Мартенситных превращений

Мартенситные стали получили название по аналогии с мар-тенситной фазой углеродистых сталей. Мартенсит образуется при фазовом превращении сдвигового типа, происходящем при быстром охлаждении стали (закалке) из аустенитной области фазовой диаграммы, для которой характерна гранецентрированная кубическая структура. Мартенсит определяет твердость закаленных углеродистых сталей и мартенситных нержавеющих сталей. Нержавеющие стали этого класса имеют объемно-центрированную кубическую структуру; они магнитны. Типичное применение — инструменты (в том числе и режущие), лопатки паровых турбин.

вые сплавы. Большим достоинством дисперсионно-твердеющих сталей является то, что их наибольшее упрочнение достигается именно при низкотемпературной механической обработке (например, при 480 °С). При этом не проводится закалка от высокой температуры, необходимая в случае мартенситных нержавеющих сталей. Типичная дисперсионно-твердеющая нержавеющая сталь (17-4 РН) содержит 16,5 % Сг, 4,3 % Ni, 0,04 % С, 0,25 % Mb и 3,6 % Си.

Мартенситные нержавеющие и дисперсионно-твердеющие стали, термообработанные с целью получения предела текучести-,более 1,24 МПа, самопроизвольно растрескиваются в атмосфере, солевом тумане или при погружении в водные среды, даже если они не находятся в контакте с другими металлами [55—58]. Лопасти воздушного компрессора из мартенситной нержавеющей стали [59 ] разрушались вдоль передней кромки, 'где были велики остаточные напряжения и конденсировалась влага. Для сверхпрочных мартенситных нержавеющих сталей с 12 % Сг, которые находились в морской атмосфере под напряжением, составляющим 75 % от предела текучести, срок службы не превышал 10 дней [60]. Приведенные данные получили разнообразные объяснения, однако они убедительно доказывают, что сталь в указанных случаях разрушается в результате или водородного растрескивания, или КРН. При наличии в стали высоких напряжений, она может растрескиваться в воде без внедрения водорода, который образуется при взаимодействии воды с металлом. По-видимому, в этом случае вода непосредственно адсорбируется на поверхности и уменьшает прочность металлических связей в степени, достаточной для зарождения трещин (адсорбционное растрескивание под напряжением).

новках оборудования подвергается интенсивному межкристал-•литному растрескиванию. Это-явление связано с образованием политионовых кислот (Н28з.Ов, где х.— 3, 4, 5) при взаимсн действии остающейся на поверхности оборудования пленки сульфида металла с влажным воздухом при комнатной температуре [65, 66]. Эти кислоты можно получить в лаборатории, пропуская сероводород через воду, насыщенную SO2. Для понимания механизма наблюдаемых разрушений следует учесть, что при протекании коррозионных процессов эти кислоты легко катодно восстанавливаются. В связи с этим политионовые кислоты действуют в качестве катодного деполяризатора, который способствует растворению металла по границам зерен, обедненным хромом. Еще одна форма влияния, возможно, заключается в том, что продукты их катодного восстановления (H2S или аналогичные соединения) стимулируют абсорбцию межузельного водорода сплавом, обедненным хромом. Под напряжением этот сплав, если он имеет ферритную структуру, подвергается водородной коррозии вдоль границ зерен. Аустенитный сплав в этих условиях устойчив. Показано, что наличие в морской воде более 2 мг/л серы в виде Na2S либо продуктов катодного восстановления сульфитов SOg" или тиосульфатов S2Og~ вызывает водородное растрескивание высокопрочных сталей с 0,77 % С, а та'кже ферритных и мартенситных нержавеющих сталей [67]. Предполагают, что и политионовые кислоты оказывают аналогичное действие.

Результативным методом является оптимальная термообработка. Для мартенситных нержавеющих сталей наиболее приемлемым является отпуск их в интервале температур 570— 600 °С; в ряде случаев целесообразен повторный отпуск при 500 °С. Из углеродистых и низколегированных сталей наибольшей стойкостью к коррозии под напряжением обладают материалы с сорбитной и перлит-ферритной структурой, наименьшей - с мартенситной. Во многих случаях поверхностная закалка сталей повышает их коррозионно-механическую стойкость,

Межкристаллитная коррозия (МКК) определяется как коррозия по границам зерен или как избирательная коррозия фаз, выделяющихся по границам зерен. Испытания на МКК являются контрольными для аустенитных, аустенито-ферритных и аустенито-мартенситных нержавеющих сталей и должны проводиться в соответствии с ГОСТ 6032—75. Испытания проводят на образцах в растворах медного купороса и серной кислоты с добавлением медной стружки или цинковой пыли сернокислого железа и серной кислоты, азотной кислоты, серной кислоты. После кипячения в течение регламентированного времени от 7 до 48 ч производят загиб образцов для определения сетки трещин, являющейся браковочным признаком. Определение глубины проникновения МКК в спорных случаях проводят на поперечном шлифе с помощью микроскопа.

Основная трудность при сравнительном анализе поведения различных микроструктур связана с тем, что большинство исследователей не контролирует условия отпуска и не изучает влияние микроструктуры на характер растрескивания. Важность учета этих вопросов с очевидностью подтверждается наличием связи между охрупчиванием различных микроструктур в результате воздействия среды и отпуска. Такая связь была продемонстрирована для стали 4340 с микроструктурой, соответствующей состоянию закалки и отпуска [52], для французской бейнитной стали 20CND10 [53], для мартенситных нержавеющих сталей [54], для никелъхромовых сталей [11, 41] и для стали HY-130 [12]. Показано, что такие объединенные эффекты могут иметь место при охрупчивании сталей в результате отпуска при 535 или 810 К. Объединенная восприим-

Часто утверждается (см. также рис. 8), что стойкость к растрескиванию во внешней среде возрастает с повышением температуры отпуска [9, 15, 23, 27]. При этом, конечно, предполагается, что должны быть исключены области температур, вызывающих охрупчивание в результате отпуска [7, 17, 52]. Предполагалось, что этот эффект может быть связан с изменением коэффициента диффузии водорода [15], с облегчением межкристаллитного растрескивания [9] или с растрескиванием смешанного типа [54]. Однако прямых подтверждений какого-либо из этих предположений по существу нет. Более того, следует поставить вопрос о том, насколько общей является взаимосвязь температуры отпуска и стойкости к растрескиванию, поскольку в случае хромистых мартенситных нержавеющих сталей подобной корреляции не обнаружено [54, 56].

В случае мартенситных нержавеющих сталей ни быстрое течение воды, ни катодная защита не являются эффективными средствами поддержания пассивности. То же относится и к ферритным сталям. При использовании катодной защиты как мартенситные, так и ферритные стали склонны к водородному разрушению. Поэтому обычно используют только аустенитные нержавеющие стали.

На рис. 37, где представлены результаты, полученные Фелпсом [37], показано и коррозионное поведение высокопрочной 12 %-ной хромистой стали. Этот сплав является типичным представителем обсуждаемых здесь мартенситных нержавеющих сталей. Каждая точка па рис. 37 показывает среднее время до разрушения, определенное для 5 образцов или более. Подавляющее число разрушений наблюдалось для образцов с пределом текучести более 1260 МПа, а в области 1030—1260 МПа разрушения были немногочисленны.

В атмосферных условиях и в условиях повышения влажности ненагруженные детали из мартенситных нержавеющих сталей не подвергаются заметной коррозии. Однако исследования коррозионной стойкости при повышенных температурах (образцы нагревали до 250 или 350°С, окунали в 3 %-ный раствор NaCI и переносили во влажную камеру, где при 50°С выдерживали 22 ч. Затем цикл повторялся. База испытаний составляла 30 суточных циклов) с периодическим смачиванием 3 %-ным раствором NaCI показали, что эти стали подвержены точечной коррозии. Общим между исследованием выносливости сталей при повышенных температурах и периодическом их смачивании коррозионной средой, определением коррозионной стойкости без приложения к образцам внешних нагрузок \при повышенных температурах и периодическом смачивании является то, что в обоих случаях металл поверхностных слоев образцов подвержен усталости вследствие резко циклического изменения температуры с большим градиентом. Определение коррозионной стойкости сталей при периодическом смачивании коррозионной средой может дать качественную картину влияния химического состава и структуры стали на ее коррозионно-ме-ханическую стойкость при повышенных температурах.

в) в момент сдвиговых (мартенситных) превращений (см. гл. X, § 4). Используя эффект сверхпластичности, можно значительно продеформиро-

Однако для большинства мартенситных превращений в перечисленных цветных металлах оно, в отличие от стали, протекает по изотермической кинетике, существенно отличной от атермической1.

В табл. 26 показано, как влияют различные факторы на кинетику обоих видов мартенситного превращения, которая как бы подытоживает сказанное и указывает еще раз на существенные различия в механизме и кинетике этих видов мартенситных превращений.

Причина, почему в разных сплавах или даже в одном и том же сплаве протекают разные виды мартенситных превращений, не установлена и не высказаны даже рациональные соображения на этот счет.

Чем шире зона мартенситных превращений, тем больше и объемы металлов, подверженных термодеформационным изменениям при сварке, следовательно, тем выше и суммарные напряжения структурно неравновесного состояния в этих участках.

Подогрев при сварке (до 350-400°С), хотя и играет определенную позитивную роль с точки зрения кинетики структурных напряжений в области температур мартенситных превращений, способствует перегреву металла шва и околошовной зоны. Причем подогрев при сварке практически не сни-

Большой вклад в исследование высокомарганцевых сплавов внесли ученые Уральского политехнического института под руководством д-ра техн. наук проф. И. Н. Богачева. Они определили для Fe—Mn-сплавов два типа мартенситного превращения: у-*-а и у-»-е. Последнее обладает рядом интересных особенностей, отличающих его от обычных мартенситных превращений. Образование е-фазы, как и а-мартенсита, приводит к изменению свойств сплавов [6].

Согласно общей теории мартенситных превращений в стали и в безуглеродистых железных и цветных сплавах мартенситная структура образуется при охлаждении сплава с достаточно большой скоростью не меньше некоторой критической, величина которой зависит от состава сплава, при определенной для каждого сплава температуре. Однако мартенситная структура может образовываться в небольшом количестве и при постоянной температуре.

Сварные соединения (отдельные узлы или изделия) из сталей мартенсито-фер-ритного класса целесообразно подвергнуть специальной термической обработке (высокому отпуску), а сам металл перед сваркой с целью снижения напряжений, возникающих в результате мартенситных превращений, подогревать до ~300° С. Для снятия напряжений, а также в целях повышения сопротивляемости межкристал-литной коррозии, например, стали XI7, после сварки рекомендуется отжиг при 760— 780° С с выдержкой ~10 мин.

мартенситных превращений, могут проявляться и на окончатель-

мационных мартенситных превращений. Очевидно, что прерыви-