Сталь представляет собой деформированный (ковкий) сплав железа с углеродом и с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5 % углерода. Основные способы получение стали – в мартеновских или в электрических печах, а также бессемеровских или томасовских конвертерах.
Классификация стали
Стали можно классифицировать по: химическому составу, микроструктуре, способу производства и применению. По химическому составу сталь подразделяют на: углеродистую (конструкционную и инструментальную) и легированную (низколегированную и высоколегированную).
По микроструктуре различают:
- перлитный класс стали — сталь, имеющая после нормализации структуру перлит (сорбит или тростит), перлит+феррит, перлит+за эфтектоидные карбиды (строительные, конструкционные и инструментальные углеродистые и низколегированные стали);
- мартенситный класс – сталь, со сниженной критической скоростью закалки, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру (высоколегированная конструкционная, инструментальная и некоторые марки нержавеющей стали);
- -аустенитный класс – сталь, в которой под влиянием легирующих элементов точка полиморфного превращения твердого раствора на базе γ-Fe в твердый раствор на базе α-Fe ниже комнатной температуры; после нормализации структура такой стали состоит обычно из аустенита или аустенита и карбидов (высоколегированная нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная стали);
- ферритный класс – сталь, легированная элементами, суживающими и замыкающими на диаграмме состояние область существования твердого раствора на базе α – модификации железа, при определенном содержании этих легирующих элементов сталь после нормализации будет иметь структуру феррита или феррита и карбидов (высокохромистая, нержавеющая, жаропрочная стали);
- карбидный класс – сталь с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов: в литом состоянии в структуре такой стали имеется карбидная эвтектика, в деформированном состоянии – первичные (эвтектические) и вторичные карбиды. Типичным примером стали карбидного класса может служить быстрорежущая сталь.
По способу производства различают:
- сталь обыкновенного качества - углеродистая сталь с содержанием углерода обычно не менее 0,6 % и имеет чаще всего повышенное содержание серы и фосфора, также повышенное количество неметаллических включений;
- сталь качественная – углеродистая или легированная сталь. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 % количества неметаллических включений;
- сталь высококачественная - углеродистая или легированная, чаще всего усложненного химического состава. Содержание серы и фосфора не должна превышать 0,030 % и 0,035 %. Обладает также повышенной чистотой по неметаллическим включениям.
Нержавеющие стали аустенитного класса, имеют скорость коррозии 0,0008 – 0,003 мм /год или 5 – 20 мг/(дм2∙месяц).
В практике кроме равномерного окисления поверхности металлического материала, наблюдается случаи локализации коррозионного разрушения на отдельных участках. Одним из видов неравномерной коррозии является так называемая межкристаллитная коррозия. Она характеризуется разъеданием металла главным образом по границам кристаллитов, что приводит к значительной потере прочности материала, несмотря на сравнительно небольшую весовую потерю. Глубокое проникновение разъедания границ приводит иногда к распаду металлического материала на отдельные зерна. Сам факт межкристаллитного разрушения уже свидетельствует о наличии механических напряжений в металле. Под напряжением понимаются как внешние нагрузки, так и остаточное напряжение. Для протекания чистой межкристаллитной коррозии (распада на зерна) необходимо определенное состояние материала и наличие соответствующей коррозионной среды, в то время как для межкристаллитной коррозии под напряжением необходимы еще растягивающие напряжения. Пожалуй, нет металлов, сплавы которых не были бы подвержены межкристаллитной коррозии.
Проявление межкристаллитной и транскристаллитной коррозии неприятны тем, что обнаруживаются они с большим трудом и большей частью уже тогда, когда наступило разрушение поврежденной детали. Обычные, характерные продукты коррозии здесь почти всегда отсутствуют и в ряде случаев влияние коррозии, содействующее разрушению материала практически незаметно.
Межкристаллитная коррозия
Основная причина межкристаллитной коррозии состоит в том, что зерна и границы зерен имеют неодинаковый химический состав, причем границы наиболее загрязнены различными примесями. Вследствие этого границы зерен и сами зерна по-разному ведут себя. Однако во многих случаях было установлено, что как раз очень чистые сплавы даже более уязвимы, чем менее чистые. Это наблюдается не только при межкристаллитной коррозии, но и при коррозии под напряжением латуни, алюминиевых, алюминиево-медных и цинковых сплавов. Тем не менее, такое представление еще встречается. Несколько более распространен в настоящее время другой взгляд. Считается, что процессы выделения пограничных фаз вызывают разность потенциалов между внутренней частью зерна и его границей, а это ведет к анодному растворению границ зерен и затем к межкристаллитному распаду.
При окислении сталей образованию окалины сопутствует процесс обезуглероживания, интенсивность которого с ростом температуры возрастает.
Состав стали в большой степени влияет на её газовую коррозию. Помимо основных компонентов – железа и углерода, в стали имеются и другие элементы либо в виде примесей, которые невозможно удалить, либо в виде специальных добавок (легированные стали). Если примеси или добавки не превышают 1 %, то они не оказывают влияния на поведение стали при высокой температуре.
Наиболее важным элементом, придающим стали коррозионную стойкость, является хром (не менее 5 %). С увеличением содержания хрома растёт сопротивляемость стали воздействию высокой температуры (жаростойкость). Положительное влияние на жаростойкость оказывают добавки алюминия (от 3 до 4 %) и кремния (от 2 до 4 %).
Причина сопротивления стали газовой коррозии состоит в образовании защитных слоев Cr2O3, Al2O3, SiO2 и их комбинаций с окислами железа, а также в наличии в сплаве других примесей, например соединений типа FeO·Al2O3, FeO·Cr2O3, MnO·Cr2O3, или (Fe, Ni)O·(Fe, Cr)2O3.
Процесс образования окалины при окислении стали:
- в интервале температур от комнатной до 200 ˚С наблюдается образование пленки, состоящей из γ-Fe2O3;
- от 200 до 400 ˚С – возникновение наружного слоя α-Fe2O3 на внешней стороне окалины. В двух случаях наблюдается логарифмический рост окалины;
- от 400 до 575 ˚С – возникновение подслоя Fe3O4 на внутренней стороне окалины;
- от 575 до 730 ˚С – возникновение подслоя FeO на внутренней стороне окалины. В этих случаях закон роста – степенной, с n>2;
- от 730 до 780 ˚С – магнитное (α-Fe→β-Fe) и эвтектоидное перлит→аустенит эвтектоидной концентрации) превращение в стали. Параболический закон роста;
- от 780 до 1150 ˚С – аллотропическое превращение в стали (β-Fe→γ-Fe) также наблюдается параболический закон роста окалины;
- выше 1100 ˚С – частичная диссоциация Fe2O3, для которой характерен сложно-параболический закон роста.