Высоколегированные хромоникелевые стали и их свариваемость

Содержание:

1) Введение…………………………………………………………………3

2) Хромоникелевые аустенитные стали………………………………..4

2.1) Хладостойкие стали………………………………………………….9

2.2) Кислотостойкие стали……………………………………………....11

3) Хромоникелевые аустенитно-мартенситные и мартенситно-ферритные стали…………………………………………………………13

4) Хромоникелевые аустенитно-ферритные стали…………………..15

5) Свариваемость и особенности технологии сварки высоколегированных сталей…………………………………………....17

6) Заключение……………………………………………………………..30

7) Список литературы……………………………………………………31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1) Введение:

     Хромоникелевые  стали применяются для крупных  деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2) Хромоникелевые аустенитные стали

     Сплавы  на основе железа с высоким содержанием  хрома и никеля относятся к особой группе сталей с комплексом свойств, принципиально отличающихся от свойств обычных углеродистых низко- и среднелегированных сталей. Никель, существенно стабилизирующий γ-фазу, расширяет температурную и концентрационную область ее существования, снижает критическую скорость охлаждения при закалке. После легирования стали одновременно большими количествами никеля (>8 %) и хрома (>18 %) критическая скорость охлаждения снижается настолько, что сталь даже при очень медленном охлаждении сохраняет переохлажденный аустенит. При этом снижение температуры начала мартенситного превращения ниже нормальной приводит к сохранению аустенитного состояния таких сталей до нормальной температуры, а при определенных условиях — ниже нее.

     В реальных высоколегированных хромоникелевых сталях, содержащих углерод и другие элементы, фазовое состояние как при нагреве, так и после охлаждения может быть более сложным, но во всех случаях свойства обеспечивает наличие полностью или преимущественно аустенитной структуры сплава в условиях эксплуатации.

     Первоначально высоколегированные хромоникелевые стали  появились как коррозионно-стойкие, кислотостойкие, когда было установлено, что легирование стали более 6 % Ni резко повышает электрохимический потенциал, а одновременное присутствие свыше 12 % Сг способствует проявлению защитных свойств окисной пленки, образующейся на поверхности металла. Хром также оказывает определенное положительное влияние на сдвиг в положительную сторону электрохимического потенциала стали. Так возникла широко известная классическая коррозионно-стойкая сталь, содержащая 18 % Сг и 8 % Ni.

     В дальнейшем на основе изучения связи  строения и фазового состояния подобных сталей со свойствами появились другие высоколегированные хромоникелевые стали  с более высокой коррозионной стойкостью в особо химически активных средах. Подобные высоколегированные стали с аустенитной основой имеют высокие жаропрочность и хладостойкость. Отдельное место занимают высоколегированные хромоникелевые высокопрочные стали. Их широко применяют в сварных конструкциях и изделиях для разных отраслей промышленности. Коррозионная стойкость, жаропрочность, хладостойкость, свариваемость, технологичность при деформации и механической обработке таких сталей зависят от химического состава, фазового и структурного состояния.

  Рис. 1.  Влияние хрома  на фазовое состояние  сплавов Fe-8Ni 

     Из  диаграммы на рис.1 видно, что тройные  сплавы Fe— Ni—Сг при содержании 8 % Ni и до 20 % Сг при нагреве должны претерпевать α→γ-превращение. Однако для этих сплавов возможен перегрев до γ+α -состояния. Температура такого перегрева тем ниже, чем больше в стали содержится хрома. В сплавах, содержащих более 22 % Сг, при нагреве чистой γ -фазы не образуется, и может существовать только смесь γ+α. Максимальное содержание хрома, при котором можно осуществить нагрев до получения γ -состояния, тем выше, чем больше содержание в стали никеля. Температура перегрева, при которой сплав переходит в γ+α -область, тем выше, чем больше в стали содержится никеля.

     Естественно, что если при нагреве достигнуто полностью γ-состояние, при охлаждении с достаточной скоростью может образоваться аустенит и может быть получена полностью аустенитная сталь, если температура начала мартенситного превращения М_н ниже нормальной (температура конца охлаждения), либо мартенситная, если температура конца мартенситного превращения М_н выше нормальной, либо аустенитно-мартенситная, если M_н выше нормальной, а М_к — ниже.

Рис.2.  Влияние легирования  сталей на температуру  мартенситного превращения: а- Ni в двойных железоникелевых сплавах; б – Ni в сталях с различным содержанием хрома; в – Cr сталях с различным содержанием Ni; г – C и N в стали типа 17Cr – 7Ni 

             Значения температур М_н и М_к сильно зависят от содержания в стали никеля (рис.2). Большое влияние на понижение температуры мартенситного превращения оказывают и другие легирующие элементы — углерод, азот, марганец и кремний. У высоколегированных хромоникелевых сталей температура мартенситного превращения лежит в области от 0 до 100°С и даже ниже в зависимости от состава стали. Таким образом, переохлажденный до 20 °С аустенит может быть при определенном составе стали стабильным и нестабильным и претерпевать при определенных условиях мартенситное превращение, например в условиях охлаждения до пониженных температур (температур мартенситного превращения) при закалке или холодной пластической деформации при положительной температуре.

     Большое значение для свойств рассматриваемых  сталей имеют превращения, протекающие  при нагреве и, соответственно, получаемое фазовое состояние после охлаждения. Хром сильно увеличивает устойчивость α-состояния стали, настолько сильно, что даже при содержании в стали значительных количеств никеля область существования γ-фазы оказывается замкнутой и окруженной α-фазой. В этих условиях (см. рис.1) в сталях со значительным содержанием хрома при нагреве возможны две схемы фазовых превращений. Для сплавов, находящихся в концентрационной области замкнутой петли γ-фазы, нагрев в интервале температур существования одной γ-фазы должен привести к полной перекристаллизации α→γ, с получением после охлаждения аустенитного состояния, стабильного или нестабильного, с мартенситом или без него, или же полностью мартенситного состояния в зависимости от условий охлаждения и состава стали. Однако при нагреве этих же сталей до более высоких температур можно получить α + γ-область (см. рис.1). По существу, α-фаза будет высокотемпературным δ-ферритом. При охлаждении таких сплавов должно произойти обратное α→γ -превращение. Увеличение содержания хрома или других стабилизирующих феррит элементов приводит к тому, что сталь становится ферритно-аустенитной, соответствующей двухфазной α + γ-области на рис.1. Количество феррита в такой стали зависит от соотношения суммарного содержания аустенитообразующих (Ni, С, Мn, N) и ферритообразующих (Сг, Mo, W, V и др.) элементов и может быть приближенно оценено по структурной диаграмме Шеффлера. Нагрев таких сталей приводит к образованию α- и γ-фазы, а охлаждение сохраняет в структуре наряду с аустенитом или продуктами его превращения и определенное количество феррита.

     Феррит  в рассматриваемых сталях оказывает  определенное влияние на свойства. Отличаясь более низкой по сравнению  с аустенитом пластичностью, он осложняет процесы обработки давлением, способствуя появлению надрывов. В прокатанном металле феррит раскатывается в слои-строчки, обусловливающие анизотропию свойств вдоль и поперек направления проката металла. По сравнению с аустенитом феррит более хрупкая составляющая, поэтому он ухудшает вязкость стали. Он отрицательно влияет на жаропрочность. В связи с отрицательным влиянием феррита на технологические и другие свойства аустенитных сталей его количество регламентируется. Обычно для сохранения удовлетворительной деформируемости допускают его содержание до 25 %. Регулируют количество феррита в основном соотношением содержания в сталях хрома и никеля. Так, стали, содержащие 18 % Сг и 8 % Ni, могут иметь в составе структуры от 0 до 30 % феррита. Стали, содержащие 25 % Сг и 20 % Ni, имеют полностью аустенитную структуру.

     В литых сталях, в том числе и  сварных швах, феррит в определенных количествах играет положительную роль. В литом металле ферритные выделения обычно находятся по границам аустенитных зерен и тем самым ограничивают рост аустенитного зерна, способствуя получению мелкозернистой структуры и повышению свойств.

     Большое влияние на количество феррита и  стабильность аустенита оказывают  содержание и состояние углерода в стали. Углерод сильно расширяет γ-область и стабилизирует аустенит. Однако если углерод в хромоникелевых сталях связан в карбиды, а не растворен в аустените, он теряет свое значение как аустенитизатор. При этом понижается стабильность образующегося аустенита, и сталь из аустенитной превратится в аустенитно-ферритную. Чтобы сохранить аустенитизирующее действие углерода, нагрев под закалку и условия охлаждения должны обеспечивать растворение карбидов и фиксацию углерода в растворе.

     Неблагоприятное влияние на свойства хромоникелевых высоколегированных сталей может оказывать σ-фаза, которая образуется при длительных нагревах в интервале 600—900 °С в сталях с повышенным содержанием хрома и ферритообразующих элементов. Преимущественно σ-фаза выделяется из α-фазы, однако наличие трехфазной области α+ γ + α свидетельствует о том, что σ-фаза может выделяться и из γ-фазы. В хромоникелевых сталях σ-фаза представляет собой сложное интерметаллическое соединение на базе железа и хрома. Она значительно снижает вязкость стали и способствует ее упрочнению, в том числе и при повышенных температурах.

     Высоколегированные  стали с аустенитной основой  могут обладать особыми свойствами: жаропрочностью, кислотостойкостью, хладостойкостью и высокой прочностью, значительно превышающими аналогичные характеристики хромистых сталей. Такая особенность свойств связана прежде всего с особенностями аустенитной основы, а также со свойствами низкоуглеродистого «никелевого» мартенсита. Особенности аустенитной основы сталей связаны с двумя определяющими обстоятельствами: кристаллическим строением (ГЦК-решеткой) и высокой степенью легирования (сумма легирующих элементов >-30 %). Наличие ГЦК-решетки обеспечивает высокие пластичность и ударную вязкость материала. Высокая степень легирования, значительно превышающая критическое отношение Ме/С, обеспечивает упрочнение твердого раствора основы и низкий коэффициент диффузии в ней углерода и легирующих элементов.

     У металлов и сплавов с ГЦК-решеткой по сравнению с металлами, имеющими ОЦК-решетку, ударная вязкость значительно выше. Имеются различные предположения о причинах этого явления. Наиболее вероятным в последнее время считают то, что металлы с ГЦК-решеткой значительно менее чувствительны к влиянию на блокировку дислокаций примесей, особенно дающих растворы внедрения. Даже незначительное количество примесей (углерода, азота, кислорода и др.), всегда имеющихся в технических и промышленных металлах, находясь в ОЦК-решетке, существенно деформируют ее и тем самым создают энергетические препятствия  перемещению дислокаций. 

     2.1) Хладостойкие стали

     Указанная особенность сплавов с ГЦК-решеткой служит основой получения высокой  хладостойкости аустенитных сталей. Главным условием получения высокой хладостойкости аустенитных сталей является сохранение стабильно аустенитного состояния при низких температурах и деформации.

     Температура мартенситного превращения в  аустенитных хромоникелевых сталях ниже —100°С и зависит от состава  стали. В связи с этим в хладостойких аустенитных сталях содержание аустенито- и ферритообразующих элементов  должно быть таким, чтобы температура начала мартенситного превращения всегда была заметно ниже температуры эксплуатации металла. Вводимые иногда в хладостойкие стали для повышения прочности карбидообразующие элементы (молибден, титан и др.) не должны обеднять твердый раствор углеродом настолько, чтобы сталь перешла в нестабильное состояние при низкой температуре эксплуатации.