Физические свойства нержавеющей стали

Подписаться на наши статьи

Когда в легированную сталь добавляют специальные элементы, то у нее формируются уникальные физические и механические особенности. Легирующие компоненты, например, никель, титан и другие, повышают прочность, коррозионную устойчивость, уменьшают опасность разрушения материала. Если к обычной стали добавить хром, то можно создать прочный коррозионно-стойкий материал, который и называют нержавеющей сталью. Коррозионная стойкость нержавеющей стали обусловлена тем, что на изделии, содержащем хром и функционирующем в агрессивных средах, образуется сверху небольшая оксидная пленка. Она создает стабильность материала при действии химических элементов.

В нержавеющую сталь кроме хрома, добавляют химические компоненты, соответственные составу, к примеру, железо, кремний, магний, углерод и фосфор. Существуют также включения, которые обеспечивают необходимые свойства: никель, молибден и прочие. При увеличении количества хрома в составе, стойкость металла к разрушению усиливается вне зависимости от условий окружающей среды. Все добавки улучшают или ухудшают специфические свойства. Например, углерод, содержащийся во всех металлах, соединяет хром в частицы карбидов, тем самым удаляя его из металла, и как следствие, нержавеющая сталь теряет свою специфику. Для того, чтобы этого избежать, в сплав добавляют большое количество хрома: когда содержание 0.16–0.21% углерода в сплаве должно быть увеличено количество хрома до 14-15%. Благодаря количественному содержанию легирующих веществ нержавеющие стали делят на группы:

• хромистые (содержат 13-30% хрома);
• хромоникелевые (12% никеля);
• хромомарганцевоникелевые;
• хромоникельмолибденовые и другие.

Обозначения нержавеющей стали

В кодировании легированной стали по ГОСТ, в отличие от нелегированной, используются буквы и цифры. Начальное число показывает, сколько в сотых долях содержится в сплаве углерода. Последующие цифры — это процентное количество легирующего элемента. Если цифровое значение отсутствует, то химического элемента содержится до полутора процентов. Например, сталь 08Х17Н13 содержит 0,08 процента углерода, Cr −17%, Ni −13%. В мировой системе стандартов AISI нержавеющая сталь имеет четырехзначное обозначение. Первые цифры называют группу стали, а вторые показывают содержание углерода в процентном соотношении. Аналог стандартной стали 08Х18Н10 в AISI кодируется как 304, а материал 03Х18Н11— 304L.

Нержавеющую сталь изготавливают в виде металлического листа: горячекатаный и холоднокатаный, кованый, калиброванный и профилированный со специальной отделкой в виде листового металлопроката (рулоны и листы). Листовую нержавейку применяют для создания металлоконструкций, труб, бытовой техники, химического оборудования, тары для хранения продукции, транспортировки продукции и многих других предметов, которыми пользуются в водной среде.

Характеристики и использование стали AISI 316/316L (по ГОСТ — 08Х17Н13М2/ 03Х17Н13М2)

Сплав 316 представляет собой нержавеющий металл, принадлежащий к хромоникельмолибденовым сталям. Нержавейка улучшена путем добавления молибдена на 2,5% и повышения содержания никеля. Благодаря этому данный материал надежно защищен от питтинговой и щелевой ржавчины в жидкостях, содержащих хлориды. Сталь 316 характеризуется повышенной прочностью и устойчивостью к образованию коррозии при отрицательных температурах и ползучестью — при высоких. При температурах +425. +820 °C нержавейка подвергается межкристаллической коррозии. Причина такого явления состоит в том, что карбиды хрома осаждаются на границах зерен, а содержащийся углерод вызывает сенсибилизацию в зонах термического влияния и сварных швах. В процессе сварки появляются еще и напряжения от перемены высокотемпературного цикла, что ведет к возникновению коррозионного растрескивания (крекинговой коррозии).

Оптимальным выбором для сварочных работ будет сталь 316L с меньшим содержанием углерода, что дает промежуток времени на осаждение карбидов хрома, не останавливая реакцию при данных температурах. При общей коррозии в воздушных и прочих умеренных условиях сталь 316/316L наиболее устойчива из всех видов нержавейки. Только нужно помнить, что азотная кислота — это интенсивный окислитель для молибдена, что является ограничением для применения этой марки стали. Для серной кислотной среды сталь 316 — самая выносливая из всех хромоникелевых. Молибден, содержащийся в ней, гарантирует сопротивление окислению в различных средах: фосфорной и органической кислотах. Поэтому он широко применяется при разработке фармацевтических товаров, в химической промышленности и в производствах с агрессивными окислительными условиями: морской водой, хлористой средой, парами уксусной кислоты. Таким образом, нержавеющая сталь наделена уникальными физическими свойствами, что делает ее востребованной во всех сферах и условиях производства.

Когда в легированную сталь добавляют специальные элементы, то у нее формируются уникальные физические и механические особенности. Легирующие компоненты, например, никель, титан и другие, повышают прочность, коррозионную устойчивость, уменьшают опасность разрушения материала. Если к обычной стали добавить хром, то можно создать прочный коррозионно-стойкий материал, который и называют нержавеющей сталью. Коррозионная стойкость нержавеющей стали обусловлена тем, что на изделии, содержащем хром и функционирующем в агрессивных средах, образуется сверху небольшая оксидная пленка. Она создает стабильность материала при действии химических элементов.

В нержавеющую сталь кроме хрома, добавляют химические компоненты, соответственные составу, к примеру, железо, кремний, магний, углерод и фосфор. Существуют также включения, которые обеспечивают необходимые свойства: никель, молибден и прочие. При увеличении количества хрома в составе, стойкость металла к разрушению усиливается вне зависимости от условий окружающей среды. Все добавки улучшают или ухудшают специфические свойства. Например, углерод, содержащийся во всех металлах, соединяет хром в частицы карбидов, тем самым удаляя его из металла, и как следствие, нержавеющая сталь теряет свою специфику. Для того, чтобы этого избежать, в сплав добавляют большое количество хрома: когда содержание 0.16–0.21% углерода в сплаве должно быть увеличено количество хрома до 14-15%. Благодаря количественному содержанию легирующих веществ нержавеющие стали делят на группы:

• хромистые (содержат 13-30% хрома);
• хромоникелевые (12% никеля);
• хромомарганцевоникелевые;
• хромоникельмолибденовые и другие.

Обозначения нержавеющей стали

В кодировании легированной стали по ГОСТ, в отличие от нелегированной, используются буквы и цифры. Начальное число показывает, сколько в сотых долях содержится в сплаве углерода. Последующие цифры — это процентное количество легирующего элемента. Если цифровое значение отсутствует, то химического элемента содержится до полутора процентов. Например, сталь 08Х17Н13 содержит 0,08 процента углерода, Cr −17%, Ni −13%. В мировой системе стандартов AISI нержавеющая сталь имеет четырехзначное обозначение. Первые цифры называют группу стали, а вторые показывают содержание углерода в процентном соотношении. Аналог стандартной стали 08Х18Н10 в AISI кодируется как 304, а материал 03Х18Н11— 304L.

Нержавеющую сталь изготавливают в виде металлического листа: горячекатаный и холоднокатаный, кованый, калиброванный и профилированный со специальной отделкой в виде листового металлопроката (рулоны и листы). Листовую нержавейку применяют для создания металлоконструкций, труб, бытовой техники, химического оборудования, тары для хранения продукции, транспортировки продукции и многих других предметов, которыми пользуются в водной среде.

Характеристики и использование стали AISI 316/316L (по ГОСТ — 08Х17Н13М2/ 03Х17Н13М2)

Сплав 316 представляет собой нержавеющий металл, принадлежащий к хромоникельмолибденовым сталям. Нержавейка улучшена путем добавления молибдена на 2,5% и повышения содержания никеля. Благодаря этому данный материал надежно защищен от питтинговой и щелевой ржавчины в жидкостях, содержащих хлориды. Сталь 316 характеризуется повышенной прочностью и устойчивостью к образованию коррозии при отрицательных температурах и ползучестью — при высоких. При температурах +425. +820 °C нержавейка подвергается межкристаллической коррозии. Причина такого явления состоит в том, что карбиды хрома осаждаются на границах зерен, а содержащийся углерод вызывает сенсибилизацию в зонах термического влияния и сварных швах. В процессе сварки появляются еще и напряжения от перемены высокотемпературного цикла, что ведет к возникновению коррозионного растрескивания (крекинговой коррозии).

Оптимальным выбором для сварочных работ будет сталь 316L с меньшим содержанием углерода, что дает промежуток времени на осаждение карбидов хрома, не останавливая реакцию при данных температурах. При общей коррозии в воздушных и прочих умеренных условиях сталь 316/316L наиболее устойчива из всех видов нержавейки. Только нужно помнить, что азотная кислота — это интенсивный окислитель для молибдена, что является ограничением для применения этой марки стали. Для серной кислотной среды сталь 316 — самая выносливая из всех хромоникелевых. Молибден, содержащийся в ней, гарантирует сопротивление окислению в различных средах: фосфорной и органической кислотах. Поэтому он широко применяется при разработке фармацевтических товаров, в химической промышленности и в производствах с агрессивными окислительными условиями: морской водой, хлористой средой, парами уксусной кислоты. Таким образом, нержавеющая сталь наделена уникальными физическими свойствами, что делает ее востребованной во всех сферах и условиях производства.

Видео по теме

Нержавеющая сталь

• Общие сведения о нержавеющей стали
• Виды и свойства нержавеющей стали
• Химический состав нержавеющей стали и соответствие стандартов
• Технические характеристики аустенитной нержавеющей стали
• Электрохимическая и щелевая коррозия
• Практическое использование крепежа на судне
• Нержавейка в производстве ножей
• Измерение химического состава нержавеющей стали ручным прибором

К нержавеющим сталям относят группу коррозионностойких сталей с содержанием минимум 10.5 % хрома и низким содержанием углерода. Для примера приведем простую таблицу различных сплавов с железом.

Чугун	Fe + C > 2%
Углеродистая сталь	Fe + C 5%
Нержавеющая сталь	Fe + C 10.5%

Кроме Хрома как "основной нержавеющей составляющей" в составе нержавеющей стали могут присутствовать Никель, Молибден, Титан, Ниобий, Сера, Фосфор и другие легирующие элементы определяющие свойства стали.

Обозначения нержавеющих сталей:
С1 — Мартенситная сталь
F1 — Ферритная сталь
A1, A2, A3, A4, A5 — Аустенитные нержавеющие стали

Ниже указана более полная таблица наиболее распространенных видов нержавеющих сталей и их соответствие различным стандартам. Первая цифра химического состава обозначает содержание углерода / 100, далее — основные легирующие добавки и их процентное содержание, например:

Наиболее распространенная группа нержавейки A2 = X 5 CrNi 18 10 = углерод-0,05% хром-18% никель-10% = EN обозначение 1.4301 = AISI 304. Необходимо обратить внимание на цифры 18 и 10 в обозначении. В быту, на нержавеющей посуде, часто встречается обозначение 18/10 — это, ни что иное, как сокращенное обозначение нержавейки с процентным содержанием хрома 18% и никеля 10%. Гораздо интереснее другие добавки. Вот их производители умалчивают — это и составляет их коммерческий "секрет" и стоимость дорогостоящих брендов. В таблице ниже указаны виды нержавейки с различным содержанием элементов. Какая достанется вам — покажет только спектрограф. Бытовых способов узнать химсостав, к сожалению, пока не придумали. Вот один из профессиональных примеров проверки химического состава посуды. Кстати, магнитится она или нет — вообще не показатель. Нержавейка может быть магнитной.

Вторая по распространенности группа нержавейки A4 = X 5 CrNiMo 17 12 2 = углерод-0,05% хром-17% никель-12% молибден-2% = EN обозначение 1.4401 = AISI 316. Ее иногда называют "кислотостойкой" или "молибденкой" по понятным причинам.

Руководствуясь таблицей можно найти соответствия часто встречающихся обозначений нержавеющего крепежа наряду с материалом A2 и A4, например:

DIN 7 A1 = Штифт цилиндрический X 10 CrNi S 18 9 — AISI 303 — A1
DIN 125 1.4541 = Шайба плоская DIN 125 материал X 6 CrNiTi 18 10 — AISI 321 — A3
DIN 2093 1.4310 = Диск пружинный тарельчатый X 12 CrNi 17 7 — AISI 301
DIN 127 1.4571 = Шайба гровер пружинная X 6 CrNiMoTi 17 12 2 — AISI 316Ti — A5
DIN 471 1.4122 = Кольцо стопорное наружное X 39 CrMo 17 1
DIN 472 1.4310 = Кольцо стопорное внутреннее X 12 CrNi 17 7 — AISI 301

DIN 934 A2 = Гайка шестигранная X 5 CrNi 18 10 — 1.4301 — AISI 304
DIN 933 A4 = Болт с шестигранной головкой X 5 CrNiMo 17 12 2 — 1.4401 — AISI 316

Также видно, что нержавейка 316L отличается от 316 более низким содержанием углерода.

Сегодня все большей популярностью пользуются легированные сплавы, особенно с добавлением хрома, который входит в состав нержавеющей стали, обладающей высокими антикоррозийными свойствами. Мы рассмотрим, какие бывают классы нержавейки.

1 Рассмотрим особенности коррозиеустойчивых сплавов

Стали с различными добавками, улучшающими физические свойства, называются легированными. К ним относятся и нержавеющая сталь, в состав которой обычно входит хром, как основной элемент, отвечающий за сопротивление коррозии. Для этой же цели используются в некоторых случаях никель, ванадий, марганец, медь и даже связанный азот. В гораздо меньшем процентном соотношении добавляются другие элементы, улучшающие качества металла: ниобий, кобальт и молибден, иногда – титан. И, конечно, не обойтись без вечных спутников железа – углерода, серы, фосфора, кремния. К слову, чем меньше их процентная доля в сплаве, тем выше качество стали.

Нержавеющий сплав образуется в том случае, если химический состав имеет включение более 13 % хрома. Если же этот элемент добавить в количестве свыше 17 % от общего соединения компонентов, то сталь будет устойчива к коррозии даже в предельно агрессивных средах. Различают 3 типа нержавейки, которые определяются физическими свойствами. Так, обычный сплав называют просто коррозиестойким, он применяется в быту, а также повсеместно на производстве, где нет необходимости высокой степени защиты металла от агрессивных сред. Второй тип – жаростойкий, у него устойчивость к коррозии сохраняется при крайне высоких температурах. И, наконец, жаропрочный, у которого, как можно понять из названия, в той же агрессивной среде остается неизменной прочность, но коррозия нержавеющей стали у марок этого типа вполне возможна.

Итак, две основные группы нержавеющих сплавов – хромистые и хромоникелевые. Та и другая включают в себя несколько структурных классов. В первую входят мартенситные и ферритные стали, а также еще одна, являющаяся промежуточной и объединяющая в себе некоторые химические показатели двух первых – это мартенситно-ферритный сплав. Во второй группе насчитывается 4 класса: аустенитные, а также переходные аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и аустенитно-карбидные. Существует также группа хромомарганцевоникелевых сталей, которые, в целом, схожи по своей структуре с хромоникелевыми. Рассмотрим более подробно все вышеуказанные типы и классы.

2 Типы нержавеющих сплавов и их свойства

Как уже было сказано, коррозийную стойкость железо приобретает при добавлении в его расплав другого металла, как правило, благородного или любого цветного. При этом, в зависимости от химического состава сплава, сталь может получить свойства одного из 3 типов нержавейки. Самый простой структурой обладают обычные коррозиестойкие марки, такие как 08X13 и 12X13. Они пластичны и могут быть использованы как в быту в виде различных изделий, так и в промышленности, там, где от деталей и узлов требуется устойчивость к ударным нагрузкам. Как ясно из маркировки, содержание хрома в этих сплавах составляет 13 %. Первые же 2 цифры – это количество углерода, исчисляющееся в сотой доле процента.

Следующие 2 типа относятся к сплавам, которые должны сохранять коррозиестойкость при воздействии высоких температур. В жаростойких сталях добавление хрома (или кремния) в количестве от 28 % и более обеспечивает снижение интенсивности окисления вплоть до полного его прекращения даже при сильном нагреве. Иными словами, окалина практически не возникает по той причине, что на поверхности уже имеется оксидная пленка. В той же степени хром может изменить структуру сплава при выработке жаропрочных марок сталей, которые обладают высокой степенью прочности под большой нагрузкой в процессе сильного и длительного нагрева.

3 Химические свойства хромистых коррозиестойких сталей

Следует отметить, что железо, которое является основой любой стали, имеет несколько состояний, совпадающих с фазами активности и покоя кристаллической решетки, которые зависят от степени коррозийной стойкости. Чем она выше, тем более пассивным считается металл. Наиболее распространенными считаются сплавы с образующейся при закалке мартенситной структурой, обладающие достаточно высокой пластичностью. Согласно химическим характеристикам, это железо в α-фазе (чистый металл), содержащее насыщенный твердый раствор углерода. К таковым относятся пищевая и быстрорежущая нержавейка, из которой изготавливают изделия для использования в быту на кухне, например, всевозможные емкости и ножи. Мартенситные стали способны выдержать контакт со слабоагрессивными химическими веществами.

Другой тип – ферритные сплавы с достаточно высоким магнитным показателем. Разница у них по большей части в форме кристаллической решетки, она имеет кубическую структуру, в отличие от тетрагональной мартенситной. В целом же это средненасыщенный твердый раствор углерода в α-железе с добавлением легирующих элементов, таких как хром. Примечательно, что такие сплавы не подвергаются изменениям при нагреве до предельно возможных температур и не теряют свои свойства. Чаще всего таким изделиям находят применение в пищевой промышленности или для изготовления инструментов. Мартенситно-ферритные сплавы имеют свойства обоих перечисленных типов, то есть они механически устойчивы, обладают высокой прочностью и имеют магнитный потенциал. Но устойчивость к окислительной среде у таких сталей не очень высока, намного ниже, чем у обычных ферритных сплавов.

4 Отличительные черты аустенитных сплавов

В первую очередь рассмотрим аустенитные структуры сталей, которые определяются, как γ-железо (высокотемпературное изменение кристаллической решетки металла) в виде твердого раствора с углеродом. Проще говоря, такие сплавы могут подвергаться межкристаллической коррозии даже при высоком содержании хрома, если не имеют включения дополнительных элементов, таких как титан или ниобий. Во избежание их обязательно подвергают термообработке. В остальном это очень пластичные, прочные и технологичные стали, содержащие, помимо хрома еще и никель, которые относят к разряду конструкционных. Также из этих сплавов изготавливают инструменты, а вот в пищевой промышленности, равно как и для изготовления кухонной утвари, марки данного класса непригодны, поскольку никель весьма аллергенный.

Межкристаллической коррозией называют внутреннее окисление металла, проходящее по границам отдельных зерен стали. По этой причине разрушение изделия остается незаметным, при сохранении характерного блеска узнать о коррозии можно только по звуку при ударах

Что примечательно, каким бы ни был химический состав аустенитных сплавов, они всегда немагнитные. Но при любой холодной деформации, например, под воздействием механических воздействий, они начинают приобретать небольшой магнитный потенциал. Это происходит по той причине, что при нарушении кристаллической решетки аустенит на некоторых участках превращается в феррит. Прочность таких сплавов достигается путем предельного уменьшения содержания углерода, впрочем, до определенного порога – не ниже 0,04 %, по причине присутствия в растворе никеля. В таких условиях легко образуются карбиды, то есть химическое соединение хрома с углеродом. Иногда в сплав добавляют связанный азот, благодаря которому возникают карбнитриды, также повышающие прочность стали. Примером может послужить марка нержавейки Х17АГ14.

Промежуточные сплавы имеют несколько иные характеристики, в частности, аустенитно-мартенситные. Они имеют более низкую коррозиестойкость, чем просто аустенитные структуры, но намного прочнее. При этом данный класс довольно тяжело поддается термообработке, вернее, воздействие на него высокими температурами связано с некоторыми сложностями. Зачастую такие сплавы со свойствами мартенситов требуют не только закалки, но также обработки холодом с последующим отпуском металла. Однако при такой технологии прочность нержавейки переходного класса повышается в несколько раз. В производстве элементов для тяжелых несущих конструкций стали, вроде марок 09X15Н8Ю или 20Х13Н4Г9, не используются, их применяют только для изготовления легких конструкций.

Особенность аустенитно-ферритных сплавов заключается в том, что они содержат сравнительно небольшое количество никеля в сравнении с другими промежуточными классами. За счет этого такие стали, как 12Х21Н5Т или 08Х22Н6Т, имеют гораздо лучшую свариваемость, швы при соединении металлопроката из них получаются очень качественные и прочные на деформацию. Обеспечивается это влиянием ферритной структуры, обеспечиваемой элементами Сr, Ti, Mo или Si. Однако следует отметить, что по той же причине, то есть из наличия ферритообразующих включений, в значительной степени ухудшается жаропрочность, равно как и пластичность. Высокой остается только механическая прочность.

В марках сталей обычно присутствуют буквы кириллицы, они тождественны латинским обозначениям, в частности Ю означает "ювенал" – алюминий, причем так он маркируется только в сталях. Другие элементы могут означаться также не по первым буквам, например кремний – С, от силициума, а марганец – Г, поскольку эта буква имеется в середине слова.