Онлайн калькулятор по определению допускаемых напряжений материалов: сталей и сплавов алюминия, меди и титана

Виды сталей с легирующими добавками

Согласно положениям соответствующего ГОСТ (5632-72), высоколегированные стали подразделяют на две большие категории: сплавы на никелевой и железноникелевой основе. Сплавы первой категории имеют основу, в которой присутствует не менее 50% никеля. Кроме никеля в структуре таких сплавов, которые представляют собой, по сути, твердый раствор, содержится хром, а также другие элементы. Основу структуры железноникелевых сталей составляют железо и никель, которых в сплаве содержится суммарно более 65%, а также в него входят твердые растворы хрома и ряд других улучшающих добавок. Количество никеля и массовая доля железа в сплавах второй категории находится в приблизительном соотношении 1:1,5.

Классифицируют высоколегированные сплавы также по основным характеристикам, которыми они обладают. Так, различают:

• окалиностойкие стали, также называемые жаростойкими; отличительной особенностью таких сталей, изделия из которых эксплуатируются в ненагруженном либо в слабонагруженном состоянии, является их повышенная устойчивость против химического разрушения их поверхностного слоя при температуре внешней газообразной среды, превышающей 550 градусов;
• коррозионностойкие стали, их также называют нержавеющими, они отличаются высокой устойчивостью к различным видам коррозии: межкристаллитной, солевой, кислотной, щелочной, атмосферной, химической, электрохимической, а также коррозии, развивающейся под действием электрического напряжения;
• жаропрочные, которые отличаются от жаростойких тем, что изделия из данных высоколегированных сталей способны оговоренное время эксплуатироваться при высоких температурах внешней среды в нагруженном состоянии.

Основные свойства распространенных жаропрочных сталей

Стали с повышенным содержанием в своем составе легирующих элементов также делят на несколько категорий, в зависимости от характера их внутренней структуры. Так, в зависимости от характеристик базовой внутренней структуры, их относят к следующим классам:

• мартенситные, основную структуру которых формирует мартенсит;
• мартенситно-ферритные: в их структуре содержится мартенсит и, соответственно, феррит (не менее 10%);
• ферритные: их структуру формирует феррит;
• аустенитно-мартенситные: количественное содержание аустенита и мартенсита, формирующих структуру таких высоколегированных сталей, может варьироваться;
• аустенитно-ферритные: их структуру формируют аустенит и феррит, которого в них содержится более 10%;
• аустенитные: структуру формирует только аустенит.

К тому или иному структурному классу высоколегированную сталь относят в зависимости от того, какая в ней сформировалась базовая структура после того, как изделие из нее нагрели до высокой температуры и охладили на открытом воздухе.

Таблица соответствия российских и зарубежных стандартов — ГОСТ (Россия), EN (Европа), AISI (США) (нажмите для увеличения)

Послесварочная межкристаллитная коррозия

Аустенитные стали довольно часто позиционируются как стойкие к коррозиям разных видов. Межкристаллитная коррозия, протекающая вдоль зерен, часто возникает не в самом сварочном шве, а около линии соединения и даже на значительном расстоянии. В целом физические аспекты развития коррозии не отличаются друг от друга – разница лишь в причине возникновения.

Межкристаллитная коррозия основного металла возникает при банальном перегреве некоторого локального участка. Для материала шва с физико-химической точки зрения все гораздо сложнее. Термический цикл сварки, как уже было сказано, нарушает диффузионные процессы, в результате чего на поверхность выделяются активный углерод и легирующий хром. Они образуют одни из тех карбидов, приводящих к повышенной хрупкости шва. Очевидно, что параллельно с этим происходит обеднение другими легирующими компонентами (также в меньшей степени образуются углеродистые соединения с титаном и ниобием), и материал становится более уязвимым к межкристаллитной коррозии.

Очевидным решением уменьшения склонности сварного шва и околошовного материала к межкристаллитной коррозии является аустенизация при 1050-1100°С

Косвенным решением проблемы является внедрение аустенитно-ферритных материалов, более стойких не только к межкристаллитной коррозии, но неблагоприятному термическому циклу. Особая структура – до 4% молибдена и 25% хрома – отличается менее крупными зернами и, соответственно, повышенной протяженностью межкристаллитных границ. Увеличение площади выделения карбидов ведет к уменьшению их дисперсности. Локальное обеднение хромом происходит на незначительную глубину. Кроме того, аустенитно-ферритные материалы обладают повышенной скоростью диффузионных процессов.

Уменьшить склонность сварного шва и околошовного материала к межкристаллитной коррозии можно несколькими способами. Очевидным решением является проведение уже известной нам аустенизации при 1050-1100°С (возможна замена на стабилизирующий отжиг в течение 2-3 часов при температуре 850-900°С).Впрочем, всегда можно смириться с выпадением карбидной фазы, нейтрализуя ее последствия посредством дополнительного легирования до образования аустенитно-ферритной структуры. Минусом подобного подхода является не только перерасход хрома и других металлов, но и понижение сопротивляемости общей коррозии, распространяющейся по всей поверхности изделия. В этом свете некоторые производственники предпочитают в качестве легирующего компонента использовать титан, тантал или ванадий вместо хрома. Вместе с тем, более дорогие металлы оказываются также и более требовательными к защитной среде. Если не использовать инертные газы или фторидные флюсы вместо кислых, близкий к кислороду титан выгорает на 70-90%.

Дополнительно: необходимо отлаживать автоматизированные процессы, гарантирующие непрерывность получения шва стабильной электрической дугой, повторное возбуждение которой делает термический цикл неблагоприятным.

Горячие и холодные трещины

Сварка высоколегированных материалов – сложная наука со множеством теорий, обоснований, графиков и инвариантных решений. В изложенном материале ограничимся лишь обзором соединения аустенитных сталей с 55% легирующих компонентов. Обычно в таких материалах процент никеля и хрома не превышает 7% и 15% соответственно, хотя многие эксперты включают в эту группу железоникелевые и никелевые сплавы с содержанием Ni от 25% и выше.

Изначально проблема сварки аустенитных сталей возникает на весьма неожиданном месте: большое количество легирующих компонентов и широкий спектр применения готовых изделий значительно дифференцирует условия процесса сварки. Это в большой степени усложняет контроль над качеством сварного соединения. Вместе с тем, на сварных швах аустенитных сталей довольно часто образуются горячие трещины. В большинстве своем это микронадрывы на межкристаллитном уровне, определяемые лишь ультразвуковым сканированием. Хотя иногда, можно встретить и настоящие видимые трещины. Предсказать время появления структурных аномалий практически невозможно. Они могут возникнуть и во время сварки, и во время эксплуатации в среде с повышенной температурой.

В первом приближении можно сказать, что в основе горячих трещин лежит образование крупнозернистой структуры. Термический цикл сварки создает многослойные швы со столбчатой структурой, когда кристаллы нижнего слоя продолжаются вышележащими. Образованию оной способствует и напряжение усадки, стабилизирующее кристаллические «колонны». Но в результате нарушения диффузионных процессов на поверхности скапливаются активные элементы – кислород и углерод – реагирующие с примесями основного материала. Результатом изменения пространственной концентрации элементов становятся легкоплавкие и вместе с тем хрупкие эвтектики (жидкие системы –растворы или расплавы, находящиеся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы). Высокий уровень дисперсии способствует понижению пластичности и появлению горячих трещин.

Говоря о высокодисперсных соединениях, стоит упомянуть интерметаллиды (соединение из двух или более металлов) с фиксированным соотношением компонентов. Состоящие из атомов нескольких металлов, прочные и химически инертные структуры (еще один фактор нарушения процесса диффузии) вместе с карбидами повышают хрупкость околошовной зоны.

Локализация структурных аномалий в большинстве случаев ликвидируется дополнительной десятиминутной термической обработкой при температуре 1100°С и последующим быстрым охлаждением. В особо сложных случаях, когда столбчатая структура разрушается, но образования интерметаллидов избежать не удается, дополнительно к аустенизации шва применяется отжиг при 750-800°С. В результате двухэтапной термообработки удается удалить карбидную и интерметаллидную фазу.

Зачастую образование горячих трещин связано с недостаточностью защитной среды. Как уже было сказано, высоколегированные материалы содержат большое количество присадок. Хром, алюминий и другие металлы с точки зрения физической химии более близки к кислороду, нежели железо, что обуславливает высокую степень выгорания, подчас пробоя защитной среды. В особо печальных случаях материал шва полностью теряет карбидную и ферритную фазу.

В случае незначительного пропускания атмосферного кислорода возможно использование укороченной дуги, а также фтористо-кальциевых покрытий или флюсов, базирующихся на химически активных фтористых основаниях.

Но не стоит упиваться дополнительной аустенизацией шва. В век экономии электроэнергии, столь высокоэнергетические процессы постепенно должны уступать место инновационным методам дуговой сварки. Известно, что форма сварочной ванны напрямую влияет на форму шва и соответственно на рост кристаллов аустенита. Кроме того, имеет смысл использовать технологии с пониженным силовым фактором, ведь усадочная деформация и жесткое крепление изделий являются отличными катализаторами образования горячих трещин.

Для сталей с временным сопротивлением растяжению от 1500МПа и выше необходимо использовать особую методику. Высокопрочные материалы склонны к образованию послесварочных холодных трещин, возникающих под действием собственного сварочного напряжения. В этом случае проводится предварительная аустенизация, повышающая пластические показатели стали. После соединения заготовок необходимо провести дополнительный нагрев до температуры в 350-400°С.

Влияние охлаждения на аустенит

Распад аустенита происходит в тех же критических точках. Результативность его зависит от следующих факторов:

1. Скорость охлаждения. Влияет на характер углеродных включений, формирования зерен, образования итоговой микроструктуры и ее свойств. Зависит от среды, которая используется в качестве охладителя.
2. Наличие изотермической составляющей на одном из этапов распада – при понижении до определенного температурного уровня, поддерживается стабильное тепло некоторый период времени, после чего продолжается быстрое охлаждение, или же оно происходит вместе с нагревательным устройством (печью).

Таким образом, выделяют непрерывное и изотермическое превращения аустенита.

Методы получения аустенитных углеродистых сталей

Весь первоначальный процесс можно описать так: чтобы получить аустенит, необходимо чтобы в первоначальной структуре сплавов начали появляться и расти зерна. Сперва зернистость меняется у поверхности при фазах появления карбидов, со временем полностью толща заготовки меняет свою структуру.

Второй способ изготовления аустенита – это нагрев до 900 градусов перлитной модификации железа (после эвтектоидного распада). Такой сплав состоит частично из цементита, на вторую часть из феррита. Чтобы такое превращение произошло, необходима минимальная углеродистость стали – не меньше, чем 0,66% содержание вещества. После того как повышается температура более чем на 900 градусов, ферритная структура перевоплощается в аустенитную, а цементитная полностью растворяется. Получается прекрасного качества нержавейка.

Есть еще один вариант – с титановой смесью. В таких случаях берется металлическая заготовка, она помещается в индукционную печь, в которой поддерживается вакуум. В ней сперва достигается высокий жар, а затем он долгий период поддерживается. За это время происходит диазотирование, то есть удаление из стального расплава атомов азота. Временной промежуток определяется индивидуально в зависимости от массы заготовки. Затем постепенно добавляются титан и другие металлические и неметаллические примеси, которые образуют нитриды в реакции с железом.

Но основной способ получения аустенитной стали базируется на создании высоколегированного хромоникелевого сплава. Легировать изделие можно с помощью добавления хрома и никеля. После того как вещества добавлены в тугой раствор, нужно продолжительное время поддерживать высокую температуру, это дает:

• устойчивость к коррозии;
• прочность;
• жаростойкость;
• увеличенное выделение карбидов.

А если добавить молибден и фосфор, то можно добиться повышенной вязкости и усталостной прочности.

Химические элементы и их влияние на аустенит

Как и любая легированная сталь, в своей основе данная может иметь ряд легирующих добавок. Давайте посмотрим, как их содержание в расплаве влияет на основные качества металла:

• Хром. Его высокая концентрация, превышающая 13% (но не более 19%), способствует созданию оксидной пленки. Она, как известно, препятствует возникновению коррозии. Интересно, что такое действие хрома актуально исключительно при невысоком содержании углерода. Поскольку в обратном случае эти два элемента начинают вступать в реакцию, образуя карбид, который, напротив, ускоряет процесс ржавления.
• Никель. Еще один постоянно использующийся материал. Его может быть очень много, даже более 50%. Но для того чтобы получить из железа аустенит, достаточно всего 9-12 процентов. Химическое вещество очень положительно воздействует на пластичность – она становится выше. Кроме того, зернистость становится меньше, что хорошо сказывается на прочности.
• Углерод. Добавляют обычно сотые, десятые доли. Этого достаточно для того, чтобы повысить прочность. Это обусловлено тем, что вещество приводит к образованию карбидов.
• Азот. Он заменяет углерод, если тот нельзя добавлять в сплав по каким-либо причинам, например, если изделие должно обладать стойкостью к электрическому и химическому воздействию.
• Бор. Очень хорошо увеличивает пластичность, даже если вещество находится в очень небольшом количестве, а зерно становится меньше.
• Кремний и марганец. Добавляют для стабилизации аустенита, а также для повышения прочности.
• Титан и ниобий. Применяют при изготовлении хладостойких сплавов.

Что такое аустенитная нержавеющая сталь: описание и особенности

Аустенитные стали имеют ряд особых преимуществ и могут применяться в рабочих средах, отличающихся значительной агрессивностью. Без таких сплавов не обойтись в энергетическом машиностроении, на предприятиях нефтяной и химической промышленности.

Аустенитные стали — это стали с высоким уровнем легирования, при кристаллизации образуется однофазная система, характеризуемая кристаллической гранецентрированной решеткой.

Такой тип решеток не меняется даже под воздействием очень низких температур (около 200 градусов Цельсия). В отдельных случаях имеется еще одна фаза (объем в сплаве не превышает 10 процентов).

Тогда решетка получится объемноцентрированной.

Описание и характеристики

Стали разделяют на две группы относительно состава их основы и содержания легирующих элементов, таких как никель и хром:

• Композиции, в основе которых содержится железо: никель 7%, хром 15%; общее количество добавок — до 55%;
• Никелевые и железоникелевые композиции. В первой группе содержание никеля начинается от 55% и больше, а во второй — от 65 и больше процентов железа и никеля в соотношении 1:5.

Благодаря никелю можно добиться повышенной пластичности, жаропрочности и технологичности стали, а с помощью хрома — придать требуемую коррозийность и жаростойкость. А добавление других легирующих компонентов позволит получать сплавы с уникальными свойствами. Компоненты подбирают в соответствии со служебным предназначением сплавов.

Для легирования преимущественно используют:

• Ферритизаторы, стабилизирующие структуру аустенитов: ванадий, вольфрам, титан, кремний, ниобий, молибден.
• Аустенизаторы, представленные азотом, углеродом и марганцем.

Все перечисленные компоненты расположены не только в избыточных фазах, но и в твердом растворе из стали.

Сплавы, устойчивые к коррозии и перепадам температур

Широкий спектр добавок позволяет создать особые стали, которые будут применены для изготовления компонентов конструкций и будут работать в криогенных, высокотемпературных и коррозионных условиях. Поэтому составы разделяют на три типа:

• Жаропрочные и жаростойкие.
• Стойкие к коррозии.
• Устойчивы к воздействию низких температур.

Жаростойкие сплавы не разрушаются под влиянием химикатов в агрессивных средах, могут использоваться при температуре до +1150 градусов. Из них изготавливают:

• Элементы газопроводов;
• Арматуру для печей;
• Нагревательные компоненты.

Жаропрочные марки на протяжении длительного времени могут оказывать сопротивление нагрузкам в условиях повышенных температур, не теряя высоких механических характеристик. При легировании используются молибден и вольфрам (на каждое дополнение может отводиться до 7%). Для измельчения зерен в небольших количествах применяется бор.

Применение сплавов

Стали аустенитного класса используются при изготовлении устройств, работающих при высоких температурах, начиная от 200 °C: парогенераторов, роторов, турбин и сварочных механизмов. Недостатком использования аустенита в этих механизмах является низкая прочность металла. При длительном контакте железных сплавов различными гидроокисями могут образоваться дополнительные трещины, что приведет к поломке рабочих поверхностей устройств. Устранить этот недостаток можно при добавлении в раствор железа дополнительных химических элементов: ванадия и ниобия. Они формируют карбидную фазу, увеличивающих показатели прочности стали.

Нержавеющие аустенитные стали используются в механизмах, функционирующих в сложных условиях и при сильных перепадах температурных показателей. Чаще всего они используются при сварке коррозионностойких труб. Во время этого процесса между крепежными элементами образуется шовное пространство. При нагревании нержавеющих труб из аустенита до температуры плавления они приобретают монолитную структуру, защищающей металл от процессов окисления и высоких перепадов температур.

Также аустенитные стали обладают высокой устойчивостью к электромагнитным излучениям. Поэтому ее применяют при производстве отдельных деталей для радиоэлектронного оборудования. Аустенит улучшает прочность механизмов радио и не теряет свои свойства при изменениях структуры магнитного поля. По этой причине радиотехническая аппаратура будет легко принимать необходимые сигналы.

Аустенитные сплавы железа нашли широкое применение в производстве механизмов, работающих в водной среде. Нержавеющая сталь устойчива к образованию коррозии. Она используется в качестве защитного материала. При правильном соотношении хрома и никеля аустенит может сформировать тонкий слой, снижающим влияния водной среды на рабочую поверхность металлического приспособления. В результате снижается износ устройства. Но при значительном вымывании никеля материал полностью теряет устойчивость к коррозии.

В современных корпусах турбин также используются аустенитные стали с большим пределом текучести. Они позволяют избежать коробления данного устройства и улучшить показатели его прочности. Благодаря наличию крупнозернистой структуры, при помощи аустенита с высоким пределом текучести также можно укрепить конструкцию ротора турбины. Недостатком этой технологии является значительное повышение стоимости механизмов из-за использования большого количества дорогой аустенитной стали.

Применение аустенитных сталей

Наиболее частое использование:

• Любые элементы, которые используются при высоких температурах – более 200 градусов (вплоть до 1100). Это могут быть самолетные турбины или различные детали в двигателе. Однако следует внимательно следить за тем, какие химические реакции будут происходить при контакте с топливом, паром и другими агрессивными средами. Иногда возникают трещины. Чтобы предотвратить такую возможность, следует добавить такие примеси как ванадий и ниобий. С ними будет сформирована карбидная фаза, за счет чего происходит упрочнение поверхности.
• Различные механизмы, которые подвергаются быстрым температурным перепадам. Например, при сварке некоторых материалов.
• Электрическое оборудование, контакты. Их можно сделать благодаря тому, что аустенит устойчив к электромагнитным волнам.
• Детали для устройств, работающих в водной среде или в условиях повышенной влажности. Это возможно из-за коррозионной устойчивости. Никель и хром, которые способствуют этой характеристики, также продлевают износ элемента.

Свойства аустенитных сталей

Сталь аустенитного класса образует 1-фазную структуру во время процесса кристаллизации. Ее кристаллическая решетка не изменяется даже при резком охлаждении до отрицательных температур (–200 °C). Основными компонентами аустенитных железных сплавов являются хром и никель. От доли их содержания зависят технологичность, пластичность, прочность и жаростойкость материала. Для легирования применяют следующие материалы:

1. Ферритизаторы: титан, кремний, молибден, ниобий. Они стабилизируют структуру аустенитов и формируют объемноцентрированную кубическую решетку.
2. Аустенизаторы: азот, марганец и углерод. Они присутствуют в избыточных фазах, формирующихся во время термообработки железных сплавов.

По свойствам материалов аустенитные модификации железа делятся на следующие типы:

1. Коррозионностойкие (нержавеющие). В их состав входит хром (18%), никель (30%) и углерод (0,25%). Эти высоколегированные стали применяются в промышленном производстве с 1910 г. Их главным преимуществом является устойчивость к коррозии. Материал сохраняет это свойство даже при сильном нагревании, что обусловлено низким содержанием углерода. Коррозионностойкие железные сплавы производятся, согласно ГОСТ 5632-2014. В них могут присутствовать добавки из кремния, марганца, и молибдена.
2. Жаростойкие. Они обладают ГЦК-решеткой и устойчивы к воздействию высоких температур. Этот материал можно нагревать до 1100 °C. Жаропрочные аустенитные стали применяются при изготовлении печных устройств, турбин роторов электростанций и иных приборов, работающих при помощи дизельного топлива. При производстве данной модификации железа используются дополнительные добавки из бора, ниобия, ванадия, молибдена и вольфрам. Эти химические элементы повышают жаропрочность материала.
3. Хладостойкие. В составе этих высоколегированных сталей присутствуют хром (19%) и никель (25%). Главным достоинством материала является высокая вязкость и пластичность. Также эта модификация железа располагает высокой стойкостью к коррозии. Хладостойкие металлы сохраняют данные свойства даже при резком понижении температуры. Их главным недостатком является низкая прочность во время работы при комнатной температуре.

Аустенитная высоколегированная сталь является одной из самых дорогих модификаций железа, потому что в них содержится большое количество дорогостоящих материалов: хрома и никеля. Также на ее стоимость влияет количество дополнительных легирующих компонентов, позволяющих создавать железные сплавы с особыми свойствами. Дополнительные элементы легирования подбираются в зависимости от сложности работ, где применяются аустенит.

В аустенитных сталях могут осуществляться следующие разновидности превращений:

1. Образование феррита при нагреве железного сплава до высоких температур.
2. При нагреве до температуры 900 °C из аустенита начинают выделяться избыточные карбидные фазы. Во время этого процесса на аустенитной поверхности образуется межкристаллическая коррозия, постепенно разрушающая материал.
3. Во время охлаждения аустенита до температуры 730 °C происходит эвтектоидный распад. В результате образуется перлит – модификация железных сплавов. Его микроструктура представлена в виде небольших пластин или округлых зерен.
4. При резком понижении температуры металлического изделия формируется мартенсит – микроструктура, состоящая из пластин игольчатого или реечного вида.

Время, требуемое для превращения аустенитной стали в иные модификации железа, определяется содержанием углерода в твердом растворе и количеством дополнительных легирующих компонентов. Чем ниже эти показатели, тем быстрее охлаждается металлическое изделие.