Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса. Повышение их механических свойств за счет получения в структуре метастабильного аустени

 

 

Министерство образования науки молодежи и спорта Украины

ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет»

Кафедра материаловедения

 

 

 

Самостоятельное домашнее задание

по дисциплине «Сплавы с особыми свойствами»

на тему «Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса.

Повышение их механических свойств за счет получения в структуре метастабильного аустенита»

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы ПМ-10

Полехина Анастасия

Проверил:

проф.,д.т.н.

Л. С. Малинов

 

 

 

 

 

Мариуполь 2014г.

Содержание

Введение                                                                                                                 3

1. Коррозионно-стойкие стали                                                                             4

2. Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса                                       8

3.Влияние метастабильного  аустенита на свойства                                                                    коррозионно-стойких сталей мартенситного класса.                                        12

Заключение                                                                                                            14

Литература                                                                                                             15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Введение

Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. Процессу коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.

      Одной из основных тенденций современного материаловедения является создание материалов с метастабильными структурами, способными под влиянием внешних воздействий к самоорганизации, позволяющей им адаптироваться к условиям нагружения и иметь свойства существенно более высокие, чем обычно достигаемые в настоящее время. Метастабильное состояние реализуется выбором химсостава материала и проведением специальных обработок. Адаптация реализуется эволюционным путем постепенного перехода от старого структурного состояния к новому. Важной особенностью при этом является строгая последовательность процессов, происходящих при внешнем воздействии. В каждый данный момент реализуется наиболее энергетически выгодное системе квазистационарное состояние.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Коррозионно-стойкие стали

 Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. Процессу коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию среды, т. е. процесс коррозии в них развивается с малой скоростью. Отмечают два вида коррозии: электрохимическую и химическую.

Электрохимическая коррозия развивается в жидких электролитах: влажных атмосфере и почве; морской и речной воде; водных растворах солей, щелочей и кислот. При электрохимической коррозии устанавливается коррозионный ток и происходит растворение металла вследствие электрохимического взаимодействия с электролитом.

Если материал коррозионно-стойкий, то в нем должны происходить механизмы пассивации – процесс повышения электрохимического потенциала материала и, соответственно, уменьшения скорости растворения анодных участков (торможение анодных процессов). Пассивация объясняется образованием тонкой и плотной защитной оксидной пленки.

Коррозионно-стойкие непассивирующиеся металлы и сплавы. Электроположительные металлы Au, Pt, Ag, Cu, а также Sn и Pb, потенциал которых имеет небольшие электроотрицательные значения, обладают коррозионной стойкостью во многих средах. Au, Pt, Ag имеют коррозионную стойкость во всех средах, кроме некоторых концентрированных окисляющих кислот. Cu, Sn, Pb используют во влажной атмосфере, морской воде и многих органических кислотах.

       Коррозионно-стойкие пассивирующиеся металлы и сплавы. Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации PA в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью. Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.

Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают Ti, Al и Cr. Пассивное состояние в них сохраняется во многих средах, но исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).

Тi в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Тi обладает коррозионной стойкостью в морской воде в условиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию. Титановые сплавы сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Все хромистые стали, в которых хрома более 12,5 %, коррозионно-стойкие. При содержании хрома 13,17 и 25% стали являются не только  коррозионно-стойкими, но и жаростойкими. Стали, содержащие 13% Cr, при  нагреве и охлаждении претерпевают фазовое превращение g«a и поэтому могут упрочняться при помощи термической обработки, не теряя коррозионной стойкости. Прочность после закалки и отпуска тем больше, чем больше в стали углерода. При отпуске обеднение твердого раствора хромом небольшое, поэтому коррозионная стойкость остается высокой.

Электрохимический потенциал Fe повышают более электроположительные элементы: Cu, Pd, Pt, Au, Ag.

Mn и Ni позволяют получить в сочетании с Cr аустенитную структуру. Особенность Mn в том, что любое его количество не может обеспечить полностью аустенитную структуру (в отличие от Ni), если содержание Cr превышает 15%.

Mo, V, Ti, Nb связывают углерод в карбиды, понижают его термодинамическую активность и затрудняют МКК. Обеспечивают мелкозернистую структуру.

Mo – образует пассивные защитные пленки (особенно в растворах хлористых солей). Вводится в сплавы, работающие в концентрированных кислотах (Н2SO4 и др.); против язвенной коррозии в морской воде и т.д.

Наибольшим сопротивлением коррозии обладают твердые растворы – аустенит, феррит и мартенсит.

Межкристаллитная коррозия (МКК)

Межкристаллитная коррозия - хрупкое коррозионное разрушение по границам зерен, возникающее в результате структурных превращений при эксплуатации.

Причины МКК: 1) выделение по границам зерен фаз, богатых основными элементами, обеспечивающими коррозионную стойкость, например, при нагреве закаленной стали аустенит распадается с выделением по границам мелкодисперсных карбидов  хрома, в результате чего границы обедняются хромом. При сплошном обеднении границы становятся анодами. Коррозионное разрушение приобретает опасный межкристаллитный характер. Склонность к межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях появляется после нагрева при определенных температурах и выдержках в процессе обработки или в условиях эксплуатации; 2) коррозия, связанная с низкой химической стойкостью выделяющихся по границам зерен фаз; 3) коррозия, вызванная сегрегациями по границам зерен элементов, снижающих стойкость основы в данной среде (Sb, As). B, P, Si образуют сегрегации на границах зерен и резко повышают склонность сталей к МКК (достаточно 0,0015%В, 0,8%Si, 0,06%Р для проявления МКК).

Легирование стали некарбидообразующими элементами: Co, Ni, Si, Cu способствует развитию МКК, т.к. эти элементы повышают термодинамическую активность углерода. Напротив, присутствие карбидообразующих элементов способствует понижению термодинамической активности углерода и МКК затрудняется.

Для сталей, которые не стабилизированы Ti или Nb, существует два способа термообработки, способствующей резкому снижению или полному исключению склонности к МКК. 1) Для аустенитных сталей осуществляется нагрев до 1100°С и резкое охлаждение в воде. Нагрев обеспечивает растворение рано выделившихся карбидов при неблагоприятных условиях (прокатка, сварка), а ускоренное охлаждение подавляет их повторное выделение и хром остается в твердом растворе, обеспечивая коррозионную стойкость стали. 2) Если сталь подвержена короблению, то проводят стабилизирующий отжиг. Для аустенитных сталей при температуре 870-900°С. Цель термообработки – обеспечить коагуляцию карбидов, частичное растворение их в аустените. Тогда карбиды не образуют цепочку, а изолированы друг от друга и склонность к МКК снижается.

 

Коррозионное растрескивание

Коррозионное растрескивание — коррозионное разрушение от электрохимического воздействия среды и напряжений растяжения, возникающих при механической обработке металла либо в результате наводороживания при обработке и эксплуатации.

Причины коррозионного растрескивания:

1) фактор действия самой  среды. Может происходить анодное  растворение стали в устье  трещины - происходит усиление ее  развития;

2) происходит адсорбция  водорода в металл из коррозионной  среды (где есть напряжение) и, как  следствие, водородное охрупчивание.

Главная борьба – проведение термической обработки для снятия напряжений в стали – низкотемпературный отжиг.

Коррозионная усталость

Коррозионная усталость - коррозионное разрушение под влиянием циклических нагрузок и электрохимического воздействия среды. Предел выносливости металлов в коррозионной среде уменьшается, так как под влиянием напряжений растяжения в корне трещины возникает активный анод. Дальнейший рост трещины происходит от внешней нагрузки, а также вследствие электрохимического растворения металла в корне трещины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 2. Коррозионно-стойкие стали мартенситного класса

      Стали мартенситного класса: 20Х13, 30Х13, 40Х13, 95Х18. Чем больше в стали углерода, тем выше твердость, получаемая после закалки и тем больше нужно сталь легировать хромом, чтобы обеспечить требуемую коррозионную стойкость: 0,15%С – 12-14% Cr; 0,2-0,4%C – 13-15% Cr; 0,6-1%C – 14-16% Cr.

Термическая обработка сталей мартенситного класса заключается в закалке и отпуске на заданную твердость. Температура их аустенитизации 950-1050°С при этом не полностью растворяются карбиды хрома: Cr23C6, (Fe, Cr)23C6, (Fe, Cr)7C3. Cтали закаливают в масле или растворах, заменяющих масло, чтобы исключить при охлаждении на воздухе выделение карбидов по границам зерен, охрупчивающих сталь. После закалки проводят отпуск – для сталей, содержащих 0,2%С – при температуре 650-700°С. При этом  обеспечивается умеренная прочность, повышенная пластичность и достаточная коррозионная стойкость. Сталь 20Х13 используется как конструкционный материал. Она хорошо сваривается, в отожженном состоянии пластична, имеет повышенную ударную вязкость и может подвергаться холодной обработке давлением.

Отпуск в интервале 480-520°С сильно снижает коррозионную стойкость из-за распада мартенсита с образованием троостита (смесь феррита и очень дисперсных карбидов). Карбидов очень много, образуются гальванические пары и, следовательно,  резко возрастает интенсивность коррозии. На коррозионную стойкость не влияет отпуск в интервале 200-400°С и 700-720°С.

Стали 30Х13 и 40Х13 используют как инструментальные.  После закалки их подвергают низкому отпуску (200°С), чтобы обеспечить высокую твердость 52-56 HRC. Сталь 40Х13 склонна к вторичному твердению при отпуске в интервале температур 500-550°С. Стали 30X13 и 40Х13 менее пластичны, чем 20Х13, поэтому подвергаются только горячей обработке давлением. При сварке эти стали могут давать трещины. Они пригодны для изготовления хирургического и бытового режущего инструмента.

Высокоуглеродистая сталь 95Х18 применяется в качестве коррозионно-стойкой для шарикоподшипников. Ее подвергают закалке от 1010-1065°С в масло (или на воздухе) и отпуску при 150-350°С на твердость HRC60. В ряде работ показано, что сталь 95Х18 обладает высокой абразивной износостойкостью при условии получения в ней ~80% метастабильного аустенита. Это достигается повышением температуры нагрева под закалку до 1150-1160°С.

10Х13, 12Х13 – стали мартенситно-ферритного  класса, сталь 08Х13 – ферритно-мартенситного  класса. Термическая обработка: закалка + высокий отпуск при температурах 700-720°С. Стали  хорошо свариваются, в отожженном состоянии пластичны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться холодной обработке давлением. Сталь 12Х13 используют в изделиях, изготовляемых штамповкой и сваркой: лопатки гидравлических турбин, емкости, арматура.

 Мартенситные и мартенсито-ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические свойства (табл. 2.1).