Аустенитные стали

 

 

 

 

 

Реферат по теме:

Аустенитные стали

 

 

 

 

 

 

Выполнила

Студентка 5 курса 4 группы

Анисимова Дарья Викторовна

 

 

 

 

 

 

 

 

БГУ 2015

 

 

 

Содержание

 

Понятие аустенитной стали………………………………………..3

Аустенит…………………………………………………………….4

Жаропрочные коррозионно-стойких стали аустенитного класса………………..........................................................................6

Влияние легирования на структуру и свойства аустенитных сталей….............................................................................................9

Коррозионная стойкость аустенитных сталей…………………...11

Применение аустенитных коррозионно-стойких сплавов в энергетических ЯЭУ…………………………………………………………………17

Структурные изменения в аустенитных сталях после облучения нейтронами…………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Понятие аустенитной стали

Выше определённого содержания марганца, никеля или некоторых других элементов γ-состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления. Такие высоколегированные железные сплавы называют аустенитными сталями. В отличие от других железных сплавов аустенитные стали (и ферритные) не имеют превращений при нагревании и охлаждении. Поэтому термическую обработку для упрочнения аустенитных сталей не применяют. Т.е. структура аустенита получается при высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область γ-фазы (Ni, Mn и др.), в этом случае сталь называют аустенитной или сталью аустенитного класса.

В аустенитных сталях хром обеспечивает жаростойкость и коррозионную стойкость, никель стабилизирует аустенитную структуру и повышает жаропрочность, пластичность и технологичность, в том числе - при высоких и низких температурах, что объясняет широкое применение аустенитных сталей, как конструкционных материалов для самых разных условий (агрессивные среды, высокие температуры и пр.).

Коррозионностойкие аустенитные стали

Коррозионностойкие (нержавеющие) аустенитные стали содержат 12-18% Cr, 8-30% Ni и 0,02-0,25% C.

Аустенитные хромоникелевые стали были разработаны относительно недавно, в 1910 году немецким инженером Штраусом. Аустенитные хромоникелевые стали имеют более высокую коррозионную стойкость по сравнению с хромистыми сталями и в отличие от хромистых сталей сохраняют её при нагреве. Содержание углерода в коррозионностойких сталях ограничено.

Жаростойкие и жаропрочные аустенитные стали

Аустенитные стали c ГЦК решёткой имеют значительно более высокую жаропрочность по сравнению со сталями с ОЦК решёткой.

Жаростойкие стали аустенитного класса, применяемые для изготовления деталей печного оборудования, характеризуются не только высокой жаростойкостью (окалиностойкостью), но и высокой жаропрочностью. К жаростойким аустенитным сталям относятся 20Х23Н18, 20Х25Н20С2, имеющие окалиностойкость до 1100°C.

Жаропрочные аустенитные стали. Из жаропрочных аустенитных сталей изготавливают роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600-700°:C. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Хладостойкие аустенитные стали

Хромоникелевые аустенитные стали. Широкое применение в технике низких температур (криогенной техники) получили хромоникелевые аустенитные стали, содержащие 17-25% Cr и 8-25% Ni. Хромоникелевые аустенитные стали сохраняют высокую пластичность и вязкость в широком температурном диапазоне, а также сочетают коррозионную стойкость с хорошими технологическими свойствами.

К недостаткам этих аустенитных сталей относится низкая прочность при комнатной температуре, особенно по пределу текучести, а также сравнительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогого никеля.

К хладостойким аустенитным сталям также относятся хромомарганцевые стали (аустенитные стали, в которых никель полностью или частично заменён марганцем); стабильные аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом (аустенитные стали, одновременно легированные хромом, никелем и марганцем) и метастабильные аустенитные стали.

 

 

 

Рис.1. Классификация сталей

 

 

 

 

 

 

 

2.Аустенит

 

 

Рис. 2. Равновесная диаграмма состояния системы Fe-С (Fe-Fe3C)

 

Аустенит − твердый раствор углерода (и других элементов) в γ-Fe (обозначают γ или А) (рис. 2). Предельная растворимость углерода в γ-Fe 2,14 % (см. рис. 3, точка Е). В элементарной ГЦК решетке γ-Fe имеются восемь тетраэдрических пустот размером  r т.п.≈0,22r Fe,  расположенных  на  пространственных  диагоналях  куба  на  расстоянии  одной  четверти диагонали от вершины ячейки (рис. 4, а), и четыре октаэдрические пустоты  [одна − в центре куба, три(1/4×12) – посередине ребер] (рис. 4, б) размером r о.п≈0,41rFe. Очевидно, что по объему вписываемых шаров и геометрии образования октаэдрические пустоты в центре и на ребрах куба эквиваленты. Следовательно, на каждый атом железа в ГЦК решетке (в элементарной ячейке четыре атома Fe) приходятся две тетраэдрические и одна октаэдрическая пустоты. Диаметр вписываемых в решетку γ-Fe октаэдрических пустот (r т.п.≈0,028 нм, rо.п. ≈0,052 нм) значительно превышает  диаметры  пустот  в  α-Fe. Это и предопределило большую растворимость углерода в γ-Fe по сравнению с α-Fe (см. рис. 2).

Рис.3.Аустенит  Рис. 4. Положение октаэдрических (а) и тетраэдрических(б) пустот в ГЦК решетке (○ − пустота; ● − атом металла)

 

 

 

 

 

3. Жаропрочные коррозионно-стойкие стали аустенитного класса

Введение в сталь достаточного количества элементов, расширяющих γ-область, переводит ее в класс аустенитных.  В  зависимости  от  состава  основы  аустенитные  коррозионно-стойкие стали бывают хромоникелевые, хромомарганцевые и хромомарганцевоникелевые.

Сплавы систем Fe–Cr–Ni и Fe–Cr–Мn Система Fe–Cr–Ni  была  предметом  многих  исследований.  В сплавах этой системы существуют обширные области γ-фазы, устойчивой в широком интервале температуры от отрицательной до температуры плавления. Сплавы со структурой  γ-фазы  обладают  ценными  физико-химическими и механическими свойствами: высоким сопротивлением электрохимической и химической коррозии, комплексом механических  свойств  при  повышенной температуре (жаропрочностью), хорошими  технологическими  свойствами (деформируемостью, свариваемостью) и др. Особенности влияния Cr и Ni (или Мn) на структуру и превращения в Fe позволяют создавать стали и сплавы различного класса. Стали, содержащие более 12–13 % Cr, становятся  коррозионно-стойкими, а введение достаточного количества Ni (или Мn) делает их аустенитными.

Представления об условиях образования фаз и взаимном влиянии Cr и Ni на структуру стали дает тройная диаграмма состояния системы Fe–Cr–Ni. На  рис.5  приведен  изотермический  ее разрез при 650 °С(сплошные линии). Однофазные области и α-, и γ-фаз разделены двухфазными (α+ γ; α+ σ; γ+ σ) и трехфазными (α+ γ+ σ) областями. При низком содержании Ni (< 8÷9 %) в структуре  сплава,  кроме  γ-фазы,  появляется  α-фаза;  увеличение концентрации Cr более20 % может вызвать появление твердой и хрупкой σ-фазы(НV = 5500÷7500 МПа). И в том, и в другом случае снижаются жаропрочные характеристики– длительная прочность, предел ползучести, релаксационная стойкость. Одновременно в той или иной степени ухудшаются пластические свойства и ударная вязкость, происходит  охрупчивание,  возрастает  анизотропия свойств в прокатанном состоянии. Присутствие α-фазы(а также σ-фазы) понижает стойкость аустенитных сталей при электрохимической коррозии и окислении.

Положение двухфазной (α+ γ)-области(и других фазовых областей) зависит от температуры. При температурах ниже 650 °С область (α+ γ) уходит вправо и при20 °С соответствует области, ограниченной пунктирными линиями е–с и f–g, а в области темпе-ратур выше650 °С она смещается влево, и ее крайнее положение при 1100 °С ограничено пунктирными линиями е–d и f–а. Соответствующие изменения происходят и с другими областями. Высокотемпературный  разрез системы Fe–Cr–Ni  показан  на рис. 6. При понижении температуры сужается γ-область и расширяется α-область, а с повышением температуры– наоборот. Отсюда следует вывод о том, что сплавы, лежащие ниже линии аbс, имеют полную (γ ' α)-перекристаллизацию со структурой феррита при 20 °С; между линиями аbс и dеfg заключены полуферритные (или  полуаустенитные)  сплавы  с  частичным(γ  '  α)-превращением; правее линии fg расположена область аустенитных спла

 

.

Рис. 5. Изотермический разрез при 650 °С (сплошные линии) диаграммы

состояния системы Fe−Сг−Ni (железный угол)

 

 

 

 

Рис. 6. Изотермический разрез системы Fe−Cr−Ni при 1300 °С

 

Таким  образом,  для  обеспечения  однофазной  аустенитной структуры в широком интервале температуры (до комнатной и ниже) необходим определенный состав тройного сплава. Никель и хром существенно понижают температуры мартенситного превращения. Практически однофазная γ-область фиксируется при содержании не менее8–9 % Ni для содержания от 16 до 22 % Cr (наиболее  широко  известна  аустенитная  сталь 1Х18Н9Т, содержащая около18 % Cr и9 % Ni – белый кружок на рис. 5). Для стабилизации аустенитной структуры и снижения возможности образования α-фазы в настоящее время содержание Ni в чисто хромоникелевых сталях повышено в среднем с 8 до9–10 % (стали типа Х18Н9, 0Х18Н10), а в современных реакторных сталях– до 16 % [07Х16Н15М3БР(ЭП-172), 06Х16Н15М2Г2ТФР(ЧС-68)].

Никель, а также азот и марганец, будучи аустенитостабилизирующими элементами, способствуют расширению однофазной аустенитной области и снижают склонность стали к выде-лению α-фазы.

В системе Fe–Cr–Mn аустенитную структуру можно получить лишь при содержании более 15 % Mn и менее15 % Cr (рис.8).

 Рис. 8. Структурная диаграмма системы Fe-Cr-Mn после закалки от 1100 °С

 

При  других  соотношениях Mn и Cr структура  стали  получается двухфазной(А+ Ф, А+ М, А+ Ф+ σ), поэтому при замене Ni марганцем приходится или понижать содержание Cr, или заменять Ni частично, или проводить дополнительное легирование сильным аустенитостабилизирующим  элементом(например,  азотом).  Кроме того, более низкая эффективность Mn как стабилизатора аустенита по сравнению с Ni и его высокий коэффициент диффузии предопределяют повышенную тенденцию к нестабильности аустенита сталей системы Fe–Cr–Mn за счет превращений с образованием ферритных и мартенситных фаз при термических отжигах и старении.

Помимо указанных факторов система Fe–Cr–Mn  по сравнению с Fe–Cr–N iимеет более низкую энергию дефектов упаковки и повышенную склонность к механическому двойникованию, что увеличивает в этих материалах тенденцию к вводимым при деформациях ϒ→α и ϒ→ε мартенситным превращениям.

 

 

 

4.Влияние легирования на структуру и свойства аустенитных сталей

В настоящее время разработано большое количество различных марок сталей, многие из которых  содержат,  кроме Cr и  Ni, до трех и более легирующих элементов (табл. 1).

Таблица 1.

Молибден и вольфрам являются основными легирующими элементами, вводимыми в аустенитную сталь для повышения жаропрочности путем легирования твердого раствора (табл. 1). Эффективность влияния их обусловлена главным образом увеличением прочности межатомных связей в решетке γ-твердого раствора. Молибден повышает устойчивость против коррозии в морской воде и кислотах.

Ниобий, титан и ванадий также вводят для увеличения жаропрочности сталей (см. табл. 1), однако действие их основано не только в упрочнении твердого раствора, но и создании ими высо-кодисперсных упрочняющих фаз разного типа (карбиды, карбонитриды, интерметаллиды и др.). Кроме того, легирование этими элементами широко используют для снижения склонности аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии путем связывания углерода в специальные (безхромистые) карбиды.

Бор и иттрий вводят в жаропрочные стали в малых количествах для  изменения  состояния  границ  зерен.  Являясь поверхностно-активными элементами, В и Y (и их соединения с другими элементами) сильно замедляют диффузию на границах зерен, увеличивают жаропрочность.

Редкоземельные  элементы(РЗМ)  значительно  улучшают  деформируемость аустенитных сталей при высокой температуре, повышают  жаропрочность. Чаще всего в  качестве  присадок  РЗМ применяют комплексный концентрат под названием мишметалл, основной составляющей которого является церий. Кроме Се, мишметалл содержит La, Nd, Sm, Pr, Pm. Благодаря высокой химической активности эти  элементы  нейтрализуют  действие  вредных примесей: О, Н, S и др. Считается, что оптимальное количество РЗМ составляет от 0,9 до 2,5 кг/т выплавляемой стали.

Алюминий вводят в  аустенитные  стали  в  сочетании  с Ti (см. табл. 1) для увеличения жаропрочности путем создания высокоэффективной упрочняющей γ'-фазыNi3 (Ti ,Al).

Кремний не улучшает жаропрочность аустенитных сталей, тем не менее существует ряд сталей с высоким содержанием Si (до 3%), используемых в качестве жаростойких материалов (например, Х20Н14С2, Х15Н35С2 и др.).

Азот до 0,15–0,4 % используют для стабилизации аустенита и частичной замены никеля  в Cr–Mn–Ni-сталях(см.  табл. 1).

Наиболее сильно упрочняют γ-твердый раствор элементы в по типу замещения.  Аустенитообразующие элементы, образующие твердые растворы замещения, оказывают незначительное влияние на  упрочнение  твердого  раствора (рис. 7).

Рис. 7. Влияние атомного содержания легирующих элементов на упрочнение аустенита: 1 − элементы, образующие твердые растворы внедрения; 2 – ферритообразующие элементы, растворяющиеся по типу замещения; 3 – аустенитообразующие элементы, растворяющиеся по типу замещения

 

 

 

 

 

5.Коррозионная стойкость аустенитных сталей

Аустенитные коррозионно-стойкие стали успешно применяют в качестве оболочек твэлов, ТВС и других элементов активной зоныв реакторах на быстрых и тепловых нейтронах. Одна из причин широкого использования аустенитных сталей в реакторостроении −их достаточно высокая коррозионная стойкость в теплоносителях.

Коррозионная стойкость в воде и паре. Коррозионно-стойкие аустенитные стали обладают высоким сопротивлением коррозии в воде и паре при высокой температуре. С повышением температуры воды от100 до200 °С скорость коррозии стали1Х18Н9Т практически не изменяется (табл. 2), а повышение температуры от 200 до 300 °С увеличивает скорость коррозии почти в10 раз. Повышение температуры до значений, соответствующих сверхкритическому состоянию (от 300 до 400 °С), приводит к уменьшению скорости коррозии стали почти в 5 раз. Дальнейший нагрев увеличивает скорость коррозии.