Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию физико-механических свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе титана (стр. 3 из 8)
Промышленные хромоникелевые стали, естественно, не являются чистыми Fe—Cr—Ni сплавами, а содержат примеси. Эти примеси, растворяясь в основных фазах (γ и α) влияют на условия равновесия и на кинетику γ
α -превращения. Если же примеси образуют новые фазы, например карбиды, нитриды, интерметаллиды и др., то они могут существенно изменить свойства стали, хотя их влияние на γ α -превращение в этом случае менее значительно. [3]Глава 2. Азотсодержащие коррозионно-стойкие стали
Азот в небольших количествах присутствует в стали в виде примеси, попадая в нее при плавке из атмосферы и шихты. Ранее влиянию примеси азота на свойства стали не придавалось значения. Однако, как показывает опыт, этим пренебрегать нельзя, особенно в отношении высоколегированных хромистых и хромоникелевых сталей, выплавляемых в дуговых электропечах. Так как азот, как аустенитообразующий элемент в 20—30 раз действует сильнее, чем никель, то небольшие его количества (около 0,06%) уже достаточны для изменения структуры.
Присадка азота к ферритным хромистым сталям способствует появлению при высоких температурах двухфазной области аустенит + феррит и превращению аустенита в мартенсит, что отрицательно сказывается на механических свойствах сталей при комнатных температурах.
Присадка азота к полуферритным сталям типа XI7 повышает способность стали к превращению γ → α (вернее γ → Мα) с полным исчезновением ферритной фазы. Стали с 12—16% Сr и до 0,2% Сс присадкой до 0,2% N полностью закаливаются на мартенсит и после отпуска при 150—200° С обладают более высокой прочностью и ударной вязкостью, чем стали без азота.
Азот часто используется при азотировании, а также как легирующий элемент в качестве заменителя никеля в хромистых и хромоникелевых сталях.
В первом случае азот, насыщая поверхность железа или легированных сталей, сообщает им высокую поверхностную твердость, связанную с образованием высокодисперсных выделений нитридов различного типа.
Рис. 8. Влияние азота в системе железо-хром на расширение γ-области: 1- без азота; 2- с азотом
Отмечается большая разница во влиянии азота на свойства низколегированных сталей и высоколегированных нержавеющих и жаростойких. В высоколегированных сталях он обладает значительной растворимостью и образует стойкие нитриды, особенно в присутствии титана, ниобия и некоторых других элементов. Растворимость азота в расплавленных железохромоникелевых сплавах зависит от содержания хрома и никеля. Хром способствует повышению растворимости азота в его сплавах с железом, а никель— понижению растворимости. Растворимость азота уменьшается с понижением температуры. [5]
Присадка азота к хромистым и хромоникелевым сталям действует аналогично углероду и никелю, способствуя расширению γ -области.
Cамая большая сложность для получения в железном сплаве большого количества азота заключается в том, что при затвердевании происходит резкое снижение растворимости азота в стали, в интервале температур кристаллизации, которая обычно происходит через образование высокотемпературной модификации железа - δ-фазы - с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба, в которой растворимость азота низкая. Растворимость азота резко снижается при достижении температуры эвтектоидного превращения с образованием низкотемпературной модификация железа (α- фаза), хотя и в α-железе при температуре эвтектоидного превращения растворяется почти в пять раз больше азота, чем углерода. С помощью легирования растворимость азота можно повысить, выбрав составы стали, в которых вообще не будет образовываться высокотемпературное δ-железо. При этом кристаллизация из жидкой фазы будет происходить с образованием γ-фазы, с гранецентрированной кубической решеткой, в которой растворимость азота весьма высока.
При переохлаждении γ-фазы как у углеродистых, так и у азотистых сплавов железа может происходить бездиффузионная перестройка гранецентрированной кубической кристаллической решётки γ-фазы в α-фазу, пересыщенную азотом, или углеродом. При этом имеют место тетрагональные искажения кристаллической решетки α-железа.
С увеличением содержания азота увеличиваются тетрагональные искажения в α-железе, которое образуется по мартенситной реакции при охлаждении γ-железа
Азот, при равном с углеродом содержании, в железных сплавах обеспечивает высокую технологическую пластичность и повышенное значение предела текучести (очень важной характеристики конструкционных материалов), повышает способность к деформационному упрочнению, и существенно увеличивает способность сопротивляться распространению трещин в процессе разрушения, циклическую прочность, износостойкость 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. Если давление азота над расплавом было повышенным, или был использован один из методов твердофазного азотирования, получают стали с так называемым «сверхравновесным» азотом.
Основным легирующим элементом для азотсодержащих нержавеющих сталей является хром. Уровень прочности и стабильности аустенита по отношению к γ→α превращению таких сталей прямо зависит от концентрации азота в γ-твердом растворе. В зависимости от химического состава сплава азот может находиться γ-твердом растворе и в нитридах. При 1250°С в сплаве, содержащем около 18% Сr и более 0,3% N, азот может находиться в γ-твердом растворе. При последующем охлаждении азотистый аустенит может претерпевать два фазовых превращения: первое (при температурах около 800°С) - диффузионное, с образованием феррита и нитридов хрома, и второе (при температурах ниже 500°С) - бездиффузионное, с образованием мартенсита. Величина энергии активации высокотемпературного превращения азотистого аустенита существенно больше, чем энергия активации диффузии азота в аустените или феррите. Она соизмерима с энергией активации диффузии хрома в α- или γ-железе, или самодиффузии железа.
У сплавов с содержанием хрома около 18-24%, а азота — более 0,8% при быстром охлаждении до комнатной температуры может быть получена однофазная аустенитная структура.
Характерной особенностью немагнитных сталей с высоким содержанием азота является их высокая упрочняемость при холодном пластическом деформировании, обусловленная низким уровнем энергии дефектов упаковки аустенита. Существенным недостатком таких сталей является их склонность к выделению при 500-900°С нитридов хрома по схеме прерывистого распада. Это проявление нестабильности аустенита выражено тем более резко, чем больше степень пересыщения аустенита азотом. Прерывистый распад аустенита, пересыщенного азотом, происходит с образованием пластинчатых колоний типа «аустенит с равновесным содержанием азота - нитрид типа Cr2N с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой». Это приводит к неоднородности механических свойств деталей, имеющих большие площади сечения, и значительному снижению пластичности и ударной вязкости, а также к ухудшению свариваемости стали. Устранение отрицательного влияния прерывистого распада на механические свойства стали может быть достигнуто:
- легированием ванадием, обеспечивающим смену прерывистого распада γ5 → γ + Cr2Nна непрерывный распад γs → γ + VN(γs - пересыщенный азотом аустенит);
- термопластической обработкой, изменяющей форму и характер распределения частиц Cr2Nи формирующей структуру типа «микродуплекс»;
- горячим пластическим деформированием с окончанием при температуре, превышающей температуру начала реакции прерывистого распада, но недостаточной для развития собирательной рекристаллизации аустенита;
- гранульной технологией, обеспечивающей измельчение колоний γ + VN в гранулах, полученных при быстром охлаждении.
Характерной особенностью структуры высокоазотистых аустенитных сталей является формирование в результате горячей прокатки при 1000-1100°С с суммарной степенью обжатия 60-70% развитой полигональной структуры (средний размер полигонов 0,6 мкм), сохраняющейся в процессе последующего нагрева при 650°С. При образовании такой структуры у высокоазотистой стали достигается сочетание высокой прочности с высокой пластичностью и ударной вязкостью. [1]
Недостатком сплавов с высоким содержанием азота является сложность производства и сварки. Во время сварки такой стали азот будет выделяться из сварного шва вследствие чего лист стали будет содержать иметь разный химический состав по всей площади. Это может привести к сильному ухудшению коррозионных свойств.
Чем выше содержание азота в хромоникелевой стали, тем меньше требуется никеля, чтобы сделать сталь полностью аустенитной. Например, 18%-ная хромистая сталь, содержащая около 0,15% N и 0,10% С, будет полностью аустенитной, если к ней добавить 5,5% Ni а в 25%-ную хромистую сталь без азота надо ввести около 14% Ni.
Введение 0,15% N заменяет от 2 до 4% Ni, а 0,25% N — от 2,5 до 6% Ni.
Присадка азота к хромоникелевой стали типа 18-8 повышает устойчивость аустенита при холодной деформации, при этом предел прочности (σв) у стали типа 18-8 с азотом с изменением степени холодной деформации лежит ниже, чем у стали типа 18-8 без азота.