Коррозионностойкие стали аустенитно (аустенитные хромоникелевые стали)

хромистые стали

1 тип

2 тип

добавок в никелевый эквивалент, а ферритообразующих – в хромовый эквивалент

Диаграмма А. Шеффлера

Стали имеют аустенит в качестве своей первичной кристаллической структуры (гранецентрированная кубическая). Эта кристаллическая структура аустенита достигается достаточным добавлением аустенитных стабилизирующих элементов, в основном никеля. Имея в своем составе хром, являются коррозионностойкими во многих средах окислительного характера в широком диапазоне концентраций и температур, а также обладают жаростойкостью и жаропрочностью.

Гранецентрированная кубическая
кристаллическая структура

По структуре, получаемой при охлаждении на воздухе: аустенитные – с высоким содержанием легирующих элементов

Аустенит (х400)

рабочей среде (влажная атмосфера, морская вода, кислоты, растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.) и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик.
Стали маркируют буквами и цифрами, указывающими примерный состав. Каждый элемент (кроме углерода и железа) обозначают буквами:
А - азот (N)
Б - ниобий (Nb);
В - вольфрам (W);
Г - марганец (Мn);
Д - медь (Сu);
Е - селен (Se);
К - кобальт (Со);
М - молибден (Мо);
Н - никель (Ni);

П - фосфор (Р);
Р - бор (В);
С - кремний (Si);
Т - титан (Ti);
Ф - ванадий (V);
X - хром (Сr);
Ц - цирконий (Zr);
Ч - редкоземельные металлы (РЗМ);
Ю - алюминий (А1).

Ni и 0,02-0,25% C, основа Fe
Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, никеля, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, то есть увеличивают электроположительность стали.
X - хром (Сr)
Хром является основным легирующим элементом коррозионностойких сталей. Его содержание находится в пределах от 8 до 30 %. С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет. Легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости
Н - никель (Ni);
Кроме хрома в состав коррозионностойких сталей входит также никель. Он повышает коррозионную стойкость в слабо окисляющих или неокисляющих растворах химических веществ, а также стабилизирует аустенитную структуру и позволяет создать аустенитные хромоникелевые стали с высокой коррозионной стойкостью. Никель увеличивает пластичность и вязкость стали вследствие уменьшения сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций, а также снижения энергии взаимодействия дислокаций с атомами внедрения. Кроме того, никель снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений; перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению. Использование никеля в качестве основы позволяет получить сплавы с высокой коррозионной стойкостью в сильных агрессивных кислотах

систем Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mn с дополнительным легированием разными элементами
Б - ниобий (Nb); Т - титан (Ti);
Для повышения сопротивления межкристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют титаном или ниобием
Титан и ниобий связывают углерод, образуя карбид TiC и NbC и исключают возможность образования карбидов хрома
М - молибден (Мо);
Устойчивость сталей против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден.
Молибден, введенный в состав сталей, оказывает сильное положительное воздействие на сопротивляемость питтинговой коррозии, а также повышает критическую температуру питтингообразования.
М - молибден (Мо); В - вольфрам (W);
Молибден, а также вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению хрупкости при отпуске.
М - молибден (Мо); К - кобальт (Со);
Положительно влияет на свойства сталей комплексное легирование молибденом и кобальтом. При увеличении в стали содержания молибдена (от 2 до 3 %), а также кобальта (от 2 до 6 %) приводит к увеличению предела текучести, что обусловлено увеличением количества упрочняющих интерметаллидных Однако упрочнение сопровождается уменьшением ударной вязкости при криогенных температурах.

разупрочнение при отпуске, увеличивает устойчивость переохлажденного аустенита и повышает прокаливаемость стали, уменьшает вредное влияние серы
Недостаток - увеличивает рост аустенитного зерна при нагреве до высоких температур
Р - бор (В);
Бор увеличивает скорость зарождения центров кристаллизации, повышает скорость ее затвердевания, способствует перераспределению вредных примесей в стали, не улучшает пластичности и вязкости, а также технологические свойства

существу являются основным конструкционным материалом для изготовления важнейших узлов ЯЭУ различного назначения: оболочек твэлов, парогенераторов, теплообменников, трубопроводов, циркуляционных насосов, различной арматуры активной зоны и других ответственных деталей первого и второго контуров. Аустенитные стали могут работать при температуре до 750 °С, тогда как предельная температура применения хромистых сталей составляет 620 °С.

По своим жаропрочным свойствам аустенитные коррозионностойкие стали приближаются к сплавам на основе Ni и в некоторых случаях служат их заменителями. Из жаропрочных сталей с интерметаллидным упрочнением изготовляют компрессоры, турбины пароперегревателей и трубопроводы установок сверхвысокого давления, роторы, диски, лопатки турбин, крепежные детали с длительным сроком службы при температурах до 850 °С. (09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М)
Аустенитные коррозионно-стойкие стали на сегодняшний день являются наиболее вероятными конструкционными материалами демонстрационных и опытных установок и реакторов синтеза. Так, сталь типа Х16Н11М3Т предложена в качестве конструкционного материала разрядной камеры международного опытного термоядерного реактора ITER.
Аустенитные коррозионно-стойкие стали, применяемые в активной тоне ядерных реакторов, а также предполагаемые в качестве материала первой стенки и банкета ТЯР, могут накопить за период эксплуатации большие дозы нейтронов. В связи с этим остро стоит проблема устойчивости их микроструктуры под облучением.

и оболочки твэлов БН-350 и БН-600

 08Х18Н10Т
Нижние решетки, хвостовики, головки ВВЭР

циркониевыми сплавами

обработке
Свариваемость
Высокие антикоррозионные свойства
Высокая прочность
Упрочнение под действием флюенса нейтронов
Высокая жаропрочность
Малая термическая ползучесть до 600 °С
Малое сечение поглощения быстрых нейтронов
Достаточная коррозионная стойкость в натриевом теплоносителе
НО:
Более высокий коэффициент линейного расширения в сравнении с безникелевыми хромистыми сталями
Более низкая теплопроводность в сравнении с безникелевыми хромистыми сталями
Высокое сечение поглощения тепловых нейтронов
Склонность к радиационному распуханию

то в них происходит зарождение
и развитие объемных скоплений вакансий в виде вакансионных пор. Ясно, что образование таких полостей в
теле кристалла должно приводить к общему увеличению его объема, то есть к распуханию.
Впервые вакансионное распухание металлов, связанное с порами размером около 10 нм, экспериментально
было обнаружено в 1967 году. Причем, как оказалось, распухание, например сталей, может
достигать 6% и более.

Последствия распухания:
деформация,
изгибы,
увеличение размеров конструкции,
Что может привести к
самосвариванию отдельных деталей, заклиниваниям,
перегревам внутри работающих установок.

Закономерности этого явления:
зависимость от температуры,
зависимость от интенсивности и потоков излучения,
зависимость от механических напряжений,
зависимость от состояния материала (предварительной обработки, легирования и т.д.)

всегда имеющиеся в облучаемых материалах в достаточно большом количестве, взаимодействуют с образующимися в процессе облучения (образование пар Френкеля) межузельными атомами несколько сильнее, чем с вакансиями. Происходит преимущественное поглощение межузельных атомов (преферанс). Поток межузельных атомов на дислокации начинает несколько превосходить поток вакансий. В результате захвата точечных дефектов дислокации начинают переползать, а дислокационные петли, о которых речь шла выше, изменяют свои размеры. В итоге на долю вакансионных пор, являющихся в основном нейтральными стоками, приходится больший поток вакансий, чем межузельных атомов. И если нет каких-либо сдерживающих факторов для зарождения и роста пор, то облучаемый материал распухает.

при которой происходит облучение того или иного металлического образца (рис. 3). Типичная кривая температурной зависимости распухания имеет колоколообразный вид. Начиная с 0,25Тпл (Тпл – температура плавления) распухание растет с повышением температуры, достигая максимума при (0,4–0,45)Тпл , а затем с дальнейшим ростом температуры начинает уменьшаться, полностью исчезая при 0,55Тпл .
Однако такая зависимость неуниверсальна. При
больших потоках облучения в некоторых металлах и
сплавах проявляется второй максимум распухания в
области более высоких температур, причем чаще всего
распухание во втором максимуме больше, чем в первом
(см. рис. 3).

наличия механических напряжений в процессе облучения, а, как известно, конструкционные узлы энергетических установок всегда находятся под воздействием различных механических напряжений. В области значений напряжения от нуля до предела текучести материала наблюдается практически линейное возрастание распухания. Таким образом, образцы, находящиеся под напряжением, распухают быстрее, чем ненапряженные образцы.

в сплавах;
Второй – легирование сплавов, в частности конструкционных сталей, малыми количествами таких элементов, как Si, Ni, Ti, Zn, Mo, и уменьшение количества некоторых примесей, особенно газовых (He, O, N и H),
Третий способ – изменение начальной микроструктуры материала, а именно: его пластическая деформация, измельчение размера зерен в поликристаллах и создание в структуре устойчивых выделений вторых фаз.

пластичнооти облученного материала при его испытании в температурной области от 0,5 Тпл и выше. Как следует из приведенных на рис. I типичных, температурных зависимостей равномерного удлинения стали типа 347 без облучения и облученной в реакторе до флюенса 2,1*10^22 нейтр./см^2, начиная с 500°С наблюдается катастрофическая потеря пластичности у облученной стали. В отличие от низкотемпературного радиационного охрупчивания, пластичность в области ВТГО не восстанавливается отжигом при высоких температурах. Анализ результатов исследований облученных материалов позволяет выделить следующие эсновные признаки ВТРО.

температуры облучения
Влияние скорости деформации
Влияние типа кристаллической решетки

состоянии и облученного в реакторе приведена на графике. При температурах испытания вплоть до Тпл наблюдается значительная потеря пластичности облученных образцов. Перед проведением испытания образцы обычно выдерживают некоторое время при температуре испытания.

"пороговой" дозы, которая зависит от химического состава исследуемого материала, типа кристаллической решетки, размера зерна, термомеханической обработки и т.п.
Пороговая доза для никеля – 10^17… 10^18 нейтр/см2
Пороговая доза для аустенитных нерж сталей – 10^20… 10^21 нейтр/см2
С увеличением флюенса нейтронов пластичность материалов падает и дозовая зависимость потери пластичности для многих материалов в широком интервале температур проявления ВТРО описывается формулой

облученных как в реакторах, так и на ускорителях. Результаты одной из таких работ приведены на рис.
Видно, что для большого числа исследованных конструкционных материалов, облученных в реакторе, пластичность падает с уменьшением скорости деформации.

Подобная зависимость наблюдается и при испытаниях: образцов, насыщенных гелием С увеличением флюенса или содержания гелия чувствительность удлинения к скорости деформации снижается. Аналогичная зависимость наблюдается и на никеле

к некоторые другие материалы с ОЦК-решеткой менее склонны к ВТК), чем аустенитные стали и никелевые сплавы с ГЦК-решеткой

материала, то при достаточно высоких температурах материал начнет деформироваться (удлиняться). Такая пластическая деформация часто называется ползучестью материала.
Конструкционные узлы и детали современных ядерных энергетических установок находятся в напряженном состоянии и при этом работают при повышенных температурах. Поэтому одной из главных причин изменения их размеров наряду с распуханием является ползучесть, которая значительно усиливается под облучением. Оказалось, что для большинства материалов скорость радиационной ползучести значительно выше, чем скорость термической ползучести.