Подробная информация о сплавах из нержавеющей стали: основные элементы, основные характеристики и классификация нержавеющей стали

Нержавеющая сталь обычно преподается в виде пяти категорий: аустенитная, ферритная, мартенситная, дуплексная и дисперсионно-твердеющая. Эти категории реальны, и они не являются причиной того, почему марка ведет себя так, а не иначе. Марка находится там, где она находится, из-за двух чисел, которые можно рассчитать из ее состава, а ее коррозионная стойкость может быть ранжирована третьим числом. Как только эти три числа будут на странице, пять категорий станут областями на карте, а не ярлыками для запоминания.

Первое число — это содержание хрома, и это порог, а не шкала. Вторая пара — это эквиваленты хрома и никеля, которые определяют, является ли структура, образующаяся при охлаждении, ферритом, аустенитом или их смесью. Третье — это эквивалентное число стойкости к питтингу, которое преобразует хром, молибден и азот в единую цифру, которую можно сравнивать между марками.

На этой странице представлены три показателя, показано, где на каждом из них располагаются распространенные марки, и объясняется единственный механизм, который устраняет защиту, обеспечиваемую первым числом: хром, образующий пассивную пленку, может быть удален углеродом на границах зерен.

Хром — это то, что делает сплав нержавеющим. При содержании выше примерно 10,5% в твердом растворе металл образует на своей поверхности тонкую и непрерывную пленку оксида хрома, и именно эта пленка отличает нержавеющую сталь от низколегированной стали, содержащей просто хром. Ниже этого уровня пленка не является непрерывной, и сплав ржавеет, как обычная сталь.

Порог — это утверждение о хроме в растворе, а не о хроме в анализе. Если хром связан в осадке, он недоступен для образования пленки, и сплав ведет себя так, как будто он содержит его меньше. Это различие является предметом последнего раздела и объясняет, почему марка, соответствующая сертификату, все еще может корродировать на сварном шве.

Никель делает нечто другое. Он не создает пленку и не требуется для коррозионной стойкости в каждой семье. Его роль заключается в стабилизации аустенита, поэтому аустенитные марки содержат от 6 до 22% никеля в диапазонах состава, которые обычно продаются, и поэтому ферритные марки содержат мало или совсем не содержат никеля.

Хром и молибден способствуют образованию феррита. Никель, углерод и марганец способствуют образованию аустенита. Диаграмма Шеффлера сводит полный состав к двум числам, которые отражают эти тенденции, и марка размещается на диаграмме путем расчета обоих.

Углеродный член объясняет неожиданный для покупателей результат. Две марки с одинаковым содержанием никеля могут попасть в разные области, если их уровни углерода различаются, потому что углерод в тридцать раз эффективнее никеля в стабилизации аустенита в этом выражении. Это одна из причин, почему низкоуглеродистая версия марки не является просто более чистой версией той же марки, и почему суффикс L появляется на чертежах, где участвует сварка.

Аустенитный ряд несет оговорку, которую учебники часто опускают. Отожженная аустенитная марка немагнитна, а холоднодеформированная — не совсем. Холодная деформация может образовывать мартенсит в метастабильной аустенитной марке, поэтому глубокотянутая или сильно прокатанная деталь может проявлять магнитную реакцию, которую не предсказывает сертификат на отожженное состояние. Спецификация, требующая немагнитного поведения, должна указывать это в конечном состоянии, а не в отожженном состоянии.

Питтинг — это режим отказа, который определяет материал в условиях воздействия хлоридов, и он зависит от трех элементов, а не от одного. Эквивалентное число стойкости к питтингу объединяет их в единую цифру, и стандартная форма — это хром плюс 3,3 раза молибден плюс 16 раз азот.

Число помещает распространенные марки на шкалу от примерно 16 до выше 70, и шкала является причиной того, почему 316 указывается для прибрежных объектов, а 304 — нет.

Два порога стоит запомнить, потому что они появляются в спецификациях на закупку. PREN не менее 32 — это показатель, обычно используемый для защиты от питтинга в морской воде, а PREN 40 или выше — это показатель, обычно используемый для работы в сероводородной среде и для работы в морской воде с более высоким риском. Это скрининговые значения, а не гарантии, и следующий абзац объясняет почему.

Ограничение указано ассоциацией, публикующей расчет. PREN полезен для ранжирования марок внутри одного семейства и не может предсказать, подойдет ли конкретная марка для конкретного применения. 2205 и 904L с одинаковым PREN ведут себя не идентично, потому что одна является дуплексной, а другая — аустенитной, и сравнение имеет смысл только между марками одной структуры. Температура, чистота поверхности, поток и наличие отложений — все это влияет на результат, и ни один из них не появляется в формуле.

Хром образует пленку только до тех пор, пока он остается в растворе. Углерод удаляет ее, и делает это на границах зерен. Когда аустенитная нержавеющая сталь выдерживается в температурном диапазоне примерно от 500 до 850 °C, углерод в сплаве сочетается с хромом на границах, образуя карбиды хрома, а металл непосредственно рядом с каждым карбидом обедняется хромом.

Обедненная зона узкая и непрерывная вдоль границы, поэтому сплав теперь имеет сквозной путь, который больше не является нержавеющим, в то время как основная часть зерна остается таковой. Коррозионная среда атакует этот путь, и результатом является межкристаллитная коррозия, которая выглядит как шов, потерявший свои края, а не как поверхность, покрывшаяся ржавчиной.

Два стандартных решения работают по разным механизмам. Марка L снижает доступный углерод, поэтому может образовываться меньше карбидов. Стабилизированная марка добавляет титан или ниобий, которые легче сочетаются с углеродом, чем хром, поэтому хром остается в растворе. Оба варианта правильны, и они не взаимозаменяемы: стабилизированная марка может использоваться при более высокой температуре, чем марка L, а марка L обычно дешевле.

Марка должна выбираться по механизму, который, как ожидается, приведет к концу срока службы детали. Таблица связывает механизм с семейством и числом, которое его предсказывает.

DLX поставляет изделия из нержавеющей стали и никелевых сплавов из Чанчжоу, Цзянсу, в виде проволоки от 0,025 мм, прутка до 50 мм, ленты толщиной от 0,50 мм до 2,5 мм, а также трубы и листы стандартных заводских размеров. Ассортимент охватывает аустенитное, ферритное, дуплексное и дисперсионно-твердеющее семейство, наряду с никелевыми сплавами, используемыми там, где нержавеющая марка достигает своего предела в хлоридах или восстановительных кислотах.

Материал поставляется в соответствии со стандартом, указанным в заказе, с сертификатом EN 10204 3.1 по запросу и номером плавки, прослеживаемым до результатов испытаний. Полезный вопрос не в том, к какому семейству относится марка, а в том, какой механизм, как ожидается, приведет к концу срока службы детали и какое число предсказывает этот механизм.

Потому что именно на этом уровне оксидная пленка хрома становится достаточно непрерывной, чтобы защитить поверхность. Ниже этого уровня пленка неполная, и сплав ржавеет, как низколегированная сталь. Порог относится к хрому в растворе, поэтому сплав, хром которого был потреблен карбидами, может вести себя так, как будто он находится ниже линии, даже когда сертификат говорит об обратном.

Молибден. Марка 316 добавляет его, а молибден имеет вес 3,3 в числе стойкости к питтингу, что перемещает значение примерно с 19 для 304 до примерно 27 для 316. Этого достаточно, чтобы иметь значение в условиях воздействия хлоридов, но недостаточно, чтобы достичь порога морской воды в 32, поэтому прибрежное применение часто переходит к 904L, к дуплексной марке или к никелевому сплаву.

В отожженном состоянии — да, а в холоднодеформированном — не всегда. Холодная деформация может образовывать мартенсит в метастабильной аустенитной марке, поэтому глубокотянутая или сильно прокатанная деталь может проявлять магнитную реакцию, которую не предсказывает сертификат на отожженное состояние. Спецификация, требующая немагнитного поведения, должна указывать состояние, в котором оно измеряется.

Это потеря хрома с границ зерен при образовании карбидов хрома в диапазоне примерно от 500 до 850 °C. Сварной шов и его зона термического влияния проходят через этот диапазон при охлаждении, поэтому граница становится путем, который больше не является нержавеющим, в то время как внутренние части зерна остаются таковыми. Результатом является межкристаллитная коррозия, и стандартными решениями являются низкоуглеродистая марка или стабилизированная марка.

Это инструмент скрининга, а не метод выбора. Он ранжирует марки внутри одного семейства и не может предсказать, подойдет ли конкретная марка для конкретного применения. Дуплексная и аустенитная марки с одинаковыми значениями ведут себя не идентично, а температура, чистота поверхности, поток и отложения — все это влияет на результат, не появляясь в формуле.

Низкоуглеродистый. Предел содержания углерода снижается примерно до 0,03%, что уменьшает количество карбидов хрома, которые могут образовываться на границах зерен во время сварки. Это стандартное решение для изготовленной детали, которую нельзя повторно растворять после сварки, и она стоит дешевле, чем стабилизированная марка.

Нержавеющая сталь — это пять семейств, расположенных по двум рассчитанным эквивалентам, защищенных одним порогом и ранжированных в условиях воздействия хлоридов по одному числу. Хром выше примерно 10,5% в растворе образует пленку. Эквиваленты хрома и никеля определяют, является ли структура ферритом, аустенитом или их смесью. Число стойкости к питтингу, хром плюс 3,3 раза молибден плюс 16 раз азот, ранжирует марки внутри семейства и устанавливает пороговые значения скрининга 32 и 40.

Защита может быть устранена без изменения сертификата. Углерод отнимает хром с границ зерен при температуре от 500 до 850 °C, и сварка — это обычное место, где это происходит. Низкоуглеродистая марка или стабилизированная марка предотвращают это, а выбор между ними зависит от рабочей температуры и стоимости.

Диаграмма Шеффлера и эквивалентные выражения, опубликованные в справочниках по металлургии сварки: эквивалент хрома = Cr + Mo + 1,5 Si + 0,5 Nb, и эквивалент никеля = Ni + 30 C + 0,5 Mn.

Британская ассоциация нержавеющей стали, расчет эквивалентных чисел стойкости к питтингу. Источник выражения PREN = Cr + 3,3 Mo + 16 N, опубликованных диапазонов для 304, 316, 316L, 904L, 2205 и 2507, а также утверждения, что PREN полезен для ранжирования и сравнения, но не может предсказать, подойдет ли марка для данного применения.

Опубликованные данные сравнения PREN для нержавеющих и никелевых сплавов, дающие единичные значения 19 для 304, 27 для 316, 35 для 904L, 36 для 2205, 43 для 2507 и 254 SMO, 46 для AL-6XN, 51 для сплава 625 и 68 для Hastelloy C-276.

Опубликованное техническое руководство по пороговым значениям PREN, в котором указано, что значение не менее 32 используется для защиты от питтинга в морской воде, а 40 или выше — для сероводородной среды и для более суровых условий эксплуатации в морской воде.

Опубликованные исследования по сенсибилизации аустенитной нержавеющей стали, описывающие осаждение карбидов хрома на границах зерен и результирующую обедненную хромом зону в температурном диапазоне примерно от 500 до 850 °C.

Опубликованные справочники по металлургии сварки, описывающие сенсибилизацию в зоне термического влияния и использование низкоуглеродистых и стабилизированных марок для ее предотвращения.

EN 10088 и ASTM A240, как продуктовые стандарты, определяющие наименования нержавеющих марок и указанные диапазоны составов.

EN 10204, инспекционные документы, для определения сертификата 3.1 как документа, содержащего фактические результаты испытаний и заверенного независимым представителем инспекции производителя.

Диапазоны составов и рассчитанные значения выше являются стандартными показателями для указанных марок и не являются пределами приемки для поставленной партии. PREN — это индекс ранжирования, а не скорость коррозии, и две марки с одинаковым значением в разных семействах ведут себя не идентично. Сенсибилизация зависит от содержания углерода, времени пребывания в диапазоне и скорости охлаждения, поэтому марка, устойчивая в одной конструкции, может быть подвержена атаке в другой с тем же анализом. Значения свойств для поставленной детали зависят от ее состояния и направления испытания, а сертификат описывает плавку, а не компонент. Продуктовые спецификации пересматриваются, и издание, указанное в заказе, имеет преимущественную силу. Ничто на этой странице не является заменой инженерного разрешения или квалификационных испытаний, согласованных между покупателем и поставщиком.