Типы нержавеющей стали: Аустенит vs Мартенсит vs Феррит

Нержавеющая сталь - популярный металлический материал, который широко используется в Прототипирование с ЧПУ. Она бывает разных типов: аустенитная, мартенситная, ферритная и другие. Каждый из них обеспечивает уникальные свойства, такие как коррозионная стойкость и высокая прочность. Понимание их сущности и различий имеет решающее значение для выбора подходящего типа для различных применений.

Микроструктура стали

Железо является основополагающим элементом стали. В твердом состоянии железо имеет две кристаллические структуры. Одна из них - телесно-центрированная кубическая (ТЦК) структура, которая существует в двух температурных диапазонах. Ее называют α-железом при температуре ниже 912 °C и δ-Fe при температуре выше 1394 °C. Другая - гранецентрированная кубическая (FCC) структура, которая существует в диапазоне от 912 °C до 1394 °C и называется γ-Fe.

Углерод является еще одним основным элементом в стали и играет решающую роль в ее микроструктуре и свойствах. Как правило, с увеличением содержания углерода прочность стали возрастает, а пластичность снижается. Углерод в основном присутствует в стали в двух формах: одна из них растворена в железе, образуя твердый раствор, а другая представляет собой карбид железа, известный как цементит (FE3C), который является твердым и хрупким.

Когда углерод растворяется в δ-Fe, его называют ферритом, и он сохраняет телесно-центрированную кубическую структуру. Когда углерод растворяется в γ-Fe, это называется аустенитом, и он сохраняет гранецентрированную кубическую структуру.

Что такое аустенитная нержавеющая сталь?

При комнатной температуре аустенит не существует самостоятельно, и область аустенитной фазы невелика. Однако при добавлении в сталь определенных металлических элементов область аустенитной фазы может быть расширена, что делает аустенит стабильным при комнатной температуре и формирует аустенитную легированную сталь.

Аустенитная нержавеющая сталь - это сплав, образующийся при добавлении к углеродистой стали хрома 17%-25% и никеля 8%-25%. Теперь давайте разберемся, что такое нержавеющая сталь. Нержавеющая сталь - это тип стали, которая приобретает свою коррозионную стойкость благодаря добавлению элементов, при этом типичной характеристикой является содержание хрома не менее 10,5%. Аустенитные стальные сплавы относятся к категории нержавеющей стали.

Почему аустенитная нержавеющая сталь устойчива к коррозии? Добавление никеля позволяет стали иметь аустенитную структуру при комнатной температуре, что уменьшает количество коррозионных ячеек, образующихся из-за различий в микроструктуре, и повышает коррозионную стойкость. Добавление хрома образует плотный слой оксида хрома на поверхности стали, делая ее менее восприимчивой к ржавчине. Типичным примером аустенитной стали SUS является нержавеющая сталь 18-8, который представляет собой сплав, содержащий не менее 18% хрома и не менее 8% никеля.

На карте ниже показаны марки аустенитной нержавеющей стали.

Свойства аустенитной нержавеющей стали

Немагнитность. Аустенитная нержавеющая сталь немагнитна при комнатной температуре, что делает ее пригодной для применения в условиях сильных магнитных помех.

Отличная коррозионная стойкость. Аустенитная нержавеющая сталь обладает полным набором свойств, в частности, исключительной устойчивостью к окислительным кислотам. Она может противостоять коррозии от серной, фосфорной, муравьиной, уксусной кислот и мочевины.

Хорошая свариваемость. Высокое содержание никеля в аустенитной нержавеющей стали способствует стабильности и пластичности при сварке. Никель помогает предотвратить образование хрупких фаз и повышает способность материала воспринимать напряжения теплового расширения без образования трещин.

Что такое мартенситная нержавеющая сталь?

Мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. Когда сталь нагревают до определенной температуры для образования аустенита, а затем быстро закаливают, образуется очень твердая кристаллическая микроструктура, известная как мартенсит. Превращение начинается, когда аустенит достигает температуры начала мартенситного превращения (Ms), и продолжается до тех пор, пока не опустится ниже температуры превращения (Mt). Как правило, чем выше процент превращения в мартенсит, тем выше прочность получаемой мартенситной стали.

Мартенситная нержавеющая сталь имеет тетрагонально-центрированную (BCT) кристаллическую структуру. Ее основным компонентом является хром (10,5%-18%), но этот тип нержавеющей стали содержит большее количество углерода, и ее механические свойства можно регулировать с помощью процессов термообработки, таких как закалка и отпуск. Мартенситная нержавеющая сталь подразделяется на низкоуглеродистую мартенситную сталь (0,05-0,25% углерода) и высокоуглеродистую мартенситную сталь (0,61-1,20% углерода). Низкоуглеродистая мартенситная сталь обладает лучшей коррозионной стойкостью, в то время как высокоуглеродистая мартенситная сталь имеет большую прочность, но более хрупкая.

На следующей карте показаны основные марки мартенситной нержавеющей стали.

Свойства мартенситной нержавеющей стали

Магниты. Многие виды мартенситной стали являются магнитными. Это связано с содержанием железа, которое придает кристаллической молекулярной структуре магнитные свойства. Хотя магнетизм облегчает классификацию металла, он усложняет сварку и другие производственные процессы. Мартенситная сталь остается магнитной как в отожженном, так и в закаленном состоянии.

Высокая прочность. Твердость в первую очередь зависит от содержания углерода в мартенсите. С увеличением содержания углерода растет и твердость, достигая почти максимальных значений после закалки, когда содержание углерода составляет около 0,6%.

Низкая коррозионная стойкость. Это связано с тем, что мартенситная нержавеющая сталь содержит меньшее количество хрома и никеля. Несмотря на то, что мартенситная нержавеющая сталь обладает коррозионной стойкостью, она менее устойчива в суровых условиях, чем ее аустенитный аналог.

Регулируется с помощью термической обработки. Закалка позволяет увеличить твердость, а отпуск снижает хрупкость и повышает вязкость. Контролируя температуру и продолжительность термообработки, производители могут регулировать прочность, твердость и вязкость стали.

Что такое ферритная нержавеющая сталь

Когда углерод растворяется в δ-Fe, его называют ферритом. Он имеет телесно-центрированную кубическую структуру. Растворимость углерода в нем очень низкая, всего 0,0008% при комнатной температуре, а максимальная растворимость углерода составляет 0,02% при температуре 727 °C.

Ферритная нержавеющая сталь имеет кубическую структуру с телесным центром (BCC). В ней высокое содержание хрома, от 11% до 27%, но мало или совсем нет никеля и низкое содержание углерода (около 0,03%).

На следующей карте показаны основные марки сплавов ферритной нержавеющей стали.

Свойства ферритной нержавеющей стали

Магнитный. Среди композитных сплавов хром (Cr) является компонентом, который делает нержавеющую сталь магнитной. Напротив, никель (Ni) препятствует возникновению этого магнетизма. Ферритная нержавеющая сталь содержит хром в качестве основного компонента сплава и не содержит никеля, поэтому она магнитна.

Хорошая коррозионная стойкость. Ферритная нержавеющая сталь содержит большое количество хрома, который может образовывать на поверхности защитный оксидный слой, предотвращающий коррозию. Однако ее коррозионная стойкость не так высока, как у аустенитной нержавеющей стали. Поскольку ферритная сталь имеет кубоцентрированную структуру (BCC), ее способность противостоять коррозии немного выше, чем FCC-структура аустенитной стали.

Плохая свариваемость. Ферритные нержавеющие стали обладают более высокой теплопроводностью. Это означает, что они более эффективно рассеивают тепло, и поддержание необходимого для сварки нагрева может оказаться сложной задачей. Кроме того, ферритные нержавеющие стали обладают пониженной пластичностью при низких температурах, а процесс сварки включает локальный нагрев и охлаждение. Такие температурные колебания могут привести к охрупчиванию сварного соединения и снижению прочности.

Сравнение: Аустенит vs Мартенсит vs Феррит

Наконец, давайте воспользуемся таблицей, чтобы показать различия между ферритной, мартенситной и аустенитной нержавеющей сталью.