Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию физико-механических свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе титана (стр. 2 из 8)

Рис. 5 Фрагменты диаграмм состояния систем

Fe-C(а), Fe-N (б) и Fe-C, Fe-N(в).

Большое сходство имеют диаграммы состояния систем «железо - углерод» и «железо - азот» (рис 5 а, б, в). На этих диаграммах видно наличие эвтектоидных превращений соответственно при 738⁰С и 592⁰С. Эти превращения обусловливают сходство в структурах, формирующихся в результате термической обработки. Более низкая температура эвтектоидного превращения у железо-азотистых сплавов обуславливает возможность получения более дисперсных фаз, составляющих металлографическую структуру. Нельзя не отметить также, что предельная растворимость азота как в γ -, так и в α -железе выше, чем углерода.

Можно отметить основные различия между поведением этих элементов в твёрдых растворах сплавов на основе железа, которые и определяют различия во влиянии азота и углерода на физико-химические свойства этих сплавов:

1. Атомный и ионный радиусы у азота меньше, чем у углерода

(

),

2, d-электронный заряд на железе углерод увеличивает, а азот уменьшает, ослабляя тем самым ковалентную составляющую межатомной связи,

3, При температурах выше -400°С коэффициент диффузии азота меньше чем углерода.

4. Азот в кристаллической решетке железа проявляет тенденцию к упорядочению, тогда как углерод склонен к кластерообразованню.

5. В связи с наличием сильных межатомных связей между хромом и азотом проявляется тенденция к равномерному распределению в кристаллической решетке железа также и хрома - основного легирующего элемента в нержавеющих сталях.

6. Энергия взаимодействия азота с дислокациями выше, чем углерода.

7. Азот понижает энергию дефектов упаковки в кристаллической решетке железа, тогда как углерод её повышает, уменьшая тем самым способность к деформационному упрочнению. [1]

Азот оказывает сильное воздействие на структуру сталей. С повышением содержания азота от 0,25 до 0,45% непрерывно возрастает количество хрома, которое можно допускать в стали для сохранения аустенитной структуры, стабильной до 1260⁰С.

Используя сильное стабилизирующее действие углерода и азота на аустенит целесообразно в немагнитных хромомарганцевых сталях по возможности заменять никель углеродом, азотом и Mn, что позволит сэкономить никель и увеличит комплекс физико-механических свойств металла.

В малоуглеродистых сталях между температурой аустенизации и количеством δ-феррита, образовавшегося в сталях содержащих около 13% марганца и в разной степени легированных С, N, Cr с повышением температуры количество δ-феррита увеличивается. Однако в высокоуглеродистых сталях наблюдается обратная картина: с повышением температуры нагрева количество δ-феррита уменьшается. Это объясняется тем, что малоуглеродистые стали содержат небольшое количество карбидов и они переходят в раствор при сравнительно низкой температуре. С увеличением содержания углерода карбидные выделения переходят в твердый раствор, соответственно при более высоких температурах, в результате твердый раствор дополнительно обогащается углеродом и хромом. Углерод как сильный γ-образующий элемент способствует увеличению количества аустенитной составляющей, несмотря на противоположную тенденцию хрома.

Избежать появления δ-феррита можно путем дальнейшего увеличения в сталях концентрации углерода и азота. Минимальное количество углерода и азота, потребное для обеспечения аустенитной структуры, линейно возрастает с увеличением содержания хрома.

Присутствие карбидов полезно в том случае, когда они тормозят рост зерен и способствуют упрочнению стали. Углерод значительно сильнее, чем азот, влияет на изменение роста зерна при нагреве. Упрочняющее действие таких элементов внедрения как углерод и азот приблизительно одинаково и намного эффективнее, чем упрочнение, вызываемое хромом и марганцем, образующими твердые растворы замещения. [4]

1.2 Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Нержавеющими сталями называют большую группу хромистых, хромо-никелевых и хромо-марганцово-никелевых сталей с содержанием свыше 12% Сr, сохраняющих при воздействии атмосферы светлый металлический блеск, т. е. нержавеющие свойства. Хром повышает коррозионную стойкость сталей также и в других средах, преимущественно окислительных, что широко используется при изготовлении химической аппаратуры, и в частности аппаратуры для производства азотной кислоты.

Чем выше содержание хрома в стали, тем выше их коррозионная стойкость в атмосферных условиях и ряде коррозионных сред.

Кроме хрома, в стали вводят никель, марганец, углерод, молибден, вольфрам, ниобий и другие элементы для придания им специальных свойств (повышенной коррозионной стойкости в агрессивных средах, более высоких механических свойств при высоких температурах, определенных физических свойств) и структуры.

Рис. 6. Типичная микроструктура нержавеющей стали: а- аустенитного класса(аустенит), ×200; б- переходного класса(аустенит-мартенсит), ×500

Стали аустенитно-мартенситного класса в настоящее время применяются во многих областях промышленности.

Подавление эвтектоидного распада γ → αи снижение температуры мартенситного превращения (точки M_s)в результате присадки аустенитообразующих элементов (никеля, марганца, азота, углерода и частично хрома) приводит к образованию сталей аустенито-мартенситного класса и соответствующему изменению свойств. При нагреве сталей этого класса до высоких температур они становятся полностью аустенитными. При быстром охлаждении стали полностью сохраняют аустенитную структуру или частично распадаются на мартенсит, что зависит от точки (M_s).

Количество превращенного аустенита в мартенсит тем больше, чем медленнее охлаждение и чем ниже температура охлаждения. Превращение γ → α (М_α) протекает в этих сталях не полностью и с большой инерцией.

Механические и физические свойства этих сталей зависят от количества аустенита, превращенного в мартенсит, и ряда дополнительных процессов, связанных с образованием интерметаллидных или карбидных фаз, оказывающих дополнительное влияние на упрочнение.

Стабильные и требуемые свойства, химические составы подбирают таким образом, чтобы превращение γ → α (М_α) происходило при комнатных или при несколько пониженных температурах. [5]

Введение достаточного количества никеля в 18 %-ную хромистую сталь делает ее аустенитной, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также более коррозионностойкой и не хладноломкой.

Нержавеющие стали с 18% Сr и 10 % Ni получили наиболее, широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Представление об условии образования фаз в нержавеющих хромоникелевых сплавах дает система Fe—Сr—Ni.

На рис. 7 приведен горизонтальный разрез при 650 °С системы Fe—Сr—Ni (сплошныелинии). Однофазные γи α-области разделены двухфазной γ+α. При содержании хрома более 20 % появляется α-фаза (химическое соединение FeCr). Положение двухфазной области γ+α зависит от температуры. С понижением температуры ниже 650 °С область γ+α уходит вправо и ее крайнее положение при 20 °С показано пунктирными линиями, закончившимися в точках с и g, а при повышении температуры область уходит влево и ее крайнее положение при 1100°С показывает пунктирные линии, заканчивающиеся в точках a, d.

Рис. 7. Железный угол системы Fe-Cr-Ni. Сплошные линии - изотермический разрез при 650 °С

Отсюда следует, что сплавы, лежащие ниже линии abc, имеют полную γ

α -перекристаллизацию со структурой феррита при комнатной температуре. Между линиями abcи defgзаключены полуферритные (или полуаустенитные) сплавы с частичным γ α -превращением. Сплавы, лежащие левее линии be— ферритные, а правее fg— аустенитные, которые будем рассматривать.

Сплав 18-9 изображен на той системе точкой. Нетрудно видеть, что для получения при 18 % Сr аустенитной структуры обязательно должно быть 9 % Ni; с уменьшением содержания никеля сплав становится двухфазным во всем интервале температур, в том числе и при комнатной температуре. Увеличение хрома (сверх 18 % при 9 % Ni) приведет к тем же последствиям. При содержании хрома менее 14— 15 % в структуре появляется α-фаза, при температурах ниже 650 °С образование α-фазы протекает по мартенситному механизму.

В нержавеющих хромоникелевых сталях наряду с основной аустенитной γ -фазой может встречаться α-фаза в следующих модификациях: α-фаза, образующаяся в результате выделения из жидкости или из аустенита при высоких (выше 600—700 °С) температурах; α’-фаза, образующаяся из аустенита при низких (ниже 600 °С) температурах по мартенситному механизму и, наконец, α"-фаза, так называемый мартенсит деформации, при пластической деформации аустенита ниже некоторой температуры точки M_D.

Структурное состояние сплавов 18 % Сr и 8—15 % Ni в зависимости от колебания состава может быть устойчивым и неустойчивым. Пластическое деформирование при низкой температуре может вызвать в некоторых случаях образование так называемого гексагонального ε-мартенсита (промежуточное состояние), который затем может перейти в обычный α-мартенсит.

Аустенитные стали с 18 % Сr и 8—10 % Ni структурно неустойчивы, охлаждение его в области отрицательных температур или пластическая деформация при комнатной температуре вызовут образование мартенсита. В сплаве с 18 % Сr и 10—12 % Ni образование мартенсита можно вызвать лишь деформацией при температурах ниже 0 °С, сплавы же с 18 % Сr и более 14 % Ni обладают стабильным аустенитом; ни охлаждение, ни деформация при низких температурах не вызовут образования α-фазы.