Мартенситная нержавеющая сталь: свойства и ключевые применения

Мартенситная нержавеющая сталь — это уникальная категория нержавеющей стали, характеризующаяся высокой прочностью и твердостью, достигаемой благодаря специальному процессу термической обработки. Классифицируется в основном как высокоуглеродистая сталь, мартенситные нержавеющие стали обычно содержат от 12 до 18% хрома и различные количества углерода, которые могут варьироваться от 0,1% до более 1,0%. Основные легирующие элементы, хром и углерод, значительно влияют на микроструктуру и свойства стали, придавая ей отличительные характеристики.

Комплексный обзор

Мартенситная нержавеющая сталь прежде всего известна своими отличными механическими свойствами, включая высокую прочность на растяжение и твердость, что делает ее подходящей для применения в условиях, требующих долговечности и износостойкости. Мартенситная структура, образующаяся при быстром охлаждении (закалке) из аустенитной фазы, приводит к стали, которая может быть значительно закалена. Этот сорт стали часто используется в приложениях, где критически важны прочность и стойкость к коррозии, таких как производство режущих инструментов, хирургических инструментов и различных компонентов в аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Преимущества:
- Высокая прочность и твердость: Мартенситные нержавеющие стали могут достигать высоких уровней твердости, что делает их идеальными для применения в резании и износостойких условиях.
- Хорошая коррозионная стойкость: Хотя они не так устойчивы к коррозии, как аустенитные сорта, мартенситные нержавеющие стали все же обеспечивают разумную стойкость к окислению и коррозии в определенных условиях.
- Термическая обработка: Возможность термической обработки позволяет подстраивать механические свойства для конкретных приложений.

Ограничения:
- Низкая вязкость: По сравнению с аустенитными нержавеющими сталями мартенситные сорта могут быть более хрупкими, особенно в закаленном состоянии.
- Проблемы с сваркой: Мартенситные нержавеющие стали могут быть трудны для сварки из-за их восприимчивости к трещинам и искажению во время сварочного процесса.
- Коррозионная стойкость: Хотя они обладают некоторой коррозионной стойкостью, они не подходят для сильно коррозионных сред, особенно содержащих хлориды.

Исторически мартенситные нержавеющие стали сыграли значительную роль в развитии материалов высокой производительности, с применениями, начинающимися с начала 20 века в производстве столовых приборов и хирургических инструментов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Сорт	Страна/Регион происхождения	Примечания
UNS	S41000	США	Ближайший эквивалент AISI 410
AISI/SAE	410	США	Широко используется для столовых приборов и хирургических инструментов
ASTM	A240	США	Стандартная спецификация для хромовой и хром-никелевой нержавеющей стали в листах и полосах
EN	1.4006	Европа	Эквивалент AISI 410, незначительные композиционные различия
JIS	SUS 410	Япония	Схожие свойства с AISI 410
ISO	410S	Международный	Обозначение для мартенситной нержавеющей стали с более низким содержанием углерода

Незначительные различия между эквивалентными сортами, такие как различные содержания углерода или дополнительные легирующие элементы, могут значительно повлиять на характеристики производительности стали, особенно в отношении твердости, коррозионной стойкости и свариваемости.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.08 - 1.00
Cr (Хром)	12.0 - 18.0
Ni (Никель)	0.0 - 2.0
Mo (Молибден)	0.0 - 1.0
Mn (Марганец)	0.0 - 1.0
Si (Кремний)	0.0 - 1.0
P (Фосфор)	≤ 0.04
S (Сера)	≤ 0.03

Основная роль ключевых легирующих элементов в мартенситной нержавеющей стали включает:
- Углерод (C): Увеличивает твердость и прочность за счет образования мартенсита во время термической обработки.
- Хром (Cr): Увеличивает коррозионную стойкость и способствует образованию пассивного оксидного слоя.
- Никель (Ni): Улучшает вязкость и пластичность, хотя присутствует в меньших количествах по сравнению с аустенитными сортами.
- Молибден (Mo): Увеличивает стойкость к раковинной коррозии, особенно в хлоридной среде.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Температура теста	Типичное значение/Диапазон (метрическое)	Типичное значение/Диапазон (империал)	Ссылка на стандарт для метода испытания
Прочность на растяжение	Закаленная и отпущенная	Температура окружающей среды	600 - 900 МПа	87 - 130 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (0.2% сдвиг)	Закаленная и отпущенная	Температура окружающей среды	400 - 700 МПа	58 - 102 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отпущенная	Температура окружающей среды	10 - 20%	10 - 20%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная и отпущенная	Температура окружающей среды	40 - 55 HRC	40 - 55 HRC	ASTM E18
Ударная прочность (Шарпи)	Закаленная и отпущенная	-20°C (-4°F)	30 - 50 Дж	22 - 37 фунт-футов	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и твердости делает мартенситную нержавеющую сталь подходящей для приложений, требующих сопротивления механическим нагрузкам и структурной целостности. Ее способность сохранять прочность при повышенных температурах также способствует ее универсальности в различных инженерных применениях.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическое)	Значение (империал)
Плотность	-	7.7 г/см³	0.278 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Теплопроводность	20°C	25 Вт/м·К	17.3 BTU·in/h·ft²·°F
Удельная теплоемкость	20°C	500 Дж/кг·К	0.12 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	20°C	0.7 µΩ·м	0.0000007 Ω·фут
Коэффициент теплового расширения	20-100°C	16.5 µм/м·К	9.2 µдюйма/дюйм·°F

Ключевые физические свойства, такие как плотность и температура плавления, критически важны для приложений, требующих определенного веса и теплового управления. Теплопроводность показывает, насколько хорошо материал может рассеивать тепло, что особенно важно в условиях высокой температуры.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-10	20-60 (68-140)	Умеренная	Подвержена раковине
Серная кислота	10-30	20-60 (68-140)	Плохая	Не рекомендуется
Уксусная кислота	5-20	20-60 (68-140)	Хорошая	Умеренная стойкость
Морская вода	-	20-60 (68-140)	Умеренная	Риск коррозии в трещинах

Мартенситная нержавеющая сталь демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в средах с хлоридами, где она подвержена образованию раковин и трещин коррозионного напряжения (SCC). По сравнению с аустенитными сортами, такими как 304 или 316 нержавеющая сталь, мартенситные сорта менее устойчивы к коррозионным средам, что делает их менее подходящими для морских приложений или химических процессов.

Тепловая стойкость

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	300	572	При превышении этой температуры окисление увеличивается
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	400	752	Только кратковременное воздействие
Температура отслаивания	600	1112	Риск отслаивания выше этой температуры
Начало проблем с ползучестью	500	932	Ползучесть может стать проблемой

При повышенных температурах мартенситные нержавеющие стали могут подвергаться окислению и потере механических свойств. Максимальная температура непрерывной эксплуатации критически важна для приложений, связанных с теплом, так как продолжительное воздействие может привести к деградации целостности материала.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
TIG	ER410	Аргон	Рекомендуется предварительный подогрев
MIG	ER410	Смесь аргоном + CO2	Советуем термическую обработку после сварки
Электродная сварка (SMAW)	E410	-	Требует точного контроля

Мартенситные нержавеющие стали могут быть трудны для сварки из-за их восприимчивости к трещинам. Часто требуется предварительный подогрев перед сваркой и термическая обработка после сварки для снятия напряжений и предотвращения дефектов. Выбор filler-металла имеет важное значение для обеспечения совместимости и сохранения желаемых свойств.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Мартенситная нержавеющая сталь	Эталонная сталь (AISI 1212)	Примечания/Советы
Относительный индекс обрабатываемости	60	100	Требует острых инструментов
Типичная скорость резки	20-30 м/мин	40-50 м/мин	Использование охлаждающей жидкости необходимо

Обрабатываемость мартенситной нержавеющей стали умеренная; требуется тщательный выбор режущих инструментов и параметров, чтобы избежать чрезмерного износа. Рекомендуется использовать инструменты из быстрорежущей стали или карбида для оптимальной производительности.

Формуемость

Мартенситные нержавеющие стали не так легко формируются, как аустенитные сорта, из-за их высокой прочности и твердости. Холодное формирование возможно, но следует проявлять осторожность, чтобы избежать трещин. Горячее формирование возможно, но требует точного контроля температуры для сохранения желаемых свойств.

Термическая обработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель/Ожидаемый результат
Отжиг	800-1000 / 1472-1832	1-2 часа	Воздух или вода	Снижение твердости, улучшение пластичности
Закалка	1000-1100 / 1832-2012	-	Вода или масло	Закалка
Отпуск	300-700 / 572-1292	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение вязкости

Процессы термической обработки значительно изменяют микроструктуру мартенситной нержавеющей стали, повышая ее твердость и прочность, одновременно позволяя вносить изменения в вязкость. Превращение из аустенита в мартенсит во время закалки имеет ключевое значение для достижения желаемых механических свойств.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, использованные в этом применении	Причина выбора
Аэрокосмическая	Компоненты летательных аппаратов	Высокая прочность, усталостная стойкость	Критично для безопасности и производительности
Медицинская	Хирургические инструменты	Коррозионная стойкость, твердость	Требуется стерилизация и долговечность
Автомобильная	Компоненты двигателя	Износостойкость, производительность при высоких температурах	Надежность при нагрузках
Нефть и газ	Компоненты клапанов	Коррозионная стойкость, прочность	Жесткие условия требуют прочных материалов

Другие применения включают:
- Столовые приборы: Высокая твердость для удержания острия.
- Крепежные изделия: Прочность и коррозионная стойкость в различных средах.
- Насосы и клапаны: Долговечность в коррозионных жидкостях.

Мартенситная нержавеющая сталь выбирается для этих приложений из-за уникального сочетания прочности, твердости и умеренной коррозионной стойкости, что делает ее подходящей для сложных условий.

Важно учитывать, критерии выбора и дальнейшие рекомендации

Особенность/Свойство	Мартенситная нержавеющая сталь	Нержавеющая сталь AISI 304	Нержавеющая сталь AISI 316	Краткий плюс/минус или заметка о компромиссе
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность	Хорошая пластичность	Отличная коррозионная стойкость	Мартенситная сталь прочнее, но менее пластична
Ключевое коррозионное свойство	Умеренная стойкость	Отличная стойкость	Превосходная стойкость	Мартенситная сталь менее подходит для коррозионных сред
Свариваемость	Трудная	Хорошая	Хорошая	Мартенситная сталь требует большего внимания при сварке
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	Мартенситная сталь требует более острых инструментов
Формуемость	Ограниченная	Отличная	Хорошая	Мартенситная сталь менее формуемая
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Более высокая	Стоимость варьируется в зависимости от легирующих элементов
Типичная доступность	Общая	Очень распространенная	Общая	Доступность может повлиять на сроки проекта

При выборе мартенситной нержавеющей стали необходимо учитывать конкретные механические и коррозионные требования применения, необходимость в сварке или обработке и рентабельность. Ее уникальные свойства делают ее подходящей для специализированных применений, однако необходимо внимательно относиться к ее ограничениям, особенно в коррозионных средах и в процессе производства.