Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 184
Скачиваний: 1
§ 8.7. Аустенитные нерок, хромоникелевые стали |
271 |
чем свидетельствуют анодные кривые, приведенные на рис. 8.8. С увеличением концентрации ионов хлора в растворе область пассивности сокращается и при концентрации 1000 кг/л хлори дов металл переходит полностью к активному состоянию. Поэтому допустимое количество хлоридов в воде реактора должно быть мало и не превышать 0,1 мг/л. Местная коррозия сталей типа 18/8 более интенсивно протекает в застойных зонах,
Рис. 8 .8. Анодные кривые стали 1Х18Н9Т в нейтраль ной среде (воде) с различным содержанием ионов
'хлора, мг/л:
1 — 0.2; 2 — 7; 3 — 50; 4 — 500; 5 — 750; 6 — 1000.
в щелях, в местах возможного упаривания воды, когда состав воды меняется в сторону увеличения в ней примесей. Эти стали используют в активной зоне реактора для изготовления кассет, подвесок, дистанционирующих и других элементов, тепловых экранов. При изготовлении деталей из разнородных металлов, например нержавеющая сталь — алюминий, возможно'увеличе ние общей скорости коррозии алюминия за счет образования макрогальванических пар вследствие разности их потенциалов.
272 Г л . 8. Материалы активной зоны
Аустенитная нержавеющая сталь подвергается еще одному ■ виду местной коррозии — межкристаллитной. Сущность ее со стоит в том, что выдержка этих сталей при температуре 550-ь 650° приводит к выпадению карбидов хрома по границам зерен. Граничные области зерен обедняются хромом, что уменьшает электрохимическую стойкость этих областей. Отмечается, что сталь с повышенным содержанием углерода более чувствитель на к межкристаллитной коррозии, так как при этой температуре углерод интенсивно:диффундирует к границам зерен. Увеличе ние содержания никеля в аустенитной нержавеющей стали не влияет на склонность ее к этому виду разрушения; повышение содержания хрома или дополнительное легирование ее молиб деном в некоторых .случаях способствует пассивации обеднен ных границ и тем самым увеличивает стойкость сталей к меж кристаллитной коррозии. Однако такой способ борьбы с этим видом разрушения не является радикальным. Наилучшие ре зультаты получают при легировании или, как принято говорить, при стабилизации аустенитных нержавеющих сталей титаном или ниобием. Титан и ниобий дают с углеродом весьма стойкие карбиды, недиссоциирующие даже в случае аустенизации ста лей при температуре 1050—1100°. В стабилизированных сталях содержание «свободного» углерода, т. е. не связанного в карби ды титана и ниобия, мало и не превышает растворимости угле рода в аустените прй комнатной температуре. В связи с этим образования карбидов хрома и обеднения хромом границ зерен не происходит.
Количество титана и ниобия, вводимого в сталь, зависит от содержания углерода в ней и определяется по следующим зави симостям: ;
%Ті=$ (% С — 0,03);
%Nb =10 (% С — 0,03).
Если сталь легирована азотом, то стабилизировать ее сле дует ниобием, так как титан расходуется на образование нитри дов. Для изготовления особо тонких труб с толщиной стенки 0,5 мм и менее также следует применять стали, легированные ниобием. Титан может давать карбиды, размеры которых могут быть почти соизмеримы с толщиной стенки трубы.
Стойкость аустенитных нержавеющих сталей к межкристал литной коррозии существенным образом зависит от термической обработки. Стойкость деталей, изготовленных из стали, склон ной к межкристаллитной коррозии, может быть повышена аустенизацией, если их рабочая температура не превышает 600°. При аустенизации карбиды хрома диссоциируют, и сталь становится стойкой к межкристаллитной коррозии. В ряде слу чаев аустенитную нержавеющую сталь целесообразно подвер гать стабилизирующему отжигу при температуре 800—870° в
§ 8.7. Аустенитные нерок, хромоникелевые стали |
273 |
течение 1—3 ч. При этом максимальное количество углерода связывается в карбиды. Пограничные области зерен при этом обедняются хромом. Однако при температуре 800—870° ско рость диффузии хрома достаточно велика и вследствие диффу зии его из середины зерен к границам концентрация хрома у границ увеличивается и сталь становится стойкой к межкрис таллитной коррозии.
Аустенитные нержавеющие стали, стабилизированные тита ном и ниобием, после длительной эксплуатации при температуре 500—600° становятся склонными к межкристаллитной коррозии. Для устранения этого явления следует увеличивать соотноше ние титана к углероду в стали и подвергать сталь аустенизации с последующей стабилизацией. Для обеспечения стойкости аустенитной нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии при длительной эксплуатации при температуре 500—650° отно шение содержания титана к углероду должно быть 10—17.
Выпадение карбидов и обеднение границ зерен хромом про исходит при нагреве стали в процессе сварки. Нагрев стали до 550—650° происходит в пришовной зоне, которая чаще всего и становится склонной к межкристаллитной коррозии.
Следует отметить, что на стали, склонной к межкристаллит ной коррозии, последняя развивается не во всех средах. Наибо лее интенсивно межкристаллитная коррозия развивается в кислых средах при повышенной температуре. При температуре выше 100° и высоком давлении межкристаллитная коррозия развивается при наличии.в воде и паре кислорода более 0,1— 0,3 мг/кг. В деаэрированной воде и паре межкристаллитная коррозия не развивается на сталях, склонных к ней, при испы таниях по стандартному методу, так же как и в аэрированной воде при температуре ниже 100°.
Испытания сталей на склонность их к межкристаллитной коррозии производятся в соответствии с ГОСТ 6032—58. Наи более часто испытания производятся по методу AM. При этом образцы стали кипятят в смеси серной кислоты и медного купо роса с медной стружкой в течение 24 ч. После кипячения образцы изгибают на 90° по радиусу, зависящему от толщины образца. Наличие трещин на поверхности свидетельствует о склонности стали к межкристаллитной коррозии. Иногда нали чие межкристаллитной коррозии определяется металлографиче ским анализом. Склонность к межкристаллитной коррозии про-. веряют также на сварных образцах.
Для контроля межкристаллитной коррозии на готовых изде лиях в ряде случаев испытания проводят по методу Б в соот ветствии с ГОСТ 6032—58. При этом часть поверхности тра вится при наложении анодного тока, и если видна сетка протравленных границ зерен при увеличении в 10—30 раз, .
274 Г л . 8. Материалы активной зоны
считают, что сталь склонна к межкристаллитной коррозии. Но этот метод до некоторой степени субъективен.
При изготовлении наиболее ответственных узлов проверке на межкристаллитную коррозию подвергают каждую поковку, трубу и т. д., для менее ответственных узлов достаточно произ вести проверку металла данной партии плавки.
Аустенитные нержавеющие стали |
при |
совместном воздей |
ствии на них механических напряжений |
и коррозионно-агрес |
|
сивной среды подвергаются особому |
виду |
разрушений — корро |
зионному растрескиванию. Напряжение может быть приложен ным или остаточным, но, как правило, всегда растягивающим. Коррозионное растрескивание проявляется в виде трещин, ско рость распространения которых зависит от состава и парамет ров коррозионной среды. Трещины могут развиваться от поверхности в глубь металла, проходя по телу зерен (транскристаллнтное разрушение) и по границам зерен (межкристал литное разрушение). Коррозионное растрескивание — опасный вид коррозионного разрушения и может привести к выходу из строя оборудования. Оно зависит от многих факторов — от величины напряжения, состава среды, температуры, длитель ности воздействия среды, структуры и состава металла, степени пластической деформации (наклепа), характера защитных пленок на металле и других факторов.
Для снижения склонности аустенитной стали к коррозион ному растрескиванию необходимо обеспечить полное снятие наклепа. Растягивающие напряжения от наклепа, складываясь с растягивающими действующими (рабочими) напряжениями, могут резко усилить растрескивание.
На склонность аустенитных сталей к коррозии под напря жением существенное влияние оказывает структура стали. Известно, например, что стали типа 18/8 при холодной прокат ке становятся в определенной степени магнитными. Это обстоя тельство свидетельствует о превращении части немагнитного аустенита в магнитный феррит. Вновь образовавшаяся фаза имеет больший объем, что может привести к возникновению в металле местных механических напряжений, которые будут способствовать развитию коррозионного растрескивания. Сле довательно, все обстоятельства, увеличивающие структурную устойчивость аустенитной нержавеющей стали, будут улучшать
еестойкость к коррозионному растрескиванию.
Ваустенитной нержавеющей стали обнаруживается магнит ная составляющая двух видов. Одна из них представляет собой a -фазу, выделяющуюся по границам зерен в виде сплошной сетки. Появляется она при определенных видах термообработки вследствие выделения карбидов хрома по границам зерен аустенита, что влечет за собой сильное обеднение углеродом и
§ 8.7. Аустенитные нерок, хромоникелевые стали |
275 |
хромом пограничных областей. Магнитная составляющая вто рого вида выделяется по плоскости скольжения при пластиче ской деформации металла. Она возникает не по типу диффу зионных процессов, а в результате перестройки кристалличе ской решетки под действием внешних растягивающих напряжений. Эта a-фаза легко снова переходит в аустенит при снятии внутренних напряжений в металле путем его нагрева. В аустенитных нержавеющих сталях трещины, образовавшиеся в результате коррозионного растрескивания, развиваются пред-
подчительно |
по выделениям a-фазы (квазимартенсита) |
даже |
в том случае, |
когда прожилки феррита расположены |
парал |
лельно основным растягивающим напряжениям. Обнаружено, что если в стали a-фаза присутствует в виде сплошной сетки по границам зерен, металл имеет склонность как к межкристал литной коррозии, так и к коррозионному растрескиванию. Тре
щины в этом случае носят |
межкристаллитный характер. |
Если |
в стали феррит выделяется |
по плоскости скольжения |
после |
деформации, то сталь также подвергается коррозионному рас трескиванию, причем трещины имеют транскристаллитный характер.
Если аустенитную сталь подвергнуть вытяжке на 3—5%, то имеет место выпадение a-фазы в небольшом количестве, ибо обнаруживается незначительное увеличение магнитного насы щения. При этом аустенит становится менее стабильным и стойкость стали к коррозионному растрескиванию снижается. Увеличение степени вытяжки более 3—5% приводит к увели чению a-фазы в количестве, тем большем, чем больше степень вытяжки. Величина магнитного насыщения деформированной аустенитной нержавеющей стали по порядку величины прибли жается к магнитному насыщению ферритной хромистой стали.
Таким образом, у сталей, характеризующихся двухфазной структурой, или у сталей, в которых при небольшой степени деформации образуется феррит, разрушение деформированного металла может произойти без приложений нагрузки извне. Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что нецеле сообразно пытаться определять критические напряжения, ниже которых коррозионное растрескивание не будет происходить. Структурное превращение аустенита с образованием феррита сопровождается увеличением объема. В связи с этим сжатие приводит к менее интенсивному образованию a-фазы, чем рас тяжение, и последнее более опасно с точки зрения коррозион ного растрескивания.
Появление феррита в аустените приводит к уменьшению области пассивации сталей типа 18/8 в растворе хлоридов, тем большему, чем больше феррита содержится в аустените. Дан ные рис. 8.9 показывают, что с ростом содержания феррита в
276 |
Г'л. 8. Материалы активной зоны |
аустенитной нержавеющей стали область пассивного состояния сокращается и при 30% a-фазы практически отсутствует; анод ная кривая в растворе хлоридов в этом случае близка к анодной кривой хромистой стали XI7.
Рис. 8.9. Анодные кривые стали 1Х18Н9Т с различным содержанием в ней а-фазы:
/ — 0; 2 — 10%; 3 — 30%; 4 — стал ь Х17.
Отмечено, что содержание феррита существенно влияет на склонность аустенитной стали к коррозионному растрескива нию. Так, стали с 10% феррита и более в меньшей степени подвержены коррозии под напряжением.
Увеличение содержания хрома в стали при постоянном со держании никеля приводит к появлению феррита в ней и делает ее более стойкой к коррозионному растрескиванию. Уменьше1 ние в стали содержания элементов, способствующих образова нию аустенита (углерода, азота), до концентрации 0,01—0,002% делает эту сталь более стойкой к коррозионному растрескива нию. С другой стороны, увеличение содержания аустенитообра зующего элемента — никеля — более 10—12% делает аустенит более стабильным, а сталь более стойкой к коррозионному рас трескиванию. Сплавы типа инконель, инколой и другие с повы шенным содержанием никеля более стойки по отношению к коррозионному растрескиванию, чем сталь Х18Н10Т.
§ 8.7. Аустенитные нерж, хромоникелевые стали |
277 |
Большую роль в коррозионном растрескивании аустенитных нержавеющих сталей играет состав коррозионной среды. Кор розионное растрескивание аустенитной нержавеющей стали имеет место в растворах, содержащих хлориды и кислород. С увеличением содержания в растворе хлоридов уменьшается область пассивности сталей типа 18/8 (см. рис. 8.8). Из данных
Рис. 8.10. Микроструктура образцов стали 1Х18Н9Т с наклепом после испытания их в нейтральной воде с различным содержанием хлори дов, мг/кг:
а —■ 0,05; о — 0,1; в — 1,0; г — 10; д — 100; |
е — 1000; ж — 10 000 (ш лиф ы |
про |
т равлены ). |
|
|
рис. 8.8 видно, что при содержании |
в растворе 1000 мг/кг |
хло |
ридов стали типа 18/8 полностью переходят в активное состоя ние. С ростом количества хлоридов увеличивается коррозионное растрескивание аустенитной нержавеющей стали. На рис. 8.10 представлены данные по коррозионному растрескиванию одной из сталей типа 18/8 с наклепом 30% в нейтральных растворах при различном содержании хлорид-ионов при температуре 310° без начальной деаэрации раствора. С ростом содержания хло ридов в растворе коррозионное растрескивание стали резко воз растает и при концентрации хлоридов 1000 мг/кг образцы пол ностью разрушаются.
Коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей происходит также в паровой фазе. Но наиболее опасны ми с точки зрения коррозионного растрескивания являются участки металла, подверженные попеременному увлажнению и