Мартенситные стали – нержавеющие сплавы с высоким содержанием хрома и углерода

1 Что такое мартенсит?

Под мартенситом понимают игольчатую микроструктуру, которая фиксируется в отдельных чистых металлах, имеющих склонность к полиморфизму, и металлических сплавах, прошедших процедуру закалки. По сути, мартенсит – это базовый структурный компонент стали после закалки, который является твердым пересыщенным упорядоченным раствором углерода в α-железе.
Впервые он был описан Марком Мартенсом – известным специалистом в области проблем, связанных с усталостью различных металлических материалов. Именно в его честь и был назван мартенсит.

Кристаллическая решетка интересующего нас углеродного раствора в α-железе является тетрагональной. Каждая из ее элементарных составляющих описывается формой параллелепипеда (прямоугольного). В центре и вершинах ячейки при этом размещаются атомы железа, а в объемах ячеек расположены атомы углерода. Высокие прочностные показатели и твердость, коими описывается любая мартенситная нержавеющая сталь, обуславливаются неравновесной структурой мартенсита, характеризуемой существенными внутренними напряжениями.

При нагреве мартенситного металла отмечается перераспределение (диффузионное) атомов углерода, что приводит к формированию двух фаз:

• цементита (в этой фазе углерод содержится в количестве 6,67 %);
• феррита (содержание углерода в ней – не более 0,02 %).

Элементарная ячейка первой из означенных фаз описывается ромбической структурой, вторая – объемно-центрированной. Решетка начальной структуры аустенита связана кристаллографическими постоянными соотношениями с решеткой мартенсита. Это означает, что плоскости с четко заданными кристаллографическими индексами аустенитной и мартенситной структуры параллельны друг другу.

Принято выделять два типа мартенсита:

1. Дислокационный (нередко его называют реечным). Он формируется в средне- и малоуглеродистых, а также высоколегированных сталях. В них мартенситное преобразование начинается при температуре более 300 °С. Кристаллы мартенсита в такой ситуации вытянуты в одну сторону, представляя собой рейки толщиной от 0,2 до 2 мкм. Такие рейки разделяются тонкими (от 10 до 20 нм) слоями аустенита.
2. Двойниковый (или пластинчатый). Данный тип характерен для легированных и углеродистых сталей (преобразование мартенсита в них возможно при температуре менее 200°). Пластины интересующей нас игольчатой микроструктуры описываются мидрибом – средней линией высокой травимости. Каждый мидриб при этом включает в себя множество двойников по плоскостям.

2 Что представляет собой мартенситное превращение в стали?

Такой полиморфный процесс предполагает то, что упорядоченное передвижение молекул либо атомов в составе кристалла вызывает модификацию их расположения по отношению друг к другу. Причем междуатомные расстояния в данном случае существенно больше, нежели показатели смещений относительного плана соседних атомов.

Деформации ячеек кристаллической решетки – это и есть ее перестройка, за счет чего окончание мартенситного преобразования вполне допускается описывать как однородно измененную начальную фазу. Отметим отдельно и то, что деформация имеет малую величину (не более 10 %). По этой причине энергетический барьер, который не дает развиваться однородному переходу начальной фазы в конечную, также невелик, если соотносить его с энергией связи в кристалле.

Описываемое нами превращение становится возможным только в том случае, когда постоянно присутствует упорядоченное взаимодействие между метастабильной и стабильной фазой. Повышенная подвижность и низкий энергетический потенциал межфазных границ обусловлены их упорядоченным строением.

Следствием этого становится то, что требуемая для появления кристаллов в новой фазе "лишняя" энергия, имеет малое значение. Ее вполне можно сопоставить с энергией "исходных" дефектов, имеющихся в начальной фазе. За счет такой особенности скорость образования мартенситных кристаллов является по-настоящему большой, причем, как правило, тепловых изменений для зарождения новых кристаллов не требуется.

Мартенситные преобразования в комбинации с модификациями атомного порядка компонентов и их перераспределения являются базой для разнообразных структурных превращений, которые дают возможность изменять характеристики кристаллических материалов посредством их механической либо термической обработки.

3 Мартенситные стали – описание, особенности

Такие хромистые стали имеют в своем составе достаточно высокое содержание углерода. Кроме того, зачастую они легируются молибденом, ниобием, вольфрамом и иными компонентами, которые обеспечивают высокие жаропрочные показатели конечного металла.

Особенности сталей, относимых к мартенситному классу:

• высокий уровень противодействия коррозии в растворах щелочей, некоторых кислотных растворах, в условиях повышенной влажности;
• высокая жаропрочность: данную полезную способность мартенситный металл получает в том случае, когда выполняется его закалка при температурах около 1050 градусов, а затем и отпуск на троостит либо сорбит;
• способность к самозакаливанию;
• малая пластичность при высоком показателе твердости, на которую не оказывают никакого влияния, дополнительно вводимые в сплав легирующие элементы;
• высокая водородоустойчивость, свойственная таким маркам стали, как Х5ВФ, Х5М, Х9М;
• сложность обработки мартенситного металла резанием.

Популярные марки мартенситных стальных сплавов:

• 20Х13: в нем содержится от 12 до 14 % хрома, менее 0,8 % марганца и кремния, от 0,16 до 0,25 % углерода, такая сталь не легируется никелем;
• 10Х12НДЛ: особенность – большое содержание никеля (от 1 до 1,5 %);
• 18Х11МНФБ: не более 11,5 % хрома, от 0,5 до 1 % никеля, до 0,21 % углерода, от 0,8 до 1,1 % молибдена;
• 12Х11В2МФ, 10Х9МФБ, 13Х11Н2В2МФ, 15Х11МФ: легируются ванадием (от 0,18 до 0,4 %) и молибденом (от 0,35 до 1,1 %) в дополнение к стандартным добавкам.

Используются описываемые стали для производства:

• роторов и корпусов газовых и паровых турбин;
• сварных аппаратов и сосудов с нагрузками не более 16Мпа;
• диафрагм турбин (паровых);
• составляющих насосного оборудования;
• лопаток турбин, работающих на пару;
• пружин;
• подвергающихся нагреву поверхностей коллекторов, котлов, трубопроводов;
• хирургического, измерительно и режущего инструмента;
• пластин компрессоров с клапанами.

Технология сварки сталей описываемого класса достаточно сложна, что вызвано склонностью таких металлов после процедуры закалки к хрупкому разрушению. Их следует сваривать после предварительного нагрева до 200–450 °С, причем температура окружающего воздуха должна быть плюсовой. Как правило, металлы мартенситной группы свариваются методом ручной дуговой сварки с применением электродов, покрытых спецсоставами. Реже используются другие виды сварки:

• электрошлаковая;
• аргонодуговая;
• под флюсом.