Состав и свойства сталей

В большинстве случаев высокохромистые мартенситные стали имеют повышенное содержание углерода, некоторые из них дополнительно легированы никелем (таблица 1).

Хром относится к легирующим элементам, стабилизирующим в железных сплавах a-фазу и уменьшающим область существования γ-фазы (рис. 1). Железо образует с хромом непрерывный ряд a(d)- твердых растворов с объемно-центрированной кубической решеткой (рис. 1). У сплавов с высоким содержанием железа имеется замкнутая область g-твердых растворов. На диаграмме Fe - Сг область g ограничена справа двумя линиями, замыкающими гетерогенный участок a(d)+g.

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов Fe – Cr

Рис. 2. Влияние хрома на положение критических точек

фазовых превращений в сплавах с железом

Хром оказывает сильное влияние на положение критических точек, соответствующих g ® a- превращению. Вначале увеличение содержания хрома приводит к понижению точки Ас₃. Поэтому при концентрации до 8 % хром может быть отнесен к элементам, способствующим устойчивости аустенита и расширению его температурной области (рис. 2). Более 8 % хром повышает точку Ас₃ у сплавов с g ® a- превращением.

Углерод, никель и другие аустенитостабилизирующие элементы расширяют область g и способствуют практически полному превращению g ® a(M) в процессе охлаждения. Применение для закаленной стали отжига при температурах ниже точки Ас₃ способствует отпуску структур закалки и возможности получения весьма благоприятного сочетания механических свойств - одновременно высоких значений прочности, пластичности и ударной вязкости. Однако, углерод способствует образованию карбидов хрома, обедняя хромом твёрдый раствор.

Введение в железо-хромистые сплавы других ферритостабилизирующих элементов (Mo, W, V, Nb, Ti, Si и др.) ещё больше сужает γ-область. Ферритостабилизирующих элементы вводят для повышения жаропрочности сталей. Если обычные 12 % хромистые стали имеют достаточно высокие механические свойства при температурах до 500 °С, то сложнолегированные на этой основе стали обладают высокими характеристиками до 650 °С и используются для изготовления рабочих и направляющих лопаток, дисков паровых турбин и газотурбинных установок различного назначения (таблица 2).

Легирование хромом значительно снижает также критические скорости охлаждения. В результате этого при низком содержании углерода легирование до 12 % Cr приводит к формированию в стали однофазной мартенситной структуры даже при весьма замедленном охлаждении от 800 °С, например со скоростью менее 1 °С/с.

При содержании хрома более 12 % в процессе нагрева у сплавов невозможно полное превращение a®g. В соответствии с образующейся после охлаждения структурой такие сплавы относят к мартенситно-ферритному или ферритному классу.

Связывая углерод в карбиды, ферритостабилизирующих элементы способствуют в процессе охлаждения формированию в структуре 11-12 % хромистых сталей наряду с мартенситом некоторого количества d-феррита.

В связи с этим рассматриваемые в этом разделе некоторые марки высоколегированных термически упрочняемых сталей условно отнесены к мартенситным. Принятая градация сталей по структуре сделана в основном с учетом содержания Cr. В результате этого все марки сталей с 11-12% Сг отнесены к мартенситным, с 13-14 % хрома - к мартенситно-феррнтным.

Химический состав высокохромистых мартенситных сталей

Таблица 1

Марка стали	Содержание элементов
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	V	прочие
15Х11МФ	0,12 - 0,19	≤ 0,5	≤ 0,7	≤ 0,025	≤ 0,030	10,0 - 11,5	-	0,6 - 0,8	0,25 - 0,40	-
15Х12ВНМФ	0,12 - 0,18	≤ 0,4	0,5 - 0,9	≤ 0,025	≤ 0,030	11,0 - 13,0	0,4 - 0,8	0,5 - 0,7	0,15 - 0,30	W 0,7 - 1,1
18Х11МНФБ	0,15-0,21	≤ 0,6	0,6 - 1,0	≤ 0,025	≤ 0,030	10,0 - 11,5	0,5 - 1,0	0,8 - 1,1	0,20 - 0,40	Nb 0,20 - 0,45
10Х12НД	≤ 0,10	≤ 0,3	≤ 0,6	≤ 0,025	≤ 0,025	12,0 - 13,5	2,8 - 3,2	0,8 - 1,1	-	Cu 0,8 - 1,0
06Х12Н3Д	≤ 0,06	≤ 0,3	≤ 0,6	≤ 0,025	≤ 0,025	12,0 - 13,5	2,8 - 3,2	-	-	Cu 0,8 - 1,1
40Х13	0,35- 0,44	≤ 0,8	≤ 0,8	≤ 0,025	≤ 0,025	12,0 - 14,0	-	-	-	-

Назначение высокохромистых мартенситных сталей

Таблица 2

Сталь, марка	Примеры использования	Максимальная температура эксплуатации,^0 С
І5Х11МФ, 15Х11МФ-Ш, 15Х12ВНМФ, 15Х12ВНМФ-Ш, 18X11МНФБ-Ш, 13X11Н2В2МФ, 13Х11Н2В2МФ-Ш	Корпуса цилиндров паровых и газовых турбин, горячие опоры каркасов, рабочие и направляющие лопатки и бандажные ленты диафрагм, диски и роторы газовых турбин и компрессоров.	550 - 580
12Х11В2МФ	Поверхности нагрева котлов, трубопроводы.
10Х12НД	Ободы диафрагм паровых турбин, детали рабочих колес гидротурбин.
06X12НЗД	Ободы и другие детали диафрагм паровых турбин. Детали рабочих колес гидротурбин. Корпуса главных циркуляционных насосов АЭС

Механические свойства высокохромистых мартенситных сталей и их сварных соединений определяются фактическим химическим составом и режимом термической обработки, с помощью которой можно регулировать как свойства самой мартенситной матрицы, так и конечный фазовый состав и структуру сталей

Существенное влияние на механические свойства оказывают также количество, величина и геометрическая форма d-феррита, в общем случае способствующего снижению пластичности и ударной вязкости без существенного влияния на пределы прочности и текучести (таблица 3).

Механические свойства высокохромистых мартенситных сталей

Таблица 3.

Сталь, марка	s0,2, МПа	sв, МПа	d5, %	y, %	KCU, МДж/м^2
не менее
15Х11МФ					0,6
15Х12ВНМФ					0,6
18Х11МНФБ	590 - 735				0,6
1ЗХ11Н2В2МФ					0,9
12Х11В2МФ
10Х12НД					0,3
06Х12НЗД	500 - 700				0,5

Дата добавления: 2015-05-06