Нержавеющие стали: феррит, мартенсит, аустенит

Нержавеющие стали ценят за их высокое сопротивление коррозии. Все по-настоящему нержавеющие стали содержат не менее 11 % хрома. Такое содержание хрома обеспечивает образование тонкого защитного поверхностного слоя из карбида хрома при взаимодействии стали с кислородом.

Влияние хрома на коррозионную стойкость стали

Именно хром делает сталь нержавеющей. Кроме того, хром является элементом, повышающим устойчивость феррита. Рисунок 1 иллюстрирует влияние хрома на диаграмму состояния железо-углерод. Хром заставляет аустенитную область сжаться тогда, как ферритная область увеличивается в размерах. При высоком содержании хрома и низком содержании углерода феррит является единственной фазой вплоть до температуры ликвидуса.

xromistye-staliРисунок 1 — Влияние 17 % хрома на диаграмму состояния железо-углерод. При низком содержании углерода феррит является устойчивым при всех температурах. Буква «М» обозначает «металл», например, хром или железо, а также другие легирующие элементы.

Различают несколько видов нержавеющих сталей, основанных на различиях кристаллической структуры и упрочняющих механизмов.

Ферритные нержавеющие стали

Ферритные нержавеющие стали содержат до 30 % хрома и не более 0,12 % углерода. Благодаря своей объемноцентрированной кристаллической структуре (ОЦК) ферритные стали имеют хорошую прочность и приличную пластичность , которые достигаются за счет упрочнения твердого раствора и деформационного упрочнения. Ферритные стали являются ферромагнитными или, говоря по-простому, «магнитят». Они не поддаются термической обработке. Ферритные стали имеют отличную коррозионную стойкость, обладают умеренной способностью поддаваться обработке давлением и являются относительно дешевыми.

К ферритным  нержавеющим сталям относятся стали 08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28 по ГОСТ 5632-72.

Мартенситные нержавеющие стали

Из рисунка 1 видно, что сталь с 17 % хрома и 0,5 % углерода при нагреве до 1200 ºС образует 100 %-ный аустенит, который превращается в мартенсит при закалке стали в масле.  Мартенсит затем отпускают для получения высокой прочности и твердости стали (рисунок 2).

martensitaya-nerzhaveyushchaya-stalРисунок 2 – Мартенситная нержавеющая сталь.  Содержит крупные первичные карбиды и мелкие карбиды, которые образовались при отпуске.

Содержание хрома в мартенситных сталях обычно не более 17 %, так как в противном случае аустенитная область на диаграмме состояния становится слишком маленькой. Это приводит к тому, что в нее становится технологически трудно попасть: требуется жесткий контроль содержания углерода и температуры аустенитизации. Более низкое содержание хрома позволяет расширить содержание углерода от 0,1 до 1,0 %, что дает возможность получать мартенсит различной твердости. Комбинация высокой твердости, прочности и коррозионной стойкости делает эти стали подходящим для изготовления таких изделий как высококачественные ножи и шариковые подшипники.

К мартенситным нержавеющим сталям относятся стали 20Х13, 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2 по ГОСТ 5632-72.

Аустенитные нержавеющие стали

Никель является элементом, который повышает устойчивость аустенита. Присутствие никеля в стали увеличивает размер аустенитной области, тогда как феррит почти полностью изчезает из железо-хромово-углеродистых сплавов (рисунок 3).

stal-Х17Н8Рисунок 3 — Сечение диаграммы состояния железо-хром-никель-углерод при 18 % хрома и 8 % никеля. При низком содержании углерода аустенит является устойчивым при комнатной температуре.

Если содержание углерода становиться ниже 0,03 %, то карбиды в стали вообще не образуются и сталь является полностью аустенитной при комнатной температуре (рисунок 4).

austenitnye-nerzhaveyushchie-staliРисунок 4 – Аустенитная нержавеющая сталь

Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, способностью обработке давлением и коррозионной стойкостью.

Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса заключается в закалке в воде с температуры 1050-1100 °С. Такой нагрев вызывает растворение карбидов хрома, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пресыщенного твердого раствора. Очень важно отметить, что в результате закалки твердость этих сталей не повышается, а снижается. Поэтому для аустенитных нержавеющих сталей закалка является смягчающей термической операцией.

Свою прочность аустенитная нержавеющая сталь получает за счет холодного наклепа — нагартовки. Аустенитные стали могут получать деформационное упрочнение до значительно более высоких величин, чем ферритные нержавеющие стали. При деформациях порядка 80-90 % предел текучести достигает 980-1170 МПа, а предел прочности — 1170-1370 МПа. Ясно, что такого наклепа можно достичь только при изготовлении таких видов изделий, как тонкий лист, лента, проволока.

Аустенитные нержавеющие стали являются немагнитными, что дает им преимущество во многих применениях.

Представителями аустенитных нержавеющих сталей являются стали 12Х18Н9 и 17Х18Н9, 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 03Х18Н11 по ГОСТ 5632-72.

Дисперсионно твердеющие нержавеющие стали

Эти стали называют также высокопрочными нержавеющими сталями. Дисперсионно твердеющие нержавеющие стали содержат алюминий, ниобий или тантал и получают свои свойства за счет закалки, деформационного упрочнения, упрочнения старением и мартенситного превращения. Сталь сначала нагревают и закаливают с превращением аустенита в мартенсит. Повторный нагрев вызывает выделение из мартенсита упрочняющих частиц, таких как NiAl3. Высокая прочность этих сталей достигается даже при низком содержании углерода.

К дисперсионно твердеющим сталям относятся стали 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 08Х17Н5М3, 04Х25Н5М2, ХН40МДТЮ по ГОСТ 5632-72.

Двухфазные нержавеющие стали

В некоторых случаях в структуре нержавеющих сталей намеренно получают смесь различных фаз. При соответствующем контроле химического состава и режимов термической обработки получают сталь с содержанием, например, 50 % феррита и 50 % аустенита. Такая комбинация фаз в структуре стали обеспечивает ей такое уникальное сочетание механических свойств, коррозионной стойкости, способности к обработке давлением и свариваемости, которое невозможно достичь в никаких других нержавеющих сталях. Иногда их называют по-зарубежному — дуплексные стали.

К двухфазным нержавеющим сталям относятся стали 08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2, 08Х18Г8Н2Т, 03Х24Н6М3 по ГОСТ 5632-72.

Источник: D. Askeland, P. Fulay, W. Wright — The Science and Engineering of Materials, 2011