Мартенситные и мартенситно-ферритные стали

Мартенситные и мартенситно-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства. В основном их используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкцией в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4…5 %-ная уксусная кислота, фруктовые соки и др.) Эти стали применяют после закалки и отпуска на заданную твердость.

 

Мартенситно-стареющие стали

 

В настоящее время разработан весьма широкий ряд мартенситно-стареющих сталей не только на основе системы Fe-Ni, но и на основе тройных систем (Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Cr, Fe-Cr-Co), дополнительно легированных Mo, Co, Ti, Al и др. Общей особенностью сплавов этого класса является то, что они практически безуглеродистые (С£0,03%), и их матрица после закалки представляет собой a-твёрдый раствор, пересыщенный элементами замещения. При распаде a-твёрдого раствора при старении сплавов происходит выделение упрочняющих интерметаллидных фаз. Структура мартенситно-стареющих сталей после закалки представляет собой так называемый массивный или реечный мартенсит (рис 1.3), имеющий высокую плотность дефектов кристаллической решетки.

Рис 1.3 - Структура мартенситно-стареющих сталей после закалки:

а – световой микроскоп, ×240; б – электронный микроскоп, ×16000

Электронно-микроскопические исследования тонкой структуры такого мартенсита показали, что основная масса кристаллов имеет неправильную форму. Наиболее крупные кристаллы имеют среднюю полосу – мидриб, представляющую собой сгущения двойников. Остальная часть кристалла имеет дислокационную структуру [14].

Суммарное упрочнение мартенситно-стареющих сталей складывается из упрочнения твёрдого раствора путем легирования, упрочнения при пластической деформации (если таковая реализуется) и старения (рис. 1.4).

Рис. 1.4 - Схема упрочнения мартенситностареющих сталей

 

Для твёрдых растворов замещения упрочнение определяется концентрацией растворенного элемента, а также различием атомных радиусов растворённого элемента и растворителя (1этап согласно схеме на рис.1.4). Прирост прочности в результате мартенситного g®a- превращения (2 этап) связан для пластинчатого мартенсита со сдвиговой пластической деформацией при бездиффузионной перестройке решетки. Суммарный прирост предела текучести Δs_0,2 в случае примерно 30%-ного легирования составляет 200 МПа и после мартенситного превращения» 300…600 МПа.

Холодная пластическая деформация может быть одним из факторов дополнительного повышения прочности мартенситно-стареющих сталей, если речь идет о таких изделиях, как проволока, лента, холоднокатаный лист (3 этап). Интенсивность деформационного упрочнения мартенситно-стареющих сталей на Fe-Ni основе невелика, большее деформационное упрочнение имеют стали на Fe-Cr-Ni основе.

Относительно небольшую склонность мартенситностареющих сталей к наклепу связывают с высокой подвижностью имеющихся и генерированных при деформации дислокаций. Тем не менее, пластической деформацией можно получить прирост предела текучести, временного сопротивления разрыву на 400…800 МПа.

Наиболее заметным является эффект упрочнения благодаря старению легированного мартенсита замещения при нагреве предварительно закалённого (или закаленного или деформированного) сплава на 400…650 °С вследствие развития процессов распада пересыщенного твёрдого раствора и образования высокодисперсных равномерно распределённых частиц интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей. В рассматриваемых сталях распад твёрдого раствора протекает в матрице, имеющей высокую плотность дислокаций. Это облегчает условия гетерогенного зарождения упрочняющих фаз, способствует распаду пересыщенного твёрдого раствора.

Важнейшим преимуществом мартенситно-стареющих сталей перед другими высокопрочными материалами является необычно высокое сопротивление хрупкому разрушению.

По ряду технологических свойств мартенситно-стареющие стали превосходят стали других классов соответствующего уровня прочности. Для них характерны: высокая пластичность отсутствие трещинообразования при охлаждении возможность сведения упрочняющей обработки к операциям закалки и старения малая изменяемость геометрических размеров в процессе окончательной термической обработки – старения хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочности сварного шва и основного изделия при проведении последующего старения [6].

 

Ферритные стали

 

Ферритные хромистые стали имеют высокую коррозионную стойкость в азотной кислоте, водных растворах аммиака, в аммиачной селитре, смеси азотной, фосфорной и фтористоводородной кислот, а так же в других агрессивных средах.

Коррозионная стойкость сталей ферритного класса повышается с увеличением содержания в них хрома, уменьшением содержания углерода и азота. В зарубежной практике разработаны стали с низким суммарным содержанием углерода и азота (0,025…0,035%), содержащие 18…28 % Сr и 2…4 % Mo, стабилизированные Ti или Nb. Эти стали называют суперферритами; они имеют высокую стойкость во многих агрессивных средах, стойки против коррозии под напряжением, питтинговой и щелевой коррозии. Только при С £ 0,03 % в структуре стали наблюдается чисто ферритная структура.

Аустенитные стали

Хромоникелевые стали. Введение в сталь никеля сильно расширяет g-область, снижает температуру мартенситного превращения и при 8 % Ni сталь с 18 % Cr и 0,1 % С переходит в класс аустенитных. Мартенситная точка М_н при охлаждении для этих сталей лежит несколько ниже комнатной температуры, а мартенситная точка при деформации М_н – выше.

Точное положение точки М_н сталей типа 18-8 определяется соотношением хрома, углерода, никеля и примесей в стали и меняется в широких пределах от 0 до (-180) + (-190) °С.

Мартенсит может быть получен пластической деформацией или обработкой холодом. Важно отметить, что состав 18 % Cr – 8% Ni при 0,1 % С требует минимального количества никеля для обеспечения аустенитной структуры, т.е. является наиболее экономически выгодным, что и определило широкую распространённость сталей этого типа.

Основным преимуществом сталей аустенитного класса является их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность. Поэтому, аустенитные коррозионностойкие стали нашли широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях машиностроения.

В хромоникелевых аустенитных сталях промышленных плавок возможны следующие фазовые превращения:

1) образование карбидных, карбонитридных фаз и σ-фазы при нагревах в интервале 650…850 °С;

2) растворение этих фаз при нагреве до более высоких температур (1100…1200°С);

3) образование d-феррита при высокотемпературных нагревах;

4) образование a- и e-мартенситных фаз при охлаждении и пластической деформации.

В качестве перспективного высокопрочного материала для таких важных изделий, как упругие элементы или специальные виды некоторых инструментов (например, медицинских) обоснованное применение получили деформационно-стареющие аустенитные стали различного структурного типа – стабильные и нестабильные [16].