Аустенитная сталь: что это, марки, свойства и применение

Что такое аустенит и что его удерживает

Аустенит — твёрдый раствор углерода и легирующих элементов в γ-железе. Его кристаллическая решётка гранецентрированная кубическая (ГЦК): атомы стоят в вершинах куба и в центрах граней. У феррита решётка объёмно-центрированная (ОЦК), у мартенсита — искажённая объёмно-центрированная. Сравнение всех классов нержавейки — в статье виды нержавеющей стали, здесь разбираем только аустенитный.

В чистом железе аустенит существует лишь при 912–1394 °C: ниже 912 °C решётка перестраивается в ОЦК. Легирование сдвигает это превращение ниже комнатной температуры, и сталь остаётся аустенитной после охлаждения. ГОСТ 5632-2014 относит к аустенитному классу «стали, имеющие структуру устойчивого аустенита». Класс оценивают по образцам, охлаждённым на воздухе после нагрева выше 900 °C, поэтому стандарт называет деление условным: отклонения структуры браковочным признаком не считаются.

Легирующие элементы работают в две стороны. Никель, марганец, азот, углерод и медь расширяют область аустенита. Хром, молибден, кремний, титан и ниобий тянут структуру к ферриту. Баланс оценивают по диаграмме Шеффлера через эквиваленты: Ni_экв = Ni + 30·C + 0,5·Mn и Cr_экв = Cr + Mo + 1,5·Si + 0,5·Nb. В диаграмме Делонга к никелевому эквиваленту добавлен азот с тем же коэффициентом 30, что у углерода.

Отсюда формула «18-8»: по данным IMOA, без 8 % никеля сталь с 18 % хрома была бы не аустенитной, а ферритной. Чем больше в стали хрома и молибдена, тем больше нужно никеля: супераустенитам с 20–28 % хрома и 6 % молибдена требуется около 20 % никеля. В 200-й серии часть никеля заменяют марганцем и азотом — марганец позволяет растворить больше азота, а азот сам стабилизирует аустенит.

Почему аустенит не магнитится и когда начинает

ГЦК-решётка аустенита парамагнитна. Магнитная проницаемость отожжённой аустенитной стали — 1,003–1,005 (Carpenter Technology), у углеродистой стали — не меньше 200 (ASSDA). Поэтому магнит к отожжённому листу 304 или 316L практически не притягивается. Слабый отклик дают две ферромагнитные фазы.

• δ-феррит. В стандартных марках 300-й серии его обычно 1–5 % по объёму, в металле шва — 5–10 %: присадки 308L и 316L рассчитывают на феррит специально (IMOA). Для деталей с жёстким ограничением ферритной фазы ГОСТ 5632-2014 предлагает вместо 08Х18Н10 марки 06Х18Н11 и 08Х18Н12Т.
• Мартенсит деформации (α′). При гибке, вытяжке и холодной прокатке часть аустенита превращается в мартенсит с ОЦК-решёткой, и он ферромагнитен. Отжиг на твёрдый раствор возвращает структуру к аустениту.

Склонность к мартенситу деформации оценивают температурой Md30. При ней истинная деформация 0,3 превращает в мартенсит половину аустенита. Чем выше Md30, тем менее устойчив аустенит при обработке. Классическая формула Анджела (1954): Md30, °C = 413 − 462·(C + N) − 9,2·Si − 8,1·Mn − 13,7·Cr − 9,5·Ni − 18,5·Mo.

Это расчёт для условного состава, а не норма: у реальной плавки Md30 зависит от анализа. Но порядок показателен. У 304 с никелем у нижней границы Md30 близка к комнатной температуре, поэтому после гибки магнит заметно притягивается. У 316L аустенит устойчивее, у 310S мартенсит при холодной обработке практически не образуется. У высоколегированных марок, в том числе с азотом, проницаемость после деформации обычно остаётся ниже 1,02 (ASSDA). Как проверять металл магнитом и почему магнит не определяет марку — в статье магнитится ли нержавейка.

Семейства аустенитных сталей и марки-аналоги

По составу аустенитные стали делят на несколько семейств. Внутри семейства марки различаются углеродом и стабилизаторами. Аналоги из разных стандартов близки, но не тождественны: пределы по углероду, никелю и примесям расходятся, поэтому нужный стандарт указывают в заказе.

* Точного аналога AISI 201 в ГОСТ 5632-2014 нет. Ближайшая марка — 12Х17Г9АН4 с 3,5–4,5 % никеля и 8–10,5 % марганца; обозначение 12Х15Г9НД, которое встречается в торговле, — марка по ТУ. ** 06ХН28МДТ ГОСТ 5632-2014 относит не к сталям, а к сплавам на железоникелевой основе. Молибдена в ней 2,5–3,0 % против 4–5 % у 904L, меди 2,5–3,5 %, есть титан — это близкая, но не равноценная замена.

Буквы после номера AISI обозначают вариант состава внутри семейства:

• L — углерод не больше 0,030 %: для сварных узлов без термообработки (304L, 316L).
• H — углерод 0,04–0,10 %: для работы под нагрузкой при нагреве, где углерод нужен для жаропрочности (304H, 316H, 321H).
• Ti, Nb — стабилизированные стали: углерод связан в карбиды титана или ниобия (321, 316Ti, 347).
• N — с азотом для прочности: у 304N предел текучести по ASTM A240 от 240 МПа против 170 МПа у 304L.

Свойства: прочность, наклёп, работа на холоде

В состоянии поставки аустенитные стали мягкие и пластичные. Предел текучести невысок относительно временного сопротивления, а фактическое удлинение обычно 60–70 % — намного выше минимумов стандартов (IMOA).

Разница в пределе текучести — во многом заслуга азота. По данным IMOA, рост азота с 0,05 до 0,20 % поднимает предел текучести с 270 до 340 МПа. Поэтому у 201 и азотистых супераустенитов минимумы выше, чем у 304L и 316L.

• Не закаливается. Термообработка аустенитной стали — отжиг на твёрдый раствор, в ГОСТах его называют закалкой. IMOA рекомендует 1040–1175 °C с быстрым охлаждением; для 12Х18Н10Т ГОСТ 7350-77 даёт 1000–1080 °C. Такая обработка растворяет карбиды и делает металл максимально мягким, а не твёрдым.
• Упрочняется наклёпом. Холодная деформация резко поднимает прочность: нагартованный лист 12Х18Н10Т по ГОСТ 5582-75 имеет σв 880–1080 МПа при удлинении от 10 %. Пластичность падает постепенно — после 20 % обжатия удлинение обычно остаётся от 15 % (IMOA). Отжиг и сварка это упрочнение снимают.
• Наклёп при резании. Инструмент сам упрочняет поверхность, поэтому аустенит режут на низкой скорости с большой глубиной резания, не давая резцу скользить по наклёпанному слою.
• Вязкость на холоде. Порога хладноломкости у аустенита нет: ударная вязкость снижается плавно, без хрупкого перехода, как у ферритных и углеродистых сталей (IMOA, Outokumpu). ГОСТ 5632-2014 рекомендует хромомарганцевую 10Х14Г14Н4Т для работы до −196 °C, а 07Х21Г7АН5 — для сварных изделий до −253 °C.
• Физические свойства. Плотность 7,9–8,0 г/см³, теплопроводность около 15 Вт/(м·К) — в 3,5 раза ниже, чем у стали 20. Коэффициент расширения 16–17 × 10⁻⁶ 1/К против 11,6 у углеродистой и 10 у ферритной AISI 430.

Свариваемость и межкристаллитная коррозия

Аустенитные стали хорошо свариваются: подогрев не нужен, закалочных структур в зоне шва нет, соединение остаётся пластичным. Специфических проблем три: горячие трещины, межкристаллитная коррозия и коробление.

Горячие трещины. Полностью аустенитный металл шва при кристаллизации склонен к трещинам: сера и фосфор скапливаются по границам зёрен. Поэтому присадки 308L и 316L рассчитывают на 5–10 % δ-феррита в шве — он принимает усадочные напряжения и растворяет больше примесей. Количество феррита выражают ферритным числом FN по AWS A5.4. У 310S, 904L и сталей с 6 % молибдена шов получается без феррита, поэтому их варят присадкой с минимумом серы и фосфора и ограничивают тепловложение — как правило, до 1,5 кДж/мм (IMOA).

Разнородные соединения. Нержавейку с углеродистой сталью варят присадкой с повышенным ферритом — E309L или E309MoL. После разбавления в шве должно остаться не меньше 5 % феррита, иначе возможны мартенсит и горячие трещины.

Межкристаллитная коррозия. При нагреве в интервале 425–900 °C (IMOA; в российской практике чаще называют 450–850 °C) углерод соединяется с хромом в карбиды Cr₂₃C₆ по границам зёрен, и соседние зоны теряют стойкость. Защита — низкий углерод (304L, 316L, 03Х17Н14М3 — не больше 0,030 %) или титан и ниобий, которые связывают углерод раньше хрома (321, 316Ti, 347, 12Х18Н10Т). Уже сенсибилизированный металл восстанавливают отжигом на твёрдый раствор с быстрым охлаждением. Механизм, испытания по ГОСТ 6032 и ножевая коррозия — в статье межкристаллитная коррозия.

Коробление. Аустенит расширяется при нагреве примерно в 1,4 раза сильнее углеродистой стали, а тепло отводит в 3,5 раза хуже. Тепло концентрируется у шва, поэтому тонкий лист при сварке ведёт сильнее, чем такой же лист из углеродистой стали.

Коррозионное растрескивание в хлоридах

Главная слабость стандартного аустенита — коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). Нужны три условия одновременно: растягивающее напряжение, хлориды и повышенная температура. Напряжение не обязательно рабочее — хватает остаточного после сварки или гибки. В отожжённом металле трещины ветвятся и идут через зёрна, деталь может разрушиться без заметной общей коррозии.

• Температура. При полном погружении в нейтральную воду КРН у 304 и 316 редко встречается ниже 60 °C по данным SSINA и ниже 50 °C по данным IMOA. При испарении, под теплоизоляцией и на поверхностях «мокро-сухо» хлориды концентрируются, и трещины возможны при более низких температурах. Вблизи температуры кипения достаточно меньше 1 мг/л хлоридов (IMOA).
• Никель. Самые уязвимые — марки с 8–10 % никеля (SSINA), то есть 304 и 321. IMOA относит к очень чувствительным также 316L и 200-ю серию. С ростом никеля выше примерно 20 % стойкость растёт: 904L и стали с 6 % молибдена держатся заметно лучше, для 6 % Mo температурный порог — выше 100 °C.
• Молибден от КРН не спасает. 316L стойче 304 к питтингу, но по растрескиванию в горячих хлоридах разница между ними невелика.
• Щёлочи. Концентрированные щелочные растворы вызывают растрескивание 304 и 316 примерно от 100 °C (IMOA).

Если в среде одновременно горячие хлориды и напряжения, берут стали с ферритом в структуре. Ферритные AISI 430 и 444 к хлоридному КРН очень стойки, дуплексные занимают промежуточное положение, но заметно превосходят 304 и 316L (SSINA, IMOA). Подробнее — в статье дуплексная сталь.

Где применяют аустенитные стали

Аустенит выбирают, когда нужны свариваемость, пластичность при штамповке и вытяжке, стойкость в пищевых и химических средах или работа на холоде. Марку подбирают по среде и температуре.

Аустенит — не лучший выбор в трёх случаях. Первый — горячие хлоридные растворы под нагрузкой: там дуплекс или феррит. Второй — детали, которые должны быть магнитными или твёрдыми после закалки: для них есть мартенситные 20Х13–40Х13. Третий — неответственные изделия в сухой среде, где хватает ферритной AISI 430 без никеля.