Сплавы со специальными свойствами

Коррозионностойкие стали
Коррозией называется процесс самопроизвольного разрушения материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой
Коррозия
химическая
электрохимическая
Слово коррозия происходит от латинского «corrodo» - «грызу».
протекает при непосредственном взаимодействии металла и среды без возникновения электрического тока.
разрушение металлов связано с возникновением электрического тока под действием электролитов или других причин.

Электрохимическая коррозия — наиболее распространённый вид коррозии металлов. При электрическом контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент.
Избыточные электроны перетекают по внешней цепи в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается. Чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл отдаёт ионы в раствор, тем ниже его коррозионная стойкость.
Схема гальванического элемента
Металл, имеющий отрицательный
электродный потенциал (анод), отдаёт
положительные заряженные ионы в электролит и растворяется

Значения электродного потенциала Е0 разных элементов приведены ниже. Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов элемента.

10-балльная шкала для оценки общей коррозионной стойкости металлов

Виды коррозии металлов
Коррозия, захватившая всю поверхность металла, называется сплошной. Её делят на равномерную (а) и неравномерную (б). При местной коррозии (в) поражения локальны.
Наиболее опасные виды местной коррозии — межкристаллитная (к), которая, продвигается вглубь по границам зёрен металла, и транскристаллитная (м), рассекающая металл трещиной прямо через зёрна. Близка к ним по характеру ножевая коррозия (л) , словно ножом разрезающая металл вдоль сварного шва при эксплуатации в особо агрессивных растворах.
Эти, почти невидимые, поражения могут приводить к полной потере прочности и разрушению детали или конструкции.

В зависимости от степени локализации различают коррозионные пятна (г), язвы (д) и питтинг (е).
Под неметаллическими покрытиями может развиваться поверхностная нитевидная коррозия (з), а при пластической деформации – послойная деформация. При избирательной коррозии в сплаве могут избирательно растворяться отдельные компоненты твёрдых растворов (например, цинк в латуни).

ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ
покрытиями
протекторами
легирование
неметал-
лические
метал-
лические
лаки,
краски,
эмали,
смолы
А – трубопровод
Б - протектор
создание
устойчивых
оксидных
плёнок
получение
однофазных
структур
анодные
катодные
пассивная
активная

ЗАЩИТА ЛЕГИРОВАНИЕМ
Создание плотных оксидных плёнок на поверхности сплавов
(Cr, Al, Si)
Получение коррозионностойких сталей
Ферритных
08Х13
12Х13
15Х25Т
Мартенситных
Аустенитных
20Х13
40Х13
20Х17Н2
95Х18
08Х18Н9
12Х18Н10
12Х18Н10Т
00Х16Н15М3Б

Межкристаллитная коррозия — вид коррозии, при котором разрушение металла происходит преимущественно вдоль границ зёрен. Происходит при нагреве аустенитных сталей до температуры 450…850 °С.
Межкристаллитная коррозия вызвана диффузионными процессами в структуре стали, приводящими к образованию карбидов хрома по границам зёрен и одновременным обеднением хромом участков, непосредственно прилегающих к границам зёрен.
Межкристаллитная коррозия металлов

Распределение хрома в поперечном сечении аустенитных зёрен (12Х18Н10)
Аустенит
Аустенит
Cr C
C Cr
Cr
Cr C
Cr
C Cr
Cr23C6

Схема разрушения металла при межкристаллитной коррозии
выделение карбидов хрома по границам зёрен;
межкристаллитная коррозия по участкам, обеднённым хромом

Жаростойкие стали
Жаростойкость – способность металла сопротивляться окислению в газовых средах (воздух, газы, водяной пар) при высоких температурах
Оксиды бывают рыхлые и плотные. В рыхлых скорость окисления большая, в плотных -- невысокая
Процессы, происходящие на поверхности сплава
При температурах до 570 оС (рис.1, а) на поверхности образуются плотные оксиды Fe2O3 и Fe3O4, поэтому окисление идёт медленно
При Т > 570 оС (рис.1, б) эти оксиды растрескиваются и, под ними, образуется быстро растущий рыхлый слой FeO с низкой прочностью. Эти три оксида образуют окалину.

Жаростойкость стали повышают легированием хромом, алюминием и кремнием, которые образуют на поверхности плотные оксидные плёнки типа (Fe, Cr)2O3, (Fe, Al)2O3, с хорошими защитными свойствами.
Содержание хрома составляет 5…28 %, кремния 2…3 %, алюминия 5…6 %
Жаростойкость стали 12Х13 – 700 град. С;15Х6СЮ – 800, а 08Х17Т - 900
Жаростойкость определяется, прежде всего, количеством легирующих элементов в стали и мало связана со структурой. При равном содержании хрома, температура образования окалины Ток повышается на 100…150 оС при легировании кремнием и алюминием.
Сплавы на никелевой основе с Сr и Al ( ХН70Ю с 26…29 % Сr и 2,8…3,5 % Al ) обладают жаростойкостью до 1200 °С.

Жаропрочные стали
Жаропрочность - свойство материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при длительном воздействии нагрузки и температурах > 0,3Тпл.
При этих температурах наблюдаются процессы ползучести и релаксации напряжений.
Ползучесть – это увеличение со временем пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести.
Типичная кривая ползучести
В предварительно нагруженных деталях происходит релаксация напряжений (самопроизвольное уменьшение напряжений) При повышенных температурах с течением времени уменьшаются напряжения в крепёжных деталях, ослабевают натяги и т. п.

Факторами, способствующими жаропрочности, являются:
- высокая температура плавления основного металла;
- наличие в сплаве твёрдого раствора и мелкодисперсных упрочняющих фаз;
- пластическая деформация, вызывающая наклёп;
- высокая температура рекристаллизации;
- рациональное легирование;
- термическая и термомеханическая обработка;
- введение в жаропрочные стали бора, церия, ниобия, циркония, (в десятых, сотых и даже тысячных долях).

Оптимальная структура жаропрочных сталей – твёрдый раствор, упрочнённый дисперсными частицами вторых фаз.
Жаропрочность сталей обеспечивается легированием и термической обработкой для получения однородной структуры с дисперсными частицами карбидов, интерметаллидов и других частиц.