Suure jõudlusega austeniitse roostevaba terase juhend -- Metallurgia ülevaade

1. Roostevaba terase tüübid

Roostevaba teras on rauapõhine sulam, mille kroomisisaldus on vähemalt 10,5 protsenti. Seda kasutatakse laialdaselt selle hea korrosioonikindluse ja kõrge temperatuuri tõttu. Kui kroomisisaldus jõuab 10,5 protsendini, moodustub terase pinnale kroomirikka oksiidi kiht, mida nimetatakse passiveerimiskihiks või passiveerimiskileks. See kile kaitseb roostevaba terast roostetamise eest nagu tavaline teras. Roostevaba terast on palju, kuid kõik roostevaba teras peaksid vastama minimaalsele kroomisisalduse nõudele.

Roostevaba teras jaguneb viide kategooriasse: austeniitsest roostevabast terasest, ferriitsest roostevabast terasest, dupleksroostevabast terasest (ferriidi ja austeniidi segastruktuuriga), martensiitsest roostevabast terasest ja sademekindlast roostevabast terasest. Nende kategooriate klassifikatsioon on seotud roostevaba terase kristallstruktuuri (aatomi paigutuse) ja kuumtöötlusega. Ühesuguse kristallstruktuuriga kristallide rühma metallis nimetatakse faasiks. Roostevabas terases on kolm põhifaasi: austeniit, ferriit ja martensiit. Roostevaba terase metallograafilise struktuuri tüüpi ja kogust saab määrata standardse metallograafilise kontrolli ja optilise metallograafilise mikroskoobi abil.

Austeniitse roostevaba terase omadus on see, et metallograafiline struktuur on peamiselt austeniitne. Austeniidi faasi kristallstruktuur on näokeskne kuubikujuline (fcc) struktuur, see tähendab, et kuubi igas nurgas ja keskel on aatom. Seevastu ferriidifaasi kristallstruktuur on kehakeskne kuubikujuline (bcc) struktuur, kus kuubi igas nurgas ja keskel on üks aatom. Martensiidi faasi kristallstruktuur on suure pingega kehakeskne tetragonaalne struktuur.

Austeniidi faasi kristallstruktuur on näokeskne kuupvõre (fcc), ferriidi faas on kehakeskne kuupvõre (bcc) ja martensiidi faas on kehakeskne tetragonaalne (bct) võre.

 

1.1 Austeniit roostevaba teras:

Austeniitsel roostevabal terasel puudub magnetism, keskmine voolavuspiir, kõrge töökõvastus, kõrge tõmbetugevus, hea plastilisus ja suurepärane vastupidavus madalal temperatuuril. Erinevalt teistest roostevabadest terastest väheneb austeniitsete roostevabade teraste sitkus temperatuuri langedes aeglaselt. Austeniitsel roostevabal terasel puudub kindel plastiline-habras üleminekutemperatuur (DBTT), seega on see ideaalne materjal madala temperatuuriga rakenduste jaoks.

Austeniit-, ferriit- ja dupleks- (austeniit-ferriit-) roostevaba terase plastilise-hapra üleminekutemperatuuri (DBTT) diagramm. Tegelik DBTT sõltub sektsiooni paksusest, keemilisest koostisest ja tera suurusest. Ferriitse roostevaba terase DBTT on üldiselt 20 kuni - 30 kraadi C (70 kuni - 22 kraadi F).

 

Austeniitsel roostevabal terasel on hea keevitatavus ja sellest saab valmistada mitmesuguseid keerulisi kujundeid. Seda roostevaba terase seeriat ei saa karastada ega tugevdada kuumtöötlemisega, kuid seda saab tugevdada külmvormimise või töökarastusega (vt ASTM A666). Austeniitsel roostevabal terasel, eriti tavalisel austeniitsel roostevabal terasel, on potentsiaalne puudus, see tähendab, et võrreldes ferriitse roostevaba terase ja dupleksse roostevaba terasega on see altid kloriidipinge korrosioonipragunemisele.

300-seeria või standardne austeniitsest roostevaba teras sisaldab tavaliselt 8% ~ 11% niklit ja 16% ~ 20% kroomi. Standardse austeniitse roostevaba terase metallograafiline struktuur koosneb peamiselt austeniitsetest teradest ja sisaldab vähesel määral (tavaliselt 1–5 protsenti) δ ferriidi faasi (joonis 3). Ferriidifaasi olemasolu tõttu on neil austeniitsetel roostevabadel terastel väike magnetism.

Sepistatud roostevaba terase 304L tüüpiline metallograafiline struktuur koosneb austeniitsetest teradest ja üksikutest ribaferriidist © TMR Stainless.

 

Võrreldes 300-seeria roostevaba terasega, on 200-seeria austeniitsel roostevabal terasel madalam Ni-sisaldus, kuid kõrgem Mn- ja N-sisaldus. 200-seeria roostevaba terase tugevus- ja deformatsioonikarastustegur on kõrgem kui 300-seeria roostevaba terase oma. Madala niklisisalduse tõttu kasutatakse 200. seeria roostevaba terast mõnikord 300. seeria roostevaba terase odava asendajana.

Kõrge jõudlusega austeniitse roostevaba terase mikrostruktuur on austeniitfaas ilma ferromagnetismita (joonis 4). Võrreldes tavalise austeniitse roostevaba terasega sisaldab suure jõudlusega austeniit roostevaba teras rohkem nikli-, kroomi- ja molübdeenielemente ning üldiselt lämmastikku. Nendel roostevabadel terastel on tugev korrosioonikindlus söövitavates keskkondades, nagu tugevad happed, tugevad leelised ja kõrge kloriidisisaldusega keskkonnad, sealhulgas riimvesi, merevesi ja soolane vesi. Võrreldes tavalise austeniitse roostevaba terasega, on suure jõudlusega austeniitse roostevaba teras kõrgem tugevusklass ja parem vastupidavus pingekorrosioonipragudele.

Metallograafiline struktuur 6 protsenti Mo suure jõudlusega austeniitsest roostevabast terasest, mis kõik koosneb austeniitsetest teradest © TMR Stainless.

 

1.2 Ferriitne roostevaba teras:

Ferriitse roostevaba terase mikrostruktuur on ferriidifaas. Ferriitne roostevaba teras on madala niklisisaldusega või üldse mitte ja on ferromagnetiline. Seda ei saa kuumtöötlemisega kõvaks teha. Seda tüüpi roostevaba terase ferromagnetilised omadused on sarnased süsinikterase omadega. Ferriitsel roostevabal terasel on hea tugevus ja vastupidavus kloriidipinge korrosioonipragunemisele on palju parem kui tavalisel 300-seeria austeniitsel roostevabal terasel. Nende vormitavus ja keevitatavus on aga kehv. Nende sitkus ei ole nii hea kui austeniitse roostevaba terase tugevus ja väheneb sektsiooni paksuse suurenemisega. Temperatuuri langedes ilmneb ferriitsel roostevaba terasel ilmselge plastiline-habras üleminek. Nende tegurite tõttu on ferriitse roostevaba terase kasutamine tavaliselt piiratud õhema seinapaksusega toodetega, nagu õhukesed plaadid, ribad ja õhukese seinaga torud.

 

1.3 Duplex roostevaba teras:

Roostevaba dupleksteras koosneb ferriidifaasist ja austeniidifaasist, millest kumbki moodustab umbes poole. Roostevaba dupleksterasel on palju austeniitse ja ferriitse roostevaba terase omadusi. Kuigi kuumtöötlus ei suuda selliseid teraseid karastada, on nende voolavuspiir tavaliselt kaks korda suurem kui standardse austeniitse roostevaba terase oma ja nende magnetiline külgetõmme on võrdeline ferriidi faasi mahuosaga. Dupleksroostevaba terase metallograafilise struktuuri dupleksomadus muudab selle vastupidavuse pingekorrosioonipragudele paremaks kui tavalisel austeniitsel roostevabal terasel.

 

1.4 Martensiitsest roostevaba teras:

Martensiitsest roostevaba terase mikrostruktuur on peamiselt martensiit, mis võib sisaldada vähesel määral sekundaarseid faase nagu ferriit, austeniit ja karbiid. Martensiitsest roostevaba teras on ferromagnetiline ja sarnane süsinikterasele. Lõplik kõvadus sõltub konkreetsest kuumtöötlusest. Martensiitsest roostevabast terasest on kõrge tugevus, hea kulumiskindlus, halb sitkus ja kõrge plastilisuse-hapra üleminekutemperatuur. Neid on raske keevitada ja need nõuavad üldjuhul keevitusjärgset kuumtöötlust. Seetõttu on martensiitsest roostevaba teras üldiselt piiratud keevitamiseta rakendustega. Martensiitsest roostevaba terase kroomisisaldus ei ole liiga kõrge. Mõned kroomielemendid sadestuvad karbiidide kujul, mille tulemuseks on madal korrosioonikindlus, mis on üldiselt madalam kui standardse 304/304L austeniitse roostevaba terase puhul. Oma halva sitkuse ja korrosioonikindluse tõttu kasutatakse martensiitsest roostevaba terast tavaliselt suurt tugevust ja kõvadust nõudvates rakendustes, nagu tööriistad, kinnitusdetailid ja võllid.

 

1.5 Sademega karastatud roostevaba teras:

Sademekarastusega (PH) roostevaba terast saab tugevdada ka kuumtöötlusega. Seda tüüpi roostevaba terase põhiomadus on see, et selle osaline tugevdamine saavutatakse sadememehhanismiga. Peened metallidevahelised sademed tekivad tugevuse parandamiseks vanandamisel kõvenemisel. Kõrge kroomisisalduse tõttu on sademekindlal roostevabal terasel parem korrosioonikindlus kui martensiitsetel roostevabal terasel ja see sobib kõrge tugevusega rakendusteks, mis nõuavad head korrosioonikindlust. Sademega kõvenevat roostevaba terast kasutatakse peamiselt vedrude, kinnitusdetailide, lennukiosade, võllide, hammasrataste, lõõtsade ja reaktiivmootorite osade jaoks.

 

2. Faasi koostis:

Legeerivad elemendid mõjutavad faasitasakaalu suhet ja avaldavad tugevat mõju austeniidi, ferriidi ja martensiidi faaside stabiilsusele. Roostevabale terasele lisatud elemendid võib jagada ferriidifaasi moodustavateks või austeniidi faasi moodustavateks elementideks. Faasi tasakaal sõltub terase keemilisest koostisest, lõõmutamistemperatuurist ja jahutuskiirusest. Faasi tasakaal mõjutab korrosioonikindlust, tugevust, sitkust, keevitatavust ja vormitavust.

Ferriiti moodustavad elemendid soodustavad ferriidifaasi teket, austeniiti moodustavad elemendid aga austeniidifaasi teket. Tabelis 3 on loetletud tavalised ferriidi ja austeniidi faasi moodustavad elemendid. Roostevaba terase klass ja selle kasutusala määravad vajaliku faasitasakaalu. Enamikul standardsetest austeniitsetest roostevabadest terastest on lahuses lõõmutamisel väike kogus ferriidifaasi. Lahuse lõõmutamine võib parandada keevitatavust ja tugevust kõrgel temperatuuril. Kui ferriidi faasi sisaldus on aga liiga kõrge, vähenevad muud omadused, nagu korrosioonikindlus ja sitkus. Kõrge jõudlusega austeniit roostevaba teras on konstrueeritud vastavalt kõikidele austeniitsetele faasidele lahuse lõõmutamise tingimustes.

 

Terase faasikoostise ja seega ka terase omaduste kontrollimiseks on vaja hoida sulamielemendid tasakaalus. Schaeffleri struktuuridiagramm (joonis 5) peegeldab seost roostevaba terase keemilise koostise ja tahkestumise faasi eeldatava struktuuri vahel, nagu näitab keevisõmbluse mikrostruktuur. Nii saavad kasutajad etteantud keemilise koostise põhjal ennustada faasitasakaalu. Arvutage keemilise koostise järgi "nikli ekvivalent" ja "kroomi ekvivalent" ja joonistage need joonisele. Schaeffleri organisatsiooniskeemi tavaliste parameetrite valem on järgmine:

Nikli ekvivalent{{0}} protsenti Ni pluss 30 protsenti C pluss 0,5 protsenti Mn pluss 30 protsenti N

Kroomi ekvivalent{{0}} protsenti Cr pluss protsent Mo pluss 1,5 protsenti Si pluss 0,5 protsenti Nb

Tüüpiline suure jõudlusega austeniitsest roostevaba teras sisaldab umbes 20 protsenti Cr, 6 protsenti Mo, 20 protsenti Ni ja 0,2 protsenti N, mis asub joonisel ühefaasilises austeniitse faasi tsoonis, ferriitide lähedal. " rida nikli ekvivalendiga umbes 24 ja kroomi ekvivalendiga umbes 26. Seevastu standardse roostevaba terase (nt 304) keemiline koostis vastab austeniidi pluss ferriidi (A pluss F) duplekstsoonile koos väikese koguse ferriidiga. faasis. Ferriitne roostevaba teras on joonisel ferriidi faasi tsoonis ja dupleks roostevaba teras on austeniit pluss ferriit (A pluss F) duplekstsoonis.