Высокотемпературное охрупчивание ферритных нержавеющих сталей

Высокотемпературное охрупчивание (HTE) происходит вследствие металлургических превращений при температурах свыше 0,7 Tпл (температура плавления). Поскольку эта температура существенно выше рекомендуемых температур эксплуатации ферритных нержавеющих сталей, то такое явление имеет место при термомеханической обработке или сварке. Выдержка при указанных температурах может также привести к резкой потере сопротивления к коррозии. На склонность к этому типу охрупчивания влияет прежде всего химический состав, особенно содержание хрома и элементов, образующих растворы внедрения, а также размер зерна, что рассмотрено далее. Низкохромистые и стабилизированные марки сталей не склонны к этому типу охрупчивания.

По поводу влияния химического состава следует заметить, что уровень содержания элементов, образующих твердые растворы внедрения, особенно углерода, азота и кислорода, имеет сильное влияние на высокотемпературное охрупчивание ферритных нержавеющих сталей. При указанных повышенных температурах элементы находятся в твердом растворе ферритной или феррито—аустенитной матрицы. При охлаждении эти элементы образуют мелкодисперсные выделения, обычно карбиды, обогащенные хромом, нитриды или карбонитриды. Выделения могут происходить как по границам зерен, так и внутри них с последующим провоцированием межкристаллитной коррозии и потерей пластических свойств и ударной вязкости. Влияние высокотемпературной выдержки на ударную вязкость среднехромистых сталей, имеющих различное содержание углерода и азота, показано на рис. 5.6. Отметим, что при содержании азота свыше 0,02 % происходит резкое снижение ударной вязкости. Было показано, что увеличенная концентрация азота при постоянном уровне содержания углерода оказывает тот же эффект. Таким образом, критическим является суммарное содержание углерода и азота. Аналогичное явление наблюдалось и в высокохромистых сталях. Авторы работы отмечают сдвиг температуры перехода с вязкого к хрупкому разрушению на образцах Шарпи с V-образным надрезом при температуре свыше 200 °C (390 °F) и увеличении суммарного содержания углерода и азота от 0,02 до 0,06 % в сталях 18Сr—2Мо и 25Сr.

Существует общепринятое мнение, что выделения карбидов, богатых хромом, и нитридов при охлаждении с высоких температур (свыше 0,7 Tпл) существенно способствуют высокотемпературному охрупчиванию. В результате высокотемпературное охрупчивание усиливается высоким содержанием хрома, углерода и азота. Низкохромистые стали относительно нечувствительны к возникновению высокотемпературного охрупчивания. Скорость охлаждения с повышенных температур также влияет на образование высокотемпературного охрупчивания, но при этом сказывается и влияние химического состава. В сталях с низким суммарным содержанием углерода и азота при высокой скорости охлаждения с температур свыше 1000 °C (1830 °F) наблюдается тенденция к снижению хрупкости, благодаря как удержанию углерода и азота в твердом растворе, так и образованию внутризеренных выделений. При низких скоростях охлаждения карбиды и/или нитриды выделяются преимущественно по границам зерен, что в свою очередь приводит к потере пластичности и ударной вязкости.

В высокохромистых сталях с высоким суммарным содержанием углерода и азота порядка 1000*10в-6 (1000 ppm) более высокая скорость охлаждения способствует охрупчиванию и увеличению температуры перехода из вязкого разрушения в хрупкое. При таких уровнях суммарного содержания углерода и азота невозможно подавить выделения при высокой скорости охлаждения, особенно в высокохромистых сталях, поскольку растворимость углерода и азота в стали снижается с ростом концентрации хрома. Легирование такими элементами, как молибден, титан, алюминий и ниобий, также влияет на образование высокотемпературного охрупчивания, хотя слабее по сравнению с влиянием хрома. Титан и ниобий имеют высокое сродство к углероду, они образуют достаточно устойчивые карбиды и таким образом могут снизить влияние охрупчивания на выделения карбидов, богатых хромом, и карбонитридов. Образование нитридов, богатых алюминием, и оксидов также снижает склонность к высокотемпературному охрупчиванию. Наличие таких выделений в микроструктуре сдерживает рост зерна при выдержках при повышенных температурах.

Размер зерна также оказывает влияние. Так как высокотемпературное охрупчивание происходит при выдержках в условиях высоких температур, рост зерна тоже является влияющим на механические свойства фактором, хотя в одиночку он не контролирует охрупчивание. В полностью ферритных сталях (не содержащих аустенита) при температуре выше 1100 °C (2010 °F) рост зерна может быть весьма существенным, особенно в сталях, прошедших холодную обработку. Например, размер зерна 2—3 по стандарту ASTM может наблюдаться в ЗТВ швов при сварке плавлением.

В работе показано совместное влияние размера зерна и содержания примесей внедрения в сталях 25Сr и 18Сr — 2Мо на высокотемпературное охрупчивание. Зависимость ударной вязкости от совместного влияния размера зерна и суммарного содержания углерода и азота показана на рис. 5.7, Следует отметить, что при низком содержании углерода и азота (350*10в-6 (350 ppm)) небольшое увеличение размера зерна дает значительный сдвиг температуры перехода из вязкого в хрупкое состояние, — примерно 26 °C на каждую единицу размера зерна (по стандарту ASTM). По мере увеличения суммарного содержания углерода и азота размер зерна оказывает меньшее влияние (примерно 6 °C на каждую единицу размера зерна по ASTM), поскольку доминирует охрупчивание вследствие образования мелкодисперсных выделений. Таким образом, стали высокой чистоты, по-видимому, должны показывать большее снижение ударной вязкости и пластических свойств в зависимости от роста зерна.

Ниже приводятся основные аспекты высокотемпературного охрупчивания. Охрупчивание в условиях выдержки при повышенных температурах зависит от ряда факторов, таких как микроструктура и химический состав, включая:

1) концентрацию хрома и примесей внедрения;

2) размер зерна;

3) природу и распределение выделений.

Влияние этих факторов на склонность к высокотемпературному охрупчиванию представлено в табл. 5.4. В целом высокий уровень содержания элементов внедрения (углерода, азота и кислорода) наиболее вреден, поэтому большинство коммерческих сталей имеют крайне низкий уровень содержания этих элементов — менее 200*10в-6 (менее 200 ppm), особенно высокохромистые стали. Однако при таких низких концентрациях становится значимым влияние размера зерна, и недолговременная выдержка при повышенных температурах, как например, в процессе сварки, может привести к резкому высокотемпературному охрупчиванию.

Действительный механизм высокотемпературного охрупчивания — предмет дискуссий, связанных с обсуждением мест расположения выделений в микроструктуре. По одной из теорий авторов работ, опасными являются выделения в теле зерна, так как при этом ограничивается движение дислокаций. Подругой теории, охрупчивание происходит по границам зерен, где и имеют место выделения. Поскольку разрушения в данном классе материалов, склонных к высокотемпературному охрупчиванию, распространяются по телу зерна, то создается впечатление, что на образование высокотемпературных разрушений наиболее сильное влияние оказывают внутризеренные выделения. Авторы работы сделали предположение, что выделения по границам зерен могут существенно влиять на зарождение трещин, снижая, таким образом, энергию, необходимую для зарождения межзеренных трещин скалывания. Авторы работ также связывают образование высокотемпературной хрупкости с выделениями по границам зерен. Действительный механизм, возможно, является комбинацией обоих выше отмеченных факторов при более сильном влиянии внутризеренных выделений по мере роста скорости охлаждения. Оба механизма можно использовать для объяснения резкой потери коррозионной стойкости в ферритных нержавеющих сталях при выдержке в условиях повышенных температур.

Устранение высокотемпературного охрупчивания в сталях с высоким содержанием элементов внедрения можно достигнуть нагревом в интервале температур 730—790 °C (1350—1450 °F). Вероятно, такая термическая обработка устраняет излишек выделений и тем самым снижает их вредное влияние на пластические свойства и ударную вязкость. Следует соблюдать осторожность при выполнении такой обработки, так как может образоваться сигма-фаза при длительной выдержке в указанном интервале температур. Стали с низким содержанием элементов внедрения охрупчиваются прежде всего вследствие роста зерна при высокой температуре, и в этом случае термическая обработка обеспечивает незначительный эффект.