Водич за металуршки преглед аустенитног нерђајућег челика високих перформанси --

1. Врсте нерђајућег челика

Нерђајући челик је легура на бази гвожђа са садржајем хрома не мањим од 10,5 процената. Широко се користи због добре отпорности на корозију и високих температура. Када садржај хрома достигне 10,5 процената, на површини челика ће се формирати слој оксида богатог хромом, који се назива пасивацијски слој или пасивацијски филм. Овај филм штити нерђајући челик од рђе попут обичног челика. Постоји много врста нерђајућег челика, али сви нерђајући челици треба да испуњавају минимални захтев за садржај хрома.

Нерђајући челик је подељен у пет категорија: аустенитни нерђајући челик, феритни нерђајући челик, дуплекс нерђајући челик (са мешаном структуром ферита и аустенита), мартензитни нерђајући челик и нерђајући челик који се стврдњава. Класификација ових категорија везана је за кристалну структуру (атомски распоред) и термичку обраду нерђајућег челика. Група кристала са истом кристалном структуром у металу назива се фаза. У нерђајућем челику постоје три главне фазе: аустенит, ферит и мартензит. Тип и количина металографске структуре нерђајућег челика може се одредити стандардним процесом металографског прегледа и оптичким металографским микроскопом.

Карактеристика аустенитног нерђајућег челика је да је металографска структура углавном аустенитна. Кристална структура аустенитне фазе је кубна (фцц) структура центрирана на лице, то јест, постоји атом на сваком углу и центру сваке стране коцке. Насупрот томе, кристална структура феритне фазе је кубична (бцц) структура усредсређена на тело, са по једним атомом у сваком углу и центру коцке. Кристална структура мартензитне фазе је тетрагонална структура усредсређена на тело високе деформације.

Кристална структура аустенитне фазе је кубична (фцц) решетка центрирана на лице, феритна фаза је кубична (бцц) решетка у центру тела, а мартензитна фаза је тело центрирана тетрагонална (бцт) решетка.

 

1.1 Аустенитни нерђајући челик:

Аустенитни нерђајући челик нема магнетизам, средњу границу течења, високу стопу очвршћавања, високу затезну чврстоћу, добру пластичност и одличну жилавост на ниским температурама. За разлику од других нерђајућих челика, жилавост аустенитних нерђајућих челика полако опада са смањењем температуре. Аустенитни нерђајући челик нема дефинитивну температуру дуктилно-крхког прелаза (ДБТТ), тако да је идеалан материјал за апликације на ниским температурама.

Дијаграм прелазне температуре дуктилно-кртог (ДБТТ) аустенитног, феритног и дуплексног (аустенит-феритног) нерђајућег челика. Стварни ДБТТ зависи од дебљине пресека, хемијског састава и величине зрна. ДБТТ феритног нерђајућег челика је генерално 20 до - 30 степени Ц (70 до - 22 степени Ф).

 

Аустенитни нерђајући челик има добру заварљивост и може се направити у различите сложене облике. Ова серија нерђајућих челика не може се очврснути или ојачати топлотном обрадом, али се може ојачати хладним обликовањем или радним каљењем (видети АСТМ А666). Аустенитни нерђајући челик, посебно стандардни аустенитни нерђајући челик, има потенцијални недостатак, то јест, у поређењу са феритним нерђајућим челиком и дуплекс нерђајућим челиком, склон је пуцању корозијом под напоном хлоридом.

Серија 300 или стандардни аустенитни нерђајући челик генерално садржи 8% ~11% никла и 16% ~20% хрома. Металографска структура стандардног аустенитног нерђајућег челика је углавном састављена од аустенитних зрна и садржи малу количину (углавном 1~5 процената) δ феритне фазе (слика 3). Због присуства феритне фазе, ови аустенитни нерђајући челици имају мало магнетизма.

Типична металографска структура кованог нерђајућег челика 304Л састоји се од аустенитних зрна и појединачних тракастих ферита © ТМР Стаинлесс.

 

У поређењу са нерђајућим челиком серије 300, аустенитни нерђајући челик серије 200 има нижи садржај Ни, али већи садржај Мн и Н. Чврстоћа и коефицијент отврдњавања на напрезање нерђајућег челика серије 200 су већи него код нерђајућег челика серије 300. Због ниског садржаја никла, нерђајући челик серије 200 се понекад користи као јефтина замена за нерђајући челик серије 300.

Микроструктура аустенитног нерђајућег челика високих перформанси је потпуно аустенитна фаза без феромагнетизма (слика 4). У поређењу са стандардним аустенитним нерђајућим челиком, аустенитни нерђајући челик високих перформанси садржи више елемената никла, хрома и молибдена и генерално садржи азот. Ови нерђајући челици имају јаку отпорност на корозију у корозивним срединама као што су јаке киселине, јаке алкалије и медији са високим садржајем хлорида, укључујући бочату воду, морску воду и слану воду. У поређењу са стандардним аустенитним нерђајућим челиком, аустенитни нерђајући челик високих перформанси има виши степен чврстоће и бољу отпорност на пуцање од корозије под напоном.

Металографска структура од 6% Мо аустенитног нерђајућег челика високих перформанси, све састављено од аустенитних зрна © ТМР нерђајући.

 

1.2 Феритни нерђајући челик:

Микроструктура феритног нерђајућег челика је феритна фаза. Феритни нерђајући челик има низак или никакав садржај никла и феромагнетичан је. Не може се очврснути топлотном обрадом. Феромагнетна својства ове врсте нерђајућег челика су слична онима од угљеничног челика. Феритни нерђајући челик има добру чврстоћу и отпорност на корозионо пуцање хлоридним стресом је много боља од стандардног аустенитног нерђајућег челика серије 300. Међутим, њихова способност обликовања и заварљивост су лоши. Њихова жилавост није тако добра као код аустенитног нерђајућег челика и смањиће се са повећањем дебљине пресека. Са смањењем температуре, феритни нерђајући челик ће показати очигледан прелаз дуктилно-крхки. Ограничена овим факторима, употреба феритног нерђајућег челика обично је ограничена на производе са тањом дебљином зида, као што су танке плоче, траке и цеви са танким зидовима.

 

1.3 Дуплекс нерђајући челик:

Дуплексни нерђајући челик се састоји од феритне фазе и аустенитне фазе, од којих свака чини око половину. Дуплексни нерђајући челик има многе карактеристике аустенитног и феритног нерђајућег челика. Иако топлотна обрада не може да очврсне такве челике, њихова граница течења је обично двоструко већа од стандардног аустенитног нерђајућег челика, а њихова магнетна привлачност је пропорционална запреминском уделу феритне фазе. Дуплексно својство металографске структуре дуплекс нерђајућег челика чини његову отпорност на пуцање корозијом под напоном бољом од оне стандардног аустенитног нерђајућег челика.

 

1.4 Мартензитни нерђајући челик:

Микроструктура мартензитног нерђајућег челика је углавном мартензит, који може садржати малу количину секундарних фаза као што су ферит, аустенит и карбид. Мартензитни нерђајући челик је феромагнетичан и сличан угљеничном челику. Коначна тврдоћа зависи од специфичне топлотне обраде. Мартензитни нерђајући челик има високу чврстоћу, добру отпорност на хабање, слабу жилавост и високу прелазну температуру дуктилно-ломљивог. Тешко их је заварити и генерално захтевају термичку обраду након заваривања. Због тога је мартензитни нерђајући челик генерално ограничен на апликације које нису заварене. Садржај хрома у мартензитном нерђајућем челику није превисок. Неки елементи хрома преципитирају у облику карбида, што резултира ниском отпорношћу на корозију, генерално нижом од стандардног 304/304Л аустенитног нерђајућег челика. Због своје слабе жилавости и отпорности на корозију, мартензитни нерђајући челик се генерално користи за апликације које захтевају велику чврстоћу и тврдоћу, као што су алати, причвршћивачи и осовине.

 

1.5 Нерђајући челик очврснут на падавине:

Нерђајући челик који очвршћава падавинама (ПХ) такође се може ојачати топлотном обрадом. Основна карактеристика ове врсте нерђајућег челика је да се његово делимично ојачање постиже таложним механизмом. Фини интерметални преципитати се производе термичком обрадом старењем и очвршћавањем ради побољшања чврстоће. Због високог садржаја хрома, нерђајући челик има бољу отпорност на корозију од мартензитног нерђајућег челика и погодан је за апликације високе чврстоће које захтевају добру отпорност на корозију. Нерђајући челик се углавном користи за опруге, причвршћиваче, делове авиона, вратила, зупчанике, мехове и делове млазних мотора.

 

2. Фазни састав:

Легирајући елементи утичу на однос фазне равнотеже и имају снажан утицај на стабилност аустенитне, феритне и мартензитне фазе. Елементи који се додају нерђајућем челику могу се поделити на елементе који формирају феритну фазу или елементе за формирање аустенитне фазе. Фазна равнотежа зависи од хемијског састава, температуре жарења и брзине хлађења челика. Фазна равнотежа утиче на отпорност на корозију, чврстоћу, жилавост, заварљивост и формабилност.

Елементи који формирају ферит доприносе формирању феритне фазе, док елементи који формирају аустенит промовишу настанак аустенитне фазе. Табела 3 наводи уобичајене феритне и аустенитне фазе формирања елемената. Квалитет нерђајућег челика и његова примена одређују потребан фазни баланс. Већина стандардних аустенитних нерђајућих челика има малу количину феритне фазе под жарењем у раствору. Жарење раствором може побољшати заварљивост и жилавост на високој температури. Међутим, ако је садржај феритне фазе превисок, друга својства као што су отпорност на корозију и жилавост ће бити смањена. Аустенитни нерђајући челик високих перформанси је дизајниран у складу са свим аустенитним фазама под условима жарења раствора.

 

За контролу фазног састава челика, а самим тим и особина челика, неопходно је одржавати елементе легуре у равнотежи. Шефлеров дијаграм структуре (слика 5) одражава однос између хемијског састава нерђајућег челика и очекиване фазне структуре у стању очвршћавања, као што је откривено микроструктуром шава. На овај начин корисници могу предвидети фазну равнотежу на основу датог хемијског састава. Израчунајте „еквивалент никла“ и „еквивалент хрома“ из хемијског састава и нацртајте их на слици. Формула заједничких параметара Сцхаеффлер организационе шеме је следећа:

Еквивалент никла{{0}} процената Ни плус 30 процената Ц плус 0,5 процената Мн плус 30 процената Н

Еквивалент хрома{{0}} проценат Цр плус проценат Мо плус 1,5 процената Си плус 0,5 процената Нб

Типичан аустенитни нерђајући челик високих перформанси садржи око 20 процента Цр, 6 процената Мо, 20 процената Ни и 0,2 процената Н, који се налази у зони једнофазне аустенитне фазе на слици, у близини „феритне " линија са еквивалентом никла од око 24 и еквивалентом хрома од око 26. Насупрот томе, хемијски састав стандардног нерђајућег челика (као што је 304) одговара дуплекс зони аустенита плус ферита (А плус Ф) са малом количином ферита фаза. Феритни нерђајући челик је у зони феритне фазе на слици, а дуплекс нерђајући челик је у зони дуплекса аустенита плус ферит (А плус Ф).