Особенности фазового состояния хромистых сталей
Нефтеперерабатывающая промышленность является одним из основных потребителей хромистых сталей. В ней используются конструкционные и теплостойкие стали, легированные хромом и другими элементами, в которых содержание хрома от 1 до 5%, а также хромистые коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные стали с содержанием хрома от 9 до 27%. Стали с содержанием хрома до 5% по своей коррозионной стойкости практически не отличаются от конструкционных и в настоящем разделе рассматриваться не будут.
Особенности поведения различных хромистых сталей зависят, в первую очередь, от их химического состава и главным образом от содержания хрома и углерода. Состав стали определяет структуру и состояние фазовых составляющих, состав и защитные свойства поверхностных слоев, а следовательно, и эксплуатационные свойства хромистых сталей.
На рис. 5.13 приведена структурная диаграмма сплавов Fe—Cr—С, позволяющая получить представление о структуре разных марок сталей.
При содержании хрома 5—9% хромистые стали проявляют коррозионную стойкость более высокую, чем конструкционные, но она значительно ниже, чем у коррозионно-стойких материалов. Содержание углерода в этих сталях 0,12—0,15%. В качестве легирующих элементов в них могут присутствовать молибден, ванадий, вольфрам, титан и ниобий. При повышенных температурах (выше температуры фазового перехода) эти стали находятся в аустенитном состоянии. При охлаждении наблюдается распад аустенита. В зависимости от условий распада (температуры и скорости охлаждения) можно получить ту или иную неравновесную структуру. Ею может быть мартенсит, обладающий не только высокой прочностью, но и высокой хрупкостью, или менее прочный и менее хрупкий бейнит. Возможно образование более или менее равновесной феррито-перлитной или перлито-карбидной (в зависимости от содержания в стали углерода) смеси. Таким образом, используя термическую обработку стали, можно регулировать ее механические свойства, добиваясь при повышенной коррозионной стойкости высокой прочности. Применение материалов с повышенной прочностью позволяет снизить металлоемкость сооружения. Однако следует помнить, что структура, обеспечивающая высокую прочность (мартенсит), обладает и повышенной хрупкостью, а значит, и пониженной стойкостью к коррозионному растрескиванию.
Стали с 12—14% хрома относятся к коррозионно-стойким. В случае, если содержание углерода в них повышенно (0,2% и более), они также относятся к сталям мартенситного класса. Их тоже можно подвергать термической обработке. Механические свойства и стойкость их к коррозионному растрескиванию сильно зависят не только от содержания хрома и углерода, но и от типа термической обработки.
В сталях с 12—14% хрома, содержащих до 0,15% углерода, при нагреве наряду с аустенитной появляется ферритная фаза типа 5-феррита. Эта составляющая способствует повышению вязкости стали, 5-феррит не может претерпевать фазового превращения при нагреве и охлаждении. При охлаждении с повышенной температуры превращению с образованием неравновесных структур, обладающих повышенной прочностью, подвергается только у-фаза. Поэтому стали с 12—14% хрома являются частично термически обрабатываемыми за счет способности одной из фаз к переходу у<—>а при нагреве и охлаждении. Однако при термической обработке таких сталей следует иметь в виду, что при нагреве ферритная составляющая способна к коагуляции и росту ферритных зерен. Это сопровождается повышением хрупкости металла. Правда, в сталях двухфазных (12—14% хрома) неблагоприятному явлению роста зерна феррита препятствует вторая фаза.
Стали с более высоким содержанием хрома являются практически полностью однофазными (ферритными). Применение термической обработки для них может только ухудшить их механические свойства и снизить стойкость к коррозионному растрескиванию: ферритная фаза не подлежит фазовому превращению при нагреве и охлаждении, и термическая обработка не может повысить прочность. Нагрев может вызвать лишь рост ферритного зерна и соответствующее увеличение хрупкости материала. В связи с этим горячая деформация этих сталей является нежелательной операцией. Возможна деформация при умеренных нагревах, не приводящих к существенному росту ферритного зерна.
Эксплуатация ферритных хромистых сталей в области температур 370—550°С сопряжено с развитием у них так называемой 475°-й хрупкости, которая сопровождается резким снижением вязкости и коррозионной стойкости этих сталей, особенно к межкристаллитной коррозии. Несмотря на большое количество исследований этого явления, природа его до конца не выявлена. Часто его связывают с выделением интерметаллидов, так называемой е-фазы, у ферритных сталей в указанной области температур. Легирование стали небольшими количествами титана, ниобия, кремния, молибдена, алюминия ускоряет развитие 475°-й хрупкости. Нагрев стали на температуру 650—780°С и быстрое охлаждение снимают развившуюся хрупкость, но не исключают ее повторного появления.
При сварке хромистых сталей необходимо считаться с возможным сильным ростом зерна в околошовной зоне и с повышением хрупкости этого участка сварного соединения. Поскольку для металла шва характерны те же закономерности, что и для свариваемой стали, необходимо предотвратить рост зерна в металле самого шва.
При сварке сталей с содержанием хрома 5—8% можно применять присадочные материалы, дающие металл шва того же состава, что и свариваемая сталь. По указанным выше причинам такие сварные соединения можно подвергать термической обработке. Это может быть высокий отпуск или отжиг для повышения вязкости и пластичности металла сварного соединения.
Стали с 12—14% хрома в связи со склонностью к сильному росту ферритного зерна сваривают двумя типами присадочных материалов, во-первых, материалами, близкими по составу к свариваемой стали, но содержащими повышенное количество титана или ниобия или, реже, алюминия. Эти элементы дают в шве большое количество мелких соединений — оксидов или интерметаллидов, препятствующих росту зерна. Второй тип материалов — хромоникелевые аустенитные. Швы, сваренные на этих сталях, не подвергаются термической обработке. Исключение составляет низкий отпуск, применяемый для снятия сварочных напряжений.
Ферритные стали с содержанием хрома более 17% сваривают только аустенитными хромоникелевыми присадочными материалами без термической обработки.