Двухфазные стали - сложные многокомпонентные системы. Они имеют высокие прочностные свойства в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.
Двухфазные стали, как правило, отличаются от однофазных лучшей свариваемостью. По характеру структурных превращений в области высоких температур, близких к солидусу, их можно подразделить на три основные группы:
- стали, в которых в процессе нагрева до температур плавления формируется ферритная структура;
- стали, в которых в процессе нагрева до температур плавления формируется аустенитная структура;
- стали, сохраняющие двухфазную структуру до температур плавления.
К первой группе можно отнести стали типа высокохромистых переходного α+ γ-класса; ко второй — стали типа высоконикелевых переходного α+ γ-класса и к третьей - стали типа хромоникелевых переходного α + γ-класса (рис. 7.8).
Рис. 7.8. Политермические разрезы диаграммы состояния системы Fe—Сr—Ni: а - 7 % Ni; б - mm 75 % Fe
Стали рассмотренных групп отличаются по склонности к росту зерна в зоне термического влияния при сварке. Стали первой группы из-за относительно большой подвижности атомов в решетке феррита склонны к росту зерна, стали второй группы менее склонны к росту зерна. Склонность к росту зерна сталей третьей группы зависит от соотношения α- и γ-фаз. До сохранения неп рывных α/γ-границ вторая фаза является непреодолимым препя ствием для роста другой фазы. Поскольку с повышением темп ратуры нагрева соотношение фаз изменяется, то при уменьшены количества одной из фаз ниже 20—25 % непрерывность α/γ-грани нарушается и создаются условия для роста. Однако и в это случае вторая (убывающая) фаза будет несколько сдержива рост зерна основной фазы.
Наибольшее применение нашли двухфазные стали на основ системы Fe —Сг —Ni: 07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ, 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т, 10Х20Н6МД2Т.
В зависимости от соотношения хрома и никеля (см. рис. 7.4 и температуры начала мартенситного превращения двухфазны стали могут относиться к аустенитно-мартенситному, аустенитно-ферритному и мартенситно-ферритному классам. Стали аустенитно-мартенситного и аустенитно-ферритного классов отличаются по температуре начала мартенситного превращения. Аустенитно-мартенситные стали имеют температуру начала мартенситного превращения 60—20 °С; температура начала мартенситного превращения аустенитно-ферритных сталей лежит в области отрицательных температур.
Поскольку все двухфазные стали — стали переходных классов и, как следует из диаграммы состояния системы Fe — Сг — Ni (рис. 7.4, 7.8), двухфазные области имеют небольшую протяженность, то во всех случаях изменение состава стали в пределах марочного приводит к некоторому изменению соотношения ферритообразующих и аустенитообразующих элементов и, как следствие, соотношения фаз. Это сказывается на свойствах стали и, в частности, на поведении стали при термообработке и сварке.
Двухфазные стали в большинстве случаев упрочняются за счет дисперсионного твердения. Упрочнение достигается за счет выделения дисперсных фаз, главным образом карбидов из пересыщенного твердого раствора, который получают путем закалки из однофазной области. При этом из-за различия растворимости упрочняющей фазы в аустените и феррите (мартенсите) процессы дисперсионного твердения развиваются только в ферритной (мартенситной) фазе. Последнее вызвано меньшей растворимостью углерода в феррите, что обеспечивает большую степень пересыщения. Возможность изменения соотношения фаз в сочетании с развитием процессов дисперсионного твердения (процессов старения) в некоторых случаях может привести к значительному снижению пластичности стали.
Подобное изменение свойств стали может наблюдаться в зоне сварного соединения при выполнении многослойных швов или в зоне пересечения швов. При сварке аустенитно-ферритной стали (например, стали 10Х20Н6МД2Т), содержащей ферритообразующие элементы на верхнем пределе, в околошовной зоне возможно формирование чистоферритной структуры. При выполнении следующих слоев или при перекрещивании швов развитие дисперсионного твердения в чистоферритной структуре может привести к катастрофическому охрупчиванию металла этой зоны.
Пластичность металла ферритной зоны можно повысить последующей термообработкой, например, высокотемпературным отпуском, обеспечивающим формирование вторичного аустенита по схеме α→γ. Однако пластичность повысится только в том случае, если в процессе охлаждения не будет превращения вторичного аустенита в мартенсит (γ'→М), а этому, несмотря на аустенитно-ферритный класс стали, будет способствовать обеднение аустенита легирующими элементами при проведении отпуска.
Положительная особенность двухфазных сталей - пониженная склонность их к межкристаллитной коррозии. Это обусловлено, во-первых, более мелкозернистой структурой и, следовательно, большей протяженностью границ зерен двухфазных сталей по сравнению с однофазными. Благодаря этому снижается концентрация карбидных выделений по границам зерен. Во-вторых, при образовании карбидов на γ/δ-границе вследствие более высокой концентрации хрома в феррите и повышенной скорости диффузии легирующих элементов в феррите облегчается выравнивание химического состава в приграничных слоях. В-третьих, выделяющиеся по границам зерен карбиды не образуют сплошной сетки, а формируются преимущественно по γ/δ-границам. Формированию карбидов в области γ/δ-границ способствует перераспределение углерода между фазами с преимущественной концентрацией углерода в аустените вблизи границы раздела γ/δ.
