Аустенитная сталь — тип нержавеющей стали, который содержит высокий уровень хрома и никеля, что делает её устойчивой к коррозии и окислению. Сталь получила название от аустенитной фазы, в которой находится при комнатной температуре. Аустенитная сталь прочная и устойчива к износу, что делает её широко используемой в производстве инструментов, машин, оборудования во многих других отраслях. Она также хорошо формируется и сваривается, что определяет популярность в машиностроении и строительстве.
Аустенитная фаза - одна из основных структурных фаз в металлах. Она образуется при высоких температурах, когда металл находится в жидком состоянии, и сохраняется при быстром охлаждении до комнатной температуры. Аустенит характеризуется гранулярной структурой с высокой степенью подвижности атомов.
Аустенитная фаза стали обладает рядом важных свойств, таких как высокая прочность, деформируемость и устойчивость к коррозии. Она является ключевым компонентом нержавеющей стали, где уровень содержания хрома и никеля помогает сохранить характерную структуру даже при низких температурах.
Общие характеристики аустенитных сплавов
Аустенитные сплавы обладают несколькими общими характеристиками:
- Устойчивость к коррозии. Это связано с наличием в их составе хрома и никеля, которые образуют защитные оксидные слои на поверхности материала, предотвращая его разрушение под воздействием окружающей среды.
- Высокая термостойкость, что делает их подходящими для работы при высоких температурах. Это связано с тем, что аустенитная фаза сохраняется при повышенных температурах, что обеспечивает стабильность и прочность материала.
- Деформируемость — они могут быть легко подвергнуты обработке путем холодной или горячей деформации без значительной потери механических свойств.
- Химическая инертность, что делает их подходящими для применения в агрессивных химических средах, например, в кислотах и щелочах.
Эти общие характеристики делают аустенитные сплавы важными материалами во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность, медицинская техника, пищевая промышленность и другие.
Структура и свойства аустенита
Аустенит - это кристаллическая структура, которая является одной из фаз железоуглеродистых сплавов (включая сталь), а также некоторых других металлов и сплавов.
Структура:
- Аустенит обладает гранулярной структурой, в которой атомы металла упакованы плотно и регулярно. В аустенитной структуре атомы располагаются вокруг точек, образующих решетку с кубическим гранцем (fcc - face-centered cubic). Это означает, что каждый атом в аустените имеет восемь ближайших соседей.
Механические свойства:
- Аустенит хорошо деформируется, что облегчает обработку ковкой и гибкой.
- Относительно высокая прочность, особенно после термической обработки закалкой и отпуском.
Термические свойства:
- Аустенит обычно существует при высоких температурах. При охлаждении его можно превратить в другие фазы, такие как мартенсит или феррит.
- Он обычно превращается обратно в другие фазы при низких температурах или при наличии определенных химических условий.
Коррозионная стойкость:
- Высокая устойчивость к коррозии, что связано с образованием защитного пассивирующего слоя оксида хрома на поверхности.
Магнитные свойства:
- При комнатной температуре аустенитные сплавы с высоким содержанием никеля немагнитные.
- Однако наличие определенных легирующих элементов или специфических условий может привести к проявлению магнитных свойств.
Твердость аустенита
Твердость аустенита может сильно изменяться в зависимости от марки сплава и его обработки. Обычно аустенит обладает средней и высокой твердостью по сравнению с другими фазами железоуглеродистых сплавов. Твердость аустенита может быть изменена различными методами обработки и легирования. Например, тепловая обработка, такая как закалка и отпуск, может значительно повысить показатель. Также может увеличить его твердость добавление легирующих карбидов или нитридов.
Однако аустенит обычно не является самой твердой из фаз железоуглеродистых сплавов. Мартенсит, который образуется из аустенита при быстрой охлаждении, обладает более высокой твердостью. Также феррит, другая фаза, может быть более мягкой по сравнению с аустенитом. В среднем твердость аустенита находится в пределах 200 НВ.
Маркировка
Маркировка аустенитных сталей включает следующие обозначения:
- Серия стали. Аустенитные стали могут относиться к различным сериям в зависимости от их химического состава и применения. Например, стандартные — AISI 300 и AISI 200.
- Химический состав. В маркировке указывается химический состав стали, включая содержание хрома, никеля, углерода и других элементов. Например, AISI 304 содержит около 18% хрома и 8% никеля, аналог по ГОСТ — 08Х18Н10.
- Стандарты. В маркировке может также указываться соответствие определенным стандартам, таким как ASTM, ГОСТ, DIN или JIS.
- Градация. Некоторые марки могут иметь дополнительные обозначения, указывающие на их конкретные свойства или область применения. Например, литера "L" указывает на возможность использования в условиях угрозы коррозии, а "H" - на повышенное содержание углерода для улучшения прочности. Например, AISI 316L обозначает сталь серии AISI 300 с высоким содержанием хрома и никеля и повышенную устойчивость к ржавчине.
Классификация аустенитной стали
Коррозиестойкие стали
- AISI 304 (UNS S30400): Хорошая коррозионная стойкость в широком диапазоне сред
- AISI 316 (UNS S31600): Также называется морской или хирургической сталью.
- AISI 321 (UNS S32100): Содержит титан, обеспечивающий устойчивость к окислению и коррозии при нагревании.
- AISI 904L (UNS N08904): Используется в кислотных и хлоридных средах.
Жаропрочные аустенитные стали
- AISI 309 (UNS S30900): Обладает хорошей жаропрочностью и устойчив к окислению при высоких температурах.
- AISI 310 (UNS S31000): Похожа на AISI 309, но с дополнительным содержанием хрома и никеля
- AISI 314 (UNS S31400): Содержание хрома и никеля делает ее подходящей для применения при высоких температурах и в окружающих средах с высоким содержанием серы.
- AISI 330 (UNS N08330): Сталь с высоким содержанием хрома и никеля, стойкая к окислению и карбидной коррозии.
- AISI 321H (UNS S32109): Вариант стали AISI 321 с увеличенным содержанием углерода, лучше по жаропрочности.
Хладостойкие аустенитные стали
- AISI 304: Подходит для широкого спектра применений, включая пищевую промышленность и медицинские устройства.
- AISI 316: Более высокое содержание хрома, никеля и добавка молибдена. Устойчива к коррозии в соляной и хлористой среде.
- AISI 321: Добавка титана предотвращает образование карбидов хрома в зоне сварки. Используется в аэрокосмической и авиационной промышленности, а также в производстве холодильного и криогенного оборудования для пищевой промышленности.
- AISI 347: Сплав содержит титан с дополнительной добавкой ниобия. Подходит для применения в низкотемпературных условиях.
- AISI 904L: Высокий уровень хрома, никеля, молибдена и меди, используется в оборудовании для обработки и производства фосфорной кислоты.
Фазовые превращения в аустенитных сталях
Это изменения в структуре металла, которые происходят в результате изменения условий температуры и химического состава. Аустенитные стали, в основном, состоят из аустенитной фазы, которая является FCC (face-centered cubic) структурой.
Основные фазовые превращения в аустенитных сталях включают:
- Превращение аустенита в мартенсит. Это происходит при быстром охлаждении аустенитной стали. При этом аустенит превращается в мартенсит - более твердую и хрупкую структуру. Этот процесс называется мартенситным закалом и используется для увеличения твердости и прочности стали.
- Превращение аустенита в феррит и цементит. При медленном охлаждении аустенит превращается в феррит (α-железо) и цементит. Этот процесс называется отпуском или отжигом. Феррит - это мягкая и деформируемая фаза, а цементит представляет собой интерметаллическое соединение Fe3C.
- Превращение аустенита в перлит. Если сталь нагрета до определенной температуры и затем медленно охлаждается, аустенит превращается в смесь феррита и цементита, образуя структуру, известную как перлит.
Эти фазовые превращения играют важную роль в формировании свойств сталей аустенитных марок и позволяют управлять их механическими и термическими характеристиками в зависимости от конкретных требований.