0,14−0,18 10,0−12,0 0,6−0,9 0,2−0,4 0,5−0,8 0,2−0,4
0,006
1,0−1,3Si; 0,5−0,8Ni;
0,1Ce; 0,06−0,1N
16Х12НМВСБФР
(ЭП-823)
М−Ф 0,14−0,18 10,0−12,0 0,6−0,9 0,2−0,4
0,7
0,2−0,4
0,006
0,5−0,8Ni; 1,1−1,3Si
15Х12В2ФТаP
(ЭК-181)
М−Ф 0,10−0,20 10,0−12,0
< 0,01
0,2−1,0
1,5 < 0,01 0,0045 0,17Та; 0,044N
16Х12НМВ2БФР
(ЧС-139)
М−Ф 0,18−0,20 11,0−12,5 0,4−0,6 0,2−0,3
1,5
0,2−0,3
0,0045
0,5−0,8Ni
15Х12ВНМФ
М−Ф 0,12−0,18 11−13 0,5−0,7 0,15−0,30 0,7−1,1
− −
0,4−0,8Ni
13Х12В2Н2МФ М
0,10−0,16 10,5−12,0 0,4−0,5 0,18−0,30 1,6−2,0
− −
1,5−1,8Ni
14X17Н2
М−Ф 0,11−0,17 16−18
− − − − −
1,5−2,5 Ni
__________
* В сталях: ≤ 0,8 Si; ≤ 0,8 Mn; ≤ 0,025 S; ≤ 0,030 P.
340
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)