Мартенситная нержавеющая сталь
Мартенситная нержавеющая сталь — это тип сплава нержавеющей стали , который имеет мартенситную кристаллическую структуру. Его можно закалить и отпустить путем старения и термической обработки. [1] [2] [3] [4] Другими основными типами нержавеющей стали являются аустенитная , ферритная , дуплексная и дисперсионно-твердеющая сталь . [5]
История
[ редактировать ]В 1912 году Гарри Брирли из исследовательской лаборатории Браун-Ферт в Шеффилде, Англия , в поисках коррозионностойкого сплава для стволов орудий обнаружил и впоследствии внедрил в промышленность мартенситный сплав нержавеющей стали. Об открытии было объявлено два года спустя в газетной статье The New York Times в январе 1915 года . [6] Бреар подал заявку на патент США в 1915 году. Позже он был продан под брендом Staybrite компанией Firth Vickers в Англии и использовался для нового входного навеса для отеля Savoy в 1929 году в Лондоне . [7]
Характерная объемно-центрированная тетрагональная микроструктура мартенсита была впервые обнаружена немецким микроскопистом Адольфом Мартенсом около 1890 года. В 1912 году Элвуд Хейнс подал заявку на патент США на мартенситный сплав нержавеющей стали. Этот патент не был выдан до 1919 года. [8]
Обзор
[ редактировать ]Мартенситные нержавеющие стали могут быть высоко- или низкоуглеродистыми, состоящими из железа, от 12% до 17% хрома и углерода от 0,10% (тип 410) до 1,2% (тип 440C): [9]
- При концентрации примерно до 0,4% C они используются в основном из-за своих механических свойств в таких устройствах, как насосы, клапаны и валы.
- При температуре выше 0,4% C они используются в основном из-за своей износостойкости, например, в хирургических лезвиях столовых приборов, пластиковых литьевых формах и насадках.
Они могут содержать некоторое количество Ni (тип 431), что обеспечивает более высокое содержание Cr и/или Mo, тем самым улучшая коррозионную стойкость, а поскольку содержание углерода также ниже, ударная вязкость улучшается. Марка EN 1.4313 (CA6NM) с низким содержанием C, 13% Cr и 4% Ni обеспечивает хорошие механические свойства, хорошую литейность и хорошую свариваемость. Он используется почти во всех гидроэлектрических турбинах в мире, в том числе в огромной плотине «Три ущелья» в Китае.
Добавки B, Co, Nb, Ti улучшают жаропрочные свойства, в частности сопротивление ползучести . Используется в теплообменниках паровых турбин.
Особой маркой является Тип 630 (также называемый 17-4 PH), который является мартенситным и затвердевает в результате осаждения при 475 ° C (887 ° F).
Химические составы
[ редактировать ]| Химический состав (основные легирующие элементы) в мас.% | ||||||||
| В Обозначение стали | В Число | АИСИ Число | ||||||
| Число | С | Кр | Мо | Другие | Примечания | |||
| X12Cr13 | 1.4006 | 410 | 0.12 | 12.5 | — | — | Базовый сорт, используемый в качестве нержавеющей конструкционной стали. | |
| X20Cr13 | 1.4021 | 420 | 0.20 | 13.0 | — | — | Базовый сорт, используемый в качестве нержавеющей конструкционной стали. | |
| X50CrMoV15 | 1.4116 | - | 0.50 | 14.5 | 0.65 | V : 0.15 | Используется в основном для профессиональных ножей. | |
| X14CrMoS17 | 1.4104 | 430F | 0.14 | 16.5 | 0.40 | С : 0,25 | Сера улучшает обрабатываемость | |
| X39CrMo17-1 | 1.4122 | - | 0.40 | 16.5 | 1.10 | — | Используется в основном для профессиональных ножей. | |
| X105CrMo17 | 1.4125 | 440С | 1.10 | 17.0 | 0.60 | — | Марка инструментальной стали (440С), высокая износостойкость. | |
| X17CrNi16-2 | 1.4057 | 431 | 0.17 | 16.0 | — | В : 2.00 | Ni заменяет некоторое количество C для более высокой пластичности и ударной вязкости. | |
| X4CrNiMo16-5-1 | 1.4418 | - | ≤ 0.06 | 16.0 | 1.10 | В: 2.00 | Высочайшая коррозионная стойкость мартенситов | |
| X5CrNiCuNb16-4 | 1.4542 | 630 (17-4PH) | ≤ 0.07 | 16.0 | - | В: 4.00 С : 4.00 Nb : от 5xC до 0,45 | Степень дисперсионного твердения Высокая прочность. Используется в аэрокосмической отрасли | |
Существует множество запатентованных марок, не перечисленных в стандартах, особенно для столовых приборов.
Механические свойства
[ редактировать ]Их можно закалить путем термической обработки (в частности, путем закалки и снятия напряжений или путем закалки и отпуска (так называемого QT). [10] [11] Состав сплава и высокая скорость охлаждения при закалке способствуют образованию мартенсита. Неотпущенный мартенсит имеет низкую вязкость и поэтому хрупок. Отпущенный мартенсит придает стали хорошую твердость и высокую ударную вязкость, как показано ниже; используется в основном для медицинских инструментов (скальпелей, бритв и внутренних зажимов). [12]
| В | Минимальный предел текучести | Предел прочности | Минимальное удлинение, % | Термическая обработка |
|---|---|---|---|---|
| 1.4006 | 450 МПа (65 фунтов на квадратный дюйм) | 650–850 МПа (94–123 фунтов на квадратный дюйм) | 15 | КТ650 |
| 1.4021 | 600 МПа (87 фунтов на квадратный дюйм) | 650–850 МПа (94–123 фунтов на квадратный дюйм) | 12 | КТ800 |
| 1.4122 | 550 МПа (80 фунтов на квадратный дюйм) | 750–950 МПа (109–138 фунтов на квадратный дюйм) | 12 | КТ750 |
| 1.4057 | 700 МПа (100 тысяч фунтов на квадратный дюйм) | 900–1050 МПа (131–152 фунтов на квадратный дюйм) | 12 | КТ900 |
| 1.4418 | 700 МПа (100 тысяч фунтов на квадратный дюйм) | 840–1100 МПа (122–160 фунтов на квадратный дюйм) | 16 | КТ900 |
| 1.4542 | 790 МПа (115 фунтов на квадратный дюйм) | 960–1160 МПа (139–168 фунтов на квадратный дюйм) | 12 | Р960 |
В столбце термообработки QT относится к закалке и отпуску, P относится к дисперсионной закалке.
Физические свойства
[ редактировать ]| Обозначение | В | АИСИ | Модуль Юнга при 20 ° C (68 ° F), средний балл | Средний коэффициент теплового расширения от 20 до 100 °C (от 68 до 212 °F) 10 −6 К −1 . | Теплопроводность при 20 °C Ш*м −1 К −1 | Удельная теплоемкость при 20 °C Дж*кг −1 * К −1 | Электрическое сопротивление 10 −6 Ох *м |
| X12Cr13 | 1.4006 | 410 | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.5 | 30 | 460 | 0.60 |
| X20Cr13 | 1.4021 | 420 | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.5 | 30 | 460 | 0.65 |
| X50CrMoV15 | 1.4116 | 420МОВ | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.5 | 30 | 460 | 0.65 |
| X39CrMo17-1 | 1.4122 | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.4 | 15 | 430 | 0.80 | |
| X105CrMo17 | 1.4125 | 440С | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.4 | 15 | 430 | 0.80 |
| X17CrNi16-2 | 1.4057 | 431 | 215 ГПа (31,2 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.0 | 25 | 460 | 0.70 |
| X3CrNiMo13-4 | 1.4313 | 200 ГПа (29 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.5 | 25 | 430 | 0.60 | |
| X4CrNiMo16-5-1 | 1.4418 | 195 ГПа (28,3 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.3 | 30 | 430 | 0.80 | |
| X5CrNiCuNb16-4 | 1.4542 | 630 | 200 ГПа (29 × 10 6 фунт на квадратный дюйм) | 10.9 | 30 | 500 | 0.71 |
Обработка
[ редактировать ]Когда при изготовлении требуются формуемость, мягкость и т. д., сталь с максимальным содержанием углерода 0,12% часто используется в мягком состоянии. С увеличением содержания углерода путем закалки и отпуска можно получить прочность на разрыв в диапазоне от 600 до 900 МПа (от 87 до 131 фунтов на квадратный дюйм) в сочетании с разумной вязкостью и пластичностью. В таком состоянии эти стали находят множество полезных применений, где требуется умеренная коррозионная стойкость. Кроме того, при более высоком диапазоне содержания углерода в закаленном и легко отпущенном состоянии прочность на разрыв около 1600 МПа (230 фунтов на квадратный дюйм) может достигаться при пониженной пластичности.
Типичным примером мартенситной нержавеющей стали является X46Cr13 .
Мартенситную нержавеющую сталь можно подвергнуть неразрушающему контролю с использованием метода магнитопорошкового контроля , в отличие от аустенитной нержавеющей стали .
Приложения
[ редактировать ]Мартенситные нержавеющие стали, в зависимости от содержания в них углерода, часто используются из-за их коррозионной стойкости и высокой прочности в насосах, клапанах и валах лодок. [4]
Из-за своей износостойкости они также используются в столовых приборах, медицинских инструментах (скальпелях, бритвах и внутренних зажимах), [12] шарикоподшипники, бритвенные лезвия, формы для литья полимеров и тормозные диски для велосипедов и мотоциклов.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Премиальные сплавы нержавеющей стали 17-4» . Проверено 26 ноября 2019 г.
- ^ «Классификация нержавеющей стали» . aws.org . Американское общество сварщиков . Проверено 2 апреля 2019 г.
- ^ Д. Пекнер и И. М. Берштейн (1977). Справочник по нержавеющим сталям . Мак Грау Хилл. стр. Глава 6. ISBN 978-0070491472 .
- ^ Jump up to: а б «Мартенситные нержавеющие стали» . Международный форум по нержавеющей стали. 2018.
- ^ Международная никелевая компания (1974). «Стандартные деформируемые аустенитные нержавеющие стали» . Никелевский институт . Архивировано из оригинала 9 января 2018 г. Проверено 9 января 2018 г.
- ^ «Нержавеющая сталь». Нью-Йорк Таймс . 31 января 1915 г.
- ^ Шеффилд Стил, ISBN 0-7509-2856-5 .
- ^ Родни Карлайл; Научный американец (28 января 2005 г.). Изобретения и открытия Scientific American: все вехи изобретательности – от открытия огня до изобретения микроволновой печи . Джон Уайли и сыновья. п. 380. ИСБН 978-0-471-66024-8 .
- ^ http://metals.about.com/od/properties/a/Steel-Types-And-Properties.htm , http://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=kts&NM=199 .
- ^ Доссетт, Джон Л.; Тоттен, Джордж Э., ред. (2014). Термическая обработка чугуна и стали . АСМ Интернешнл. стр. 382–396. ISBN 978-1-62708-168-9 .
- ^ Будинас, Ричард Г. и Нисбетт, Дж. Кейт (2008). Проект машиностроения Шигли, восьмое издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Высшее образование Макгроу-Хилла. ISBN 978-0-07-312193-2 .
- ^ Jump up to: а б Акхаван Табатабае, Бехнам; и др. (2009). «Влияние остаточного аустенита на механические свойства отливок из низкоуглеродистой мартенситной нержавеющей стали» . ISIJ International . 51 (3): 471–475. doi : 10.2355/isijinternational.51.471 .