Виды электрохимической коррозии

Разные фазовые составляющие, присутствующие в структуре сплава, на­ходясь в электролите, приобретают разные по величине и знаку электродные потенциалы. Чем больше различие в электродных потенциалах отдельных фазовых составляющих, тем активнее будет протекать коррозионный процесс и коррозионное разрушение сплава. Электрохимическая гетерогенность поверхности металла является причиной коррозии (например, коррозионная пара перлит: феррит- анод, цементит - катод) Более коррозионностойкими явля­ются сплавы со структурой однородного твердого раствора.

Однако даже в случае однородной структуры коррозионные пары могут возникать за счет, различия остаточных напряже­ний в отдельных зернах, разли-

чия в размерах зерен и других факторов.

Особенно сильно электрохимическая коррозия развивается в случае контакта в конструкции разнородных материалов с разны­ми потенциалами (например, коррозия стальных деталей в контак­те с медными или магниевых сплавов в контакте со сталью). В пластинке железа покрытой цинком, при его разрушении, железо будет катодом. Цинк, разрушаясь, защищает железо от коррозии, чем  и объясняется долговечность строительной жести, домашних ведер, оцинкованных кузовных листов и др.

В случае однофазного материала, например чистого металла или однородного твердого раствора, коррозия распространяется равномерно по всей поверхности детали - происходит так назы­ваемая общая или равномерная коррозия. Обработ­ка, ведущая к гомогенизации структуры, делает сплав более ус­тойчивым против электрохимической коррозии. Примером таких обработок является закалка хромоникелевой коррозионностойкой стали или отжиг оловянистых бронз, имеющих после литья неод­нородное строение вследствие ликвации. Наоборот, нагрев сплавов, приводящий к распаду пересыщенного твердого раствора и выде­лению частиц второй фазы, снижает коррозионную стойкость. Разность потенциалов отдельных составляющих микроструктуры способствует электрохимической коррозии.    

  В неоднородных металлах коррозия носит местный характер, охватывая отдельные анодные участки их поверхности с низким значением электродного потенциала. К местной кор­розии относятся питтинг, или точечная коррозия, пятнистая и язвенная ее разновидности. Очаги местной коррозии являются концентраторами напряжений. Анодными участками могут быть границы зерен и фаз, в то время как зерна сами по себе являются катодами. В этом случае развивается наиболее опасный вид коррозии - межкристаллитная коррозия (МКК).

Она почти незаметна с поверхности и распро­страняется в глубь металла по границам зерен. В результате межкристаллитной коррозии нарушается связь между зернами, при постукивании по металлу пропадает ха­рактерный металлический звук, и после приложения нагрузки металл легко разрушается.

Межкристаллитная коррозия высокохромистой стали обу­словлена выделением при повышенных температурах по границам зерен карбидов типа Сr₂₃С₆. Эти карбиды образуются в результате диффузии углерода из всего объема зерна, а хрома - только с при­граничных областей. Углерод перемещается по межузельному механизму диффузии (по механизму внедрения), кото­рый по сравнению с перемещением атомов по механизму заме­щения характеризуется высокой подвижностью. Это приводит к снижению содержания хрома в приграничных областях ниже его критической концентрации 12-14 % и скачкообразному па­дению электродного потенциала с +0,2 до -0,6 В. Границы зерен становятся анодом по отношению к металлу внут­ри зерен.

Эффективным средством, по­давляющим межкристаллитную коррозию, является максимальное снижение содержания углерода и введение в сталь таких сильных карбидообразующих элементов, как титан или ниобий, обладающих большим сродством к углероду, чем хром.

При одновременном действии коррозионной среды и нагрузки или остаточных напряжений воз­никает коррозия под напряжением, проявляющаяся в виде кор­розионного растрескивания или сетки трещин. Места концентра­ции напряжений имеют более низкий электродный потенциал и приобретают характер анодных участков. Известно, что в поврежденных мес­тах кузовов автомобилей, а также в местах деформаций продукты коррозии появляются ча­ще всего. Высокие остаточные напряжения являются причиной ускоренной коррозии сварных швов, околошовной зоны, болто­вых, заклепочных и других соединений.

Большое влияние на процесс коррозии в водных средах ока­зывает растворенный в жидкости кислород. При достаточном со­держании кислорода на поверхности образуется защитная оксид­ная пленка, повышающая электродный потенциал металла. Наи­более опасные анодные зоны создаются в местах плохой аэрации, где затруднен доступ кисло­рода из воздуха. Хорошо из­вестно, что та часть стальной плиты, которая находилась под слоем песка, корроди­рует в большей степени по сравнению с той частью, которая оставалась под непосредствен­ным влиянием атмосферы.

Коррозионные яв­ления усиливаются при наложении анодной напряженности на структурную. Состав атмосферы также оказывает влияние на коррозию сплавов. В городах, где воздух загрязнен промышленными газа­ми, коррозия проявляется значительно сильнее, чем в сельской местности. Для стальных деталей особенно вредными являются сернистый газ SО₂, сероводород H₂S, хлор С1₂ и хлороводород HCI.

Методы защиты от коррозии: нанесение защитных покрытий и пленок; изменение электрохимического потенциала защищаемого материала по отношению к среде на границе фаз; модификация коррозионной среды.

В качестве защитных покрытий применяют металлические и неметаллические покрытия. Металлические покрытия делятся на две группы: катодные(электрохимический потенциал которых в данных условиях больше, чем у защищаемого металла) и анодные(электрохимический потенциал которых в данных условиях меньше, чем у защищаемого металла). Катодные покрытия.защищают металл благодаря его изоляции от внешней среды, следовательно выполняют свою роль только при наличии полной сплошности, поэтому их делают сравнительно большой толщины. Защитные свойства анодных покрытий состоят не только в изоляции от внешней среды, но и в электрохимическом воздействии (в случае нарушения покрытия и образовании коррозионного элемента, защищаемый металл, являющийся катодом не разрушается). Металлические покрытия наносят электроосаждением, погружением в расплавленные металлы, металлизацией напылением, химическим осаждением солей, диффузией и т.д.

Неметаллические покрытия применяют в случае возникновения химических реакции металла в соответствующих средах.

К ним относят оксидные алюминиевые покрытия, получаемые в ходе электролитического процесса, фосфатные покрытия, получаемые в ходе погружения изделия в разбавленный раствор фосфорной кислоты и кислых фосфатов цинка или магния, а также керамические покрытия и стекловидные эмали. Фосфатные покрытия применяются как правило с дополнительным нанесением красок и лаков. К органическим покрытиям относятся разнообразные лакокрасочные материалы.

Коррзионностойкие стали

Для защиты от коррозии широко применяется явление пасси­вации, которое возникает при образовании тонких прочных и непрерывных оксидных пле­нок, равномерно покрывающих поверхность материала.

Переход от активного состояния к пассивному связан с ростом электродного потенциала. Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электрод­ный потенциал. Алюминий и кремний повышают хрупкость стали и приме­няются реже хрома. Из рис.14.1 следует, что при со­держании хрома более 12 % сталь резко изменяет электродный потенциал с электроотрицательного (-0,6 В) на электроположи­тельный (+0,2 В). На поверхности образуется защитная плотная пленка оксида Сr₂0₃.

Сталь, содержащая 12-14 % Сr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозионностойких сталей вводят также другие элементы - чаще никель. С ростом содержания хрома коррозион­ная стойкость стали растет.

Коррозионностойкие стали обычно делят на хромистые ферритные, содержащие 12-25 % Сr и 0,07-0,2 % С и хромистые мартенситные, содержащие 12-18 % Сr и 0,15-1,2 % С, а также аустенитные стали, содержащие 12-18 % Сr, 8-30 % Ni и 0,02-0,25 % С.

14.2.1 Хромистые нержавеющие стали

Хромистые стали после охлаждения на воздухе имеют ферритную, мартенситно-ферритную (с содержанием феррита более 10%) и мартенситную структуру. Они коррозионностойки при температуре до 300 °С в водопроводной воде, влажной атмосфе­ре, растворах азотной кислоты и многих органических кислотах. В морской воде хромистые стали подвержены коррозионному рас­трескиванию. Марки, химический состав и свойства хромистых сталей приведены в табл.14. 1.

Хромистые стали при нагреве и охлаждении претерпевают фазовое ( )-превращение, что позволяет их упрочнять, не те­ряя коррозионной стойкости. Прочность после закалки возрастает с увеличением содержания углерода.

Таблица14.1

Свойства хромистых коррозионностойких сталей (ГОСТ 5632—81)

 

Сталь	Класс	Массовая доля эле­   ментов, %		Термическая обработка
		С	Сг	Отжиг		Закалка и вы­сокий отпуск		Закалка и ни­зкий отпуск
				σ ,МПа	δ,%	σ ,МПа	δ.%	σ МПа	δ,%
08X13	Ферритный	<0,08	12-14	400	20	500	30	-	-
12Х13	Ферритно- мартенситный	0,09-0,15	12-14	400	20	600	20	-	-
20Х13	Мартенситный	0,16-0,25	12-14	500	20	660	16	-	-
30X13	То же	0,26-0,35	12-14	500	15	700	12	1600	3
40X13	То же	0,36-0,45	12-14	600	15	800	9	1680	3

Отпуск не приводит к суще­ственному обеднению твердого раствора хромом, и коррозионная стойкость сохраняется на высоком уровне.

Термическая обработка мартенситных сталей, например 30Х13,40Х13 состоит из закалки от температуры 1000 °С в масле и низ­кого отпуска при температурах 200-300 °С. После такой обработки стали имеют структуру отпущенного мартенсита. Из них изготав­ливают режущий, формовочный, измерительный и хирургический инструмент, пружины, а также предметы домашнего обихода.

Для изготовления подшипников, втулок, ножей и других де­талей, работающих на износ в агрессивных средах, применяют сталь 95X18. После закалки с 1000-1050 °С в масло и отпуска при 200-300 °С сталь имеет высокую твердость - не менее 55 HRC.

Мартенситно-ферритные стали закаливают с температуры 1000 °С и подвергают высокому отпуску (600-700 °С) для получения сорбитной структуры. В отожженном состоянии эти стали пластич­ны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться не только горячей, но и холодной обработке давлением. Они приме­няются для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам, работающих в слабоагрес­сивных средах. К таким деталям относятся клапаны гидравличе­ских прессов, мешалки, валы и шнеки в пищевой промышленно­сти. Ферритные стали подвергают отжигу при температуре 700-800 °С для получения однородного твердого раствора и увеличения коррозионной стойкости. Из сталей марок 08X13, 12X17, 15Х25Т, 15X28 изготавливают оборудование и оснастку предприятий пи­щевой и легкой промышленности, трубы теплообменной аппаратуры, работающие в агрессивных средах. Сварке ферритные стали подвергают редко, поскольку она приводит к росту зерна и снижению  коррозионной стойкости.                                                                   

14.2.2 Хромоникелевые коррозионностойкие ста­ли

Хромоникелевые коррозионностойкие ста­ли после охлаждения на воздухе имеют аустенитную, аустенитно-мартенситную и аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) струк­туру. Широко применяемые стали типа 12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 04Х18Н10, ОЗХ18Н12,17Х18Н9 обычно содержат 18 % Сr и 9-12 % Ni (табл. 14.2.). Они имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями. Термообработка этих сталей за­ключается в закалке от температуры около 1100 °С в воде без от­пуска. Высокая температура при закалке необходима для раство­рения карбидов и получения структуры однородного аустенита. После закалки стали имеют следующие основные свойства: чисто аустенитную структуру, низкую твердость, высокую пластичность; они немагнитны, хорошо деформируются и свариваются. Высокая технологичность сталей позволяет широко использовать их в ка­честве конструкционного материала.

При медленном охлаждении хромоникелевые стали приобре­тают многофазную структуру, в которой кроме аустенита присут­ствует небольшое количество феррита и карбидов. Такая структу­ра отрицательно сказывается на коррозионной стойкости и пла­стичности.

Состояние однофазного аустенита с сохранением всего хрома в твердом растворе обеспечивает сталям максимальную коррозион­ную стойкость. Пластичность на уровне δ= 35-40 % позволяет подвергать их холодной пластической деформации с наклепом и повышением прочности при сохранении коррозионной стойкости почти на прежнем уровне.(рис.14.2)

Содержание углерода в коррозионностойких аустенитных ста­лях ограничено, и желательно, чтобы оно было ниже предела рас­творимости углерода в легированном никелем аустените при 20 °С, составляющего 0,04 %. Присутствие в стали более высоких концен­траций углерода может приводить к образованию карбидов хрома типа Сг С , вследствие чего твердый раствор обедняется хромом

                                                                                                                 Таблица 14.2

Состав и свойства закаленных коррозионностойких сталей аустенитного

класса (ГОСТ 5632-81)

 

Сталь	Массовая доля элементов, %						Механические свовойства
	С	Сг	Ni	Mn	Ti	Прочие	σ в,  МПа	δ, %
04Х18Н10	<0,04	17-19	9-11	_			500	45
08Х18Н10	<0,08	17-19	9-11	-			520	45
12Х18Н10Т	<0,12	17-19	9-11		0,7		520	40
17Х18Н9	0,13-0,21	17-19	8-10	-			600	35
10Х17Н13М2Т	<0,1	16-18	12-14		0,3-0,6	1,8-2, 5 Мо	520	40
10Х14Г14Н4Т	<0,1	13-15	2,8-4,5	13-15	0,6		650	35
12Х17Г9АН4	<0,12	16-18	3,5-4,5	8-10,5		0,15-0,25 N	700	40

 

и создается двухфазная структура. При этом снижается коррозион­ная стойкость стали. Для предотвращения образования карбидов хрома, особенно при технологических нагревах, связанных с про­ведением операций сварки или пайки и опасностью возникнове­ния межкристаллитной коррозии, в сталь вводят дополнительно титан, ниобий или тантал. Эти элементы связывают углерод в карбиды типа TiC, NbC, TaC, оставляя хром в твердом растворе. Необходимое количество титана для введения в сталь определяют по формуле, Ti = (С - 0,02) • 5, где С - содержание углерода в стали.

Стали, не склонные к межкристаллитной коррозии, называют стабилизированными. Эффект стабилизации может быть достиг­нут, помимо введения сильных карбидообразующих элементов, снижением содержания углерода ниже 0,04 %.

Пассивации Cr - Ni аустенитных сталей способствует вве­дение 0,5-1,5 % Мо. Введение таких количеств молибдена в сталь 12Х18Н10Т уменьшает плотность критического тока пас­сивации в 10 раз. Аустенитные стали с молибденом не под­вержены точечной коррозии в морской воде.

В пищевой промышленности хромоникелевые коррозионно-стойкие стали применяют в изделиях, контактирующих с агрес­сивными пищевыми средами (емкости, трубопроводы и т. д.).

Б холодильной и криогенной технике они используются для изготовления сосудов для хранения жидких газов, корпусов, ад­сорберов ацетилена, деталей центробежных машин.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали содержат дефи­цитный и дорогостоящий никель и поэтому имеют высокую стои­мость. В ряде случаев применяют более дешевые стали, в которых весь никель или часть его заменены марганцем. До температур -196°С и в слабоагрессивных пищевых средах вместо стали 12Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.

Также в целях экономии никеля промышленность выпускает двухслойные стали, в которых в основном слое использованы низ­колегированные или углеродистые стали, а в плакирующем слое - хромоникелевые коррозионностойкие стали и цветные металлы.

14.2.3 Хромистые стали, легированные азотом

С помощью атомов внедрения (углерода и азота), располагаю­щихся в междоузлиях решетки, можно существенно увеличить прочностные свойства аустенитных сталей. Учитывая отрица­тельное влияние углерода на коррозионную стойкость, увеличе­ние его содержания нецелесообразно. В отожженном и закален­ном состояниях концентрация азота в хромоникелевых аустенит­ных сталях может быть доведена до 0,40 %, а при выплавке стали под давлением - до 1,0 %. При этом предел текучести при ком­натной температуре может возрасти до 500 МПа, а временное со­противление - до 1000 МПа. Азот повышает стабильность аусте-нита, поэтому для повышения коррозионной стойкости можно использовать более высокие концентрации хрома и молибдена, не увеличивая склонность стали к выделению интерметаллидных фаз. Примером может служить сталь ОЗХ20Н16АГ6, используе­мая в криогенной технике. Хромистые коррозионно-стойкие стали, легированные азотом.

Азот, растворяясь в железе или в сложных композициях на его основе, придает им практически важные, а иногда даже уникальные свойства.

Процесс азотирования поверхностного слоя стальных изделий в твердом состоянии для обеспечения высокой износостойкости деталей машин  широко применяется в промышленно­сти.

Успешно использовать азот для объемного легирования сталей научились относительно недавно. Первые работы по легированию ста­ли азотом относятся к тридцатым годам на­шего века. Академик А.М. Самарин первый выдвинул идею замены в коррозионно-стой­ких сталях никеля азотом.

Несмотря на доступность, азот не приме­няют столь же широко как углерод, посколь­ку технологические процессы насыщения железа азотом сложнее, чем углеродом, осо­бенно при использовании традиционной слитковой технологии. Ниже перечислены основные методы введения азота в сплавы на основе железа, которые в настоящее время нашли применение в промышленных усло­виях.

1. Насыщение азотом расплавов

а)  плавка при нормальном давлении азота над расплавом (на воздухе) с использованием в качестве шихтовых материалов азотирован­ных ферросплавов (Fe—Cr, Fe—Mn, Fe—V и др.) или металлов;

б) плавка при повышенном давлении азота над расплавом. Ниже приведены основные способы насыщения жидкой стали азотом, табл.14. 3 (цифры ориентировочные):

Т а б л и ц а 14.3.

Способы насыщения жидкой стали азотом

Способ	Давление азотом, атм.	Степень пересыщения стали азотом*
Плавка в индукционной печи Электрошлаковый переплав Литье с протоводавлением азота Переплавка в плазменной печи	100 50 16 4	10 7,5 4 2

*По сравнению со сталью, полученной при нормальном давлении азота.

В индукционных печах можно создавать давление азота над расплавом до 100 атм, что по закону Сивертса дает "пересыщение" азо­том в 10 раз. Так, например, в легированных коррозионно-стойких сталях растворимость азота после кристаллизации расплава при ат­мосферном давлении составляет 0,25%, а при давлении ЮС атм. -2,5%, 2. Насыщение азотом в твердом состоянии

а)  азотирование (объемное или поверхност­ное) компактного материала или порошков;

б)  горячее прессование в газостатах под давлением азота смеси порошков сплава за­данного состава.

Необходимо отметить, что азот, кроме придания стали особых свойств, стабилизирует γ-Fe. Поэтому при легировании сталей азотом возможна экономия не только эле­ментов — γ -стабилизаторов (никель, марга­нец), но и дорогих и дефицитных- молибдена или вольфрама.

В последнее десятилетие азот используют для легирования практически всех типов сталей, но в большей мере — высоколегиро­ванных коррозионно-стойких, в которые азот вводят в виде азотированного хрома или феррохрома. Для получения необходимой концентрации азота в сталях с малым содер­жанием хрома следует использовать рас­смотренные выше специальные приемы азо­тирования.

Азот широко применяют для легирования аустенитных и аустенитно-ферритных корро­зионно-стойких сталей, так как он позволяет улучшить коррозионные и механические свойства сталей, уменьшить расход дефицит­ных легирующих элементов.

Азот, так же как и углерод, образует с же­лезом твердый раствор типа внедрения. Диа­граммы состояния систем Fe-C и Fe-N имеют большое сходство. Эти диа­граммы свидетельствуют о наличии эвтекто-идных превращений соответственно при 738 и 592°С. Указанные превращения обусловли­вают сходство в структурах, формирующихся в результате термической обработки в спла­вах Fe—С и Fe—N. Более низкая температура эвтектоидного превращения у Fe—N сплавов обусловливает возможность получения более дисперсных фаз, составляющих металлогра­фическую структуру. Нельзя не отметить, что предельная растворимость азота как в у-, так и в y-Fe выше, чем углерода.

Самая большая сложность получения в за­твердевшем железном сплаве большого коли­чества азота заключается в том, что при тем­пературах в интервале кристаллизации про­исходит резкое снижение растворимости азо­та в стали

С помощью легирования растворимость азота можно повысить, выбрав составы стали, в которых   кристаллизация из жидкой фазы будет происходить с образование γ-фазы, в которой растворимость азота весьма высока. В результате переохлаждения может  происходить бездиффузионная пере­стройка г.ц.к. кристаллической решетки g-фазы в α-фазу, которая будет пересыщена азотом или 'углеродом. При зтом возникают тетрагональные искажения кристаллической решетки a-Fe. С повышением содержания азота тетрагональные искажения в a-Fe, об­разующемся по мартенситной реакции при охлаждении g-Fe, увеличиваются. Тетрагональные искажения a-фазы азот уве­личивает несколько меньше, чем углерод (предполагают, что это связано с меньшими размерами атома азота).

Азот при равном содержании с углеродом в высоколегированных железных сплавах обеспечивает повышенные технологиче­скую пластичность и значение предела теку­чести. Он повышает способность к деформационному упрочне­нию и существенно увеличивает: способ­ность металла сопротивляться распростра­нению трещин в процессе разрушения, цик­лическую прочность, износо- и коррозион­ную стойкость.

Стали, легированные азотом, подразделя­ют на два типа: с равновесным и "сверхрав­новесным" содержанием азота. Стали с рав­новесным содержанием азота получают в условиях кристаллизации на воздухе при обычном давлении азота. Стали со "сверхрав­новесным" содержанием азота — при исполь­зовании способа выплавки с повышенным давлением азота над расплавом или одного из способов твердофазного азотирования.

Наибольшее распространение получили азотосодержащие стали, легированные хро­мом. При высоком содержании азота и хрома они могут иметь стабильную аустенитную структуру. При содержании 21% Сr до­статочно добавки примерно 0,3% N для того, чтобы превратить структуру стали из мартенситной в аустенитную, т.е. сохранить до ком­натной температуры высокотемпературную γ-модификацию железа. Для рассмотрения совместного влияния азота и хрома на аустенитизацию стали можно использовать эмпи­рическую зависимость:

 % γ =a+b(%Cr+18% N).При значениях (%Cr+18%N) вплоть до ~26% сталь имеет мартенситную структуру, а более 33% — аустенитную.

Упрочнение таких сталей дости­гается при изменении концентрации азота в γ -твердом растворе. Растворение азота значи­тельно увеличивает период кристаллической решетки аустенита, что способствует повыше­нию прочности, но при этом снижается плас­тичность стали. Тем не менее даже при боль­шом значении периода кристаллической ре­шетки аустенита α=0,3620 нм (это соответст­вует содержанию в стали примерно 1.6% N) еще сохраняется достаточный запас пластич­ности, а прочность (s_0.2 ) возрас­тает до 1150 МПа (что в 4 раза больше, чем у обычной аустенитной стали типа Х18Н9).

Дополнительное повышение прочности азотосодержащих сталей может обеспечить процесс дисперсионного твердения с выделе­нием нитридных (или карбонитридных) фаз из пересыщенного азотом γ -твердого раство­ра при термической обработке. Наибольшее упрочнение при одинаковом снижении пластичности обеспечивает ни­трид ванадия. Стали, содержащие в струк­туре дисперсные частицы нитрида ванадия, могут иметь предел текучести в 4—5 раз более высокий, чем традиционные коррозион­но-стойкие стали аустенитного класса и  достигать 1400 МПа при достаточно высоком запасе пластичности.

 Предел текучести сварного соединения стали, полученного с использо­ванием электрода, соответствующего по со­ставу основному металлу, без специальных приемов сохранения азота (в наплавленном металле содержание азота составило 0.73%) составляет более 800 МПа.

При равном суммарном содержании эле­ментов внедрения (азота или углерода) проч­ность азотосодержащих сталей с мартенситной структурой выше, чем угеродосодержащих. Азотосодержащая сталь при всех температурах отпуска оказыва­ется более прочной, чем сталь с эквивалент­ным содержанием углерода, в то время как пластичность у рассматриваемых сталей практически одинаковая.

Важнейшей характеристикой работоспособности стали в конструкциях, испытываю­щих переменные нагрузки, является цикли­ческая прочность (выносливость). Результаты испытания на выносливость мартенситной хромоазотистой стали, содержащей всего лишь 0,13% N, показали, что напряжение до разрушения образцов при числе циклов на­грузки 10⁷ составляет около 770 МПа. При такой усталостной прочности сталь может конкурировать с легкими сплава­ми по высокой удельной прочности.

У хромоазотистых мартенситных сталей очень высока способность к пластической де­формации. Металл отлично деформируется в широком интервале температур (от 20 до 1200° С). После прокатки при 400° С твердость стали составляет HRC 52, что соответствует проч­ности -2000 МПа. Сталь сохраняет высокий уровень прочности вплоть до 400° С.. При более высоких температурах ее прочность снижается по двум причинам. Во-первых, происходит огрубление мельчай­ших частиц нитридов, которые образуются в стали при нагреве до 300—400° С; во-вторых, развивается обратное превращение мартен­сита в аустенит (более пластичную и менее прочную модификацию железа).

Удельные прочность и жесткость (отноше­ние соответственно прочности и модулей упругости к плотности) — важные характеристики стихи эксплуатационных качеств конструк­ционных материалов. Для практического применения очень важно, что при равной удельной прочности хромистая сталь со струк­турой азотистого мартенсита заметно превос­ходит коррозионно-стойкие сплавы других типов по вязкости разрушения. Она сохраняет высокую удельную прочность вплоть до 400—450° С. Выше 500° С по удельной прочности некоторые преимущества перед рассматриваемой мартенситной сталью с 0,13% N имеет высоко­прочный титановый сплав. Однако это не означает, что титановые сплавы являются полноценными конкурентами таких сталей в качестве конструкционного материала. Это подтверждает рис.14.3, на котором показана удельная усталостная прочность (прочность, которая сохраняется после 10⁷ циклов нагруз­ки, отнесенная к плотности) и удельная жест­кость (величина модуля упругости, отнесен­ная к плотности) для хромоазотистой стали (с содержанием не более 0,13% N) и некоторых сплавов алюминия (А16), магния (МА5) и ти­тана (ВТ22). Видно, что по усталостной проч­ности титановый сплав несколько превосхо­дит сталь, но по удельной жесткости этот сплав существенно уступает азотистой стали из-за низкого модуля упругости титана.

Стали со сверхравновесным содержанием азота имеют большие перспективы практиче­ского применения.

Низкоуглеродистые хромистые стали, со­держащие азот в количествах, превышающих равновесное в несколько раз, могут претерпе­вать при охлаждении из области γ-фазы как "перлитоподобное" высокотемпературное превращение, так и низкотемпературное пре­вращение мартенситного типа. Прочностные свойства низколегированной стали 0Х3А (0,19%N) со сверхравновесным содержанием азота, полученная методом литья с противодавлением азота (1,6 МПа), в сравнении со свойствами конструкционной стали 18Х2Н4ВА, при практически равном содержании элементов внедрения (соответственно 0,19%N или 0,18% С) существенно выше, при примерно одинаковой пластичности.

Азотистые стали имеют более мелкое зерно, следовательно их хладостойкость выше, чем углеродистых сталей.

Наибольшее применение получат высокоазотистые стали (сплавы) с аустенитной структурой. Для стабилизации аустенита в этих сплавах достаточно из числа элементов стабилизаторов аустенита использовать только азот. Сплавы, содержащие ~1%N  и 18-24% Cr имеют предел текучести 850-900МПа, при δ= 25-50% (в зависимости от термической обработки). При прокатке прочность сплавов может быть доведена до 2500-2800МПа.

Отличительной особенностью хромоазотистых аустенитных сплавов (Х18А1,3) является высокое сопротивление абразивному износу, обусловленное тем же механизмом, что и у стали Гатфильда, содержащей (1,1% С и 13% Мn). По абсолютному уровню износостойкости хромоазотистые аустенитные сплавы могут в 2-2,5 раза превосходить стали Гатфильда, и износостойкость их в несколько раз выше, чем у стали 95Х18 с мартенситной структурой.

Недостатком сталей является распад пересышенного азотом γ- твердого раствора при тепловых выдержках в широком температурном интервале, т. е. идет процесс образования γ- твердого раствора с равновесным содержанием азота и нитрида хрома. Образующаяся при этом перлитоподобная структура вызывает снижение пластичности и вязкости. Однако разработанные способы обработки позволяют получить в структуре сплавов частицы нитридов хрома не пластинчатой, а зернистой формы. При наличии такой структуры уровень прочности и пластичности остаются удовлетворительными, что позволяет оценивать эти сплавы как конструкционные материалы нового поколения.