Дипломная работа: Влияние кристаллографической текстуры на анизотропию физико-механических свойств деформированных полуфабрикатов из сплавов на основе титана
Азот часто используется при азотировании, а также как легирующий элемент в качестве заменителя никеля в хромистых и хромоникелевых сталях.
В первом случае азот, насыщая поверхность железа или легированных сталей, сообщает им высокую поверхностную твердость, связанную с образованием высокодисперсных выделений нитридов различного типа.
Рис. 8. Влияние азота в системе железо-хром на расширение γ-области: 1- без азота; 2- с азотом
Отмечается большая разница во влиянии азота на свойства низколегированных сталей и высоколегированных нержавеющих и жаростойких. В высоколегированных сталях он обладает значительной растворимостью и образует стойкие нитриды, особенно в присутствии титана, ниобия и некоторых других элементов. Растворимость азота в расплавленных железохромоникелевых сплавах зависит от содержания хрома и никеля. Хром способствует повышению растворимости азота в его сплавах с железом, а никель— понижению растворимости. Растворимость азота уменьшается с понижением температуры. [5]
Присадка азота к хромистым и хромоникелевым сталям действует аналогично углероду и никелю, способствуя расширению γ -области.
Cамая большая сложность для получения в железном сплаве большого количества азота заключается в том, что при затвердевании происходит резкое снижение растворимости азота в стали, в интервале температур кристаллизации, которая обычно происходит через образование высокотемпературной модификации железа - δ-фазы - с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба, в которой растворимость азота низкая. Растворимость азота резко снижается при достижении температуры эвтектоидного превращения с образованием низкотемпературной модификация железа (α- фаза), хотя и в α-железе при температуре эвтектоидного превращения растворяется почти в пять раз больше азота, чем углерода. С помощью легирования растворимость азота можно повысить, выбрав составы стали, в которых вообще не будет образовываться высокотемпературное δ-железо. При этом кристаллизация из жидкой фазы будет происходить с образованием γ-фазы, с гранецентрированной кубической решеткой, в которой растворимость азота весьма высока.
При переохлаждении γ-фазы как у углеродистых, так и у азотистых сплавов железа может происходить бездиффузионная перестройка гранецентрированной кубической кристаллической решётки γ-фазы в α-фазу, пересыщенную азотом, или углеродом. При этом имеют место тетрагональные искажения кристаллической решетки α-железа.
С увеличением содержания азота увеличиваются тетрагональные искажения в α-железе, которое образуется по мартенситной реакции при охлаждении γ-железа
Азот, при равном с углеродом содержании, в железных сплавах обеспечивает высокую технологическую пластичность и повышенное значение предела текучести (очень важной характеристики конструкционных материалов), повышает способность к деформационному упрочнению, и существенно увеличивает способность сопротивляться распространению трещин в процессе разрушения, циклическую прочность, износостойкость и коррозионную стойкость.
Стали, легированные азотом подразделяют на два типа: с равновесным и «сверхравновесным» содержанием азота. Стали с равновесным содержанием азота, получают в условиях кристаллизации на воздухе при обычном давлении азота. Если давление азота над расплавом было повышенным, или был использован один из методов твердофазного азотирования, получают стали с так называемым «сверхравновесным» азотом.
Основным легирующим элементом для азотсодержащих нержавеющих сталей является хром. Уровень прочности и стабильности аустенита по отношению к γ→α превращению таких сталей прямо зависит от концентрации азота в γ-твердом растворе. В зависимости от химического состава сплава азот может находиться γ-твердом растворе и в нитридах. При 1250°С в сплаве, содержащем около 18% Сr и более 0,3% N, азот может находиться в γ-твердом растворе. При последующем охлаждении азотистый аустенит может претерпевать два фазовых превращения: первое (при температурах около 800°С) - диффузионное, с образованием феррита и нитридов хрома, и второе (при температурах ниже 500°С) - бездиффузионное, с образованием мартенсита. Величина энергии активации высокотемпературного превращения азотистого аустенита существенно больше, чем энергия активации диффузии азота в аустените или феррите. Она соизмерима с энергией активации диффузии хрома в α- или γ-железе, или самодиффузии железа.
У сплавов с содержанием хрома около 18-24%, а азота — более 0,8% при быстром охлаждении до комнатной температуры может быть получена однофазная аустенитная структура.
Характерной особенностью немагнитных сталей с высоким содержанием азота является их высокая упрочняемость при холодном пластическом деформировании, обусловленная низким уровнем энергии дефектов упаковки аустенита. Существенным недостатком таких сталей является их склонность к выделению при 500-900°С нитридов хрома по схеме прерывистого распада. Это проявление нестабильности аустенита выражено тем более резко, чем больше степень пересыщения аустенита азотом. Прерывистый распад аустенита, пересыщенного азотом, происходит с образованием пластинчатых колоний типа «аустенит с равновесным содержанием азота - нитрид типа Cr2 N с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой». Это приводит к неоднородности механических свойств деталей, имеющих большие площади сечения, и значительному снижению пластичности и ударной вязкости, а также к ухудшению свариваемости стали. Устранение отрицательного влияния прерывистого распада на механические свойства стали может быть достигнуто:
- легированием ванадием, обеспечивающим смену прерывистого распада γ5 → γ + Cr2 Nна непрерывный распад γs → γ + VN(γs - пересыщенный азотом аустенит);
- термопластической обработкой, изменяющей форму и характер распределения частиц Cr2 Nи формирующей структуру типа «микродуплекс»;
- горячим пластическим деформированием с окончанием при температуре, превышающей температуру начала реакции прерывистого распада, но недостаточной для развития собирательной рекристаллизации аустенита;
- гранульной технологией, обеспечивающей измельчение колоний γ + VN в гранулах, полученных при быстром охлаждении.
Характерной особенностью структуры высокоазотистых аустенитных сталей является формирование в результате горячей прокатки при 1000-1100°С с суммарной степенью обжатия 60-70% развитой полигональной структуры (средний размер полигонов 0,6 мкм), сохраняющейся в процессе последующего нагрева при 650°С. При образовании такой структуры у высокоазотистой стали достигается сочетание высокой прочности с высокой пластичностью и ударной вязкостью. [1]
Недостатком сплавов с высоким содержанием азота является сложность производства и сварки. Во время сварки такой стали азот будет выделяться из сварного шва вследствие чего лист стали будет содержать иметь разный химический состав по всей площади. Это может привести к сильному ухудшению коррозионных свойств.
Чем выше содержание азота в хромоникелевой стали, тем меньше требуется никеля, чтобы сделать сталь полностью аустенитной. Например, 18%-ная хромистая сталь, содержащая около 0,15% N и 0,10% С, будет полностью аустенитной, если к ней добавить 5,5% Ni а в 25%-ную хромистую сталь без азота надо ввести около 14% Ni.
Введение 0,15% N заменяет от 2 до 4% Ni, а 0,25% N — от 2,5 до 6% Ni.
Присадка азота к хромоникелевой стали типа 18-8 повышает устойчивость аустенита при холодной деформации, при этом предел прочности (σв ) у стали типа 18-8 с азотом с изменением степени холодной деформации лежит ниже, чем у стали типа 18-8 без азота.
Для получения чисто аустенитной структуры у стали с 23% Cr без азота при том же содержании углерода требуется ~13% Ni.
Хромоникельазотистые аустенитные стали типа 23-4 имеют более высокие прочностные (σв и σ0,2 ) и несколько меньшие пластические свойства по сравнению с хромоникелевыми сталями типа 18-8.
Повышение прочности аустенитных сталей при введении азота связано со значительными статическими искажениями кристаллической решетки и искажениями кристаллической решетки и изменениями его тонкой кристаллической структуры. С увеличением концентрации азота в γ-твердом увеличивается параметр кристаллической решетки, наблюдается тенденция к измельчению блоков мозаичной структуры повышению уровня микроскольжений. По сравнению с немагнитными сталями, легированными углеродом, высокоазотистые стали имеют лучшее сочетание прочности и пластичности после горячей деформации и последующего высокотемпературного нагрева.
Максимальное количество азота, которое целесообразно вводить в сталь, зависит от его растворимости в аустените молибден, марганец, тантал, хром, ниобии повышает растворимость, а медь, кобальт, никель, углерод понижает растворимость азота в железных сплавах. При разработке высокопрочных немагнитных высокоазотистых нержавеющих сталей для увеличения содержания в них азота наиболее широко используют хром и марганец предельная концентрация азота в Fe-Cr-Mn- расплавах с 25% хрома и 20% марганца может достигнуть 1,26%. [6]
Легирование коррозионностойких аустенитных сталей азотом в количествах до 0,3% оказывает положительное влияние на структуру и свойства их сварных швов. Азот измельчает первичную структуру сварных швов и повышает стойкость таких сталей против образования горячих трещин и межкристаллитной коррозии. С увеличением содержания азота до 0,3% в хромоникелевых сталях прочность сварных соединений возрастает при незначительном снижении пластичности. Комплексное легирование азотсодержащих сталей марганцем и молибденом приводит к повышению стойкости сварных швов и образованию горячих трещин. Значительное повышение прочности сварных соединений за счет увеличения содержания азота более 0,3% и введения ванадия в аустенитных сталях возможно при ограниченном содержании никеля и других элементов. Последние снижают растворимость азота в аустените, и из-за этого практически неизбежно охрупчивание таких сталей в результате выделения в процессе сварного термического цикла азота, вызывающего пористость в металле сварного шва, и большого количества нитридов хрома и ванадия. [7]
Глава 3. Технология производства аустенитных коррозионно-стойких сталей