Материаловедение спецсплавов : коррозионностойкие материалы

№ 1210

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра металловедения и физики прочности

Ю.А. Крупин
В.Б. Филиппова

Материаловедение
спецсплавов

Коррозионностойкие материалы

Учебное пособие

Допущено учебнометодическим объединением
по образованию в области металлургии в качестве
учебного пособия для студентов высших учебных
заведений, обучающихся по направлению Металлургия
и специальности Физикохимия процессов и материалов

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 669.018.8 
 
К84 

Р е ц е н з е н т  
д-р хим. наук, проф. А.Г. Ракоч 

Крупин Ю.А., Филиппова В.Б. 
К84  
Материаловедение спецсплавов: Коррозионностойкие материалы: Учеб. пособие. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2008. – 152 с. 

В учебном пособии рассмотрен широкий спектр материалов, применяемых в качестве коррозионностойких – от нержавеющих сталей до сплавов на 
основе цветных металлов. Приведены основные характеристики этих материалов, даны указания по их обработке и применению. В доступной форме 
изложены основные методы повышения коррозионной и жаростойкости, в 
том числе и при химико-термической обработке. После каждой рассмотренной темы приведены типовые вопросы и задачи для подготовки к семинарам 
и контрольным работам, помогающие проверить и закрепить изученный материал. 
Содержание соответствует программе курса «Материаловедение спецсплавов». 
Предназначается для студентов четвертого курса специальности 150701, 
а также может использоваться студентами специальностей 150105 и 150702. 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие.............................................................................................5 
Используемые сокращения и обозначения ...........................................6 
Введение...................................................................................................7 
1. Основные типы коррозионного разрушения ....................................9 
1.1. Факторы, влияющие на появление коррозии............................9 
1.2. Щелевая коррозия .....................................................................11 
1.3. Питтинговая коррозия...............................................................12 
1.4. Межкристаллитная коррозия....................................................14 
1.5. Влияние механических факторов на коррозию......................19 
1.6. Коррозионное растрескивание.................................................20 
1.7. Коррозионная усталость ...........................................................23 
1.8. Коррозионная кавитация ..........................................................24 
1.9. Коррозионная эрозия.................................................................25 
Контрольные вопросы......................................................................25 
2. Нержавеющие стали..........................................................................27 
2.1. Классификация ..........................................................................27 
2.2. Принципы легирования коррозионностойких сталей............29 
2.3. Хромистые нержавеющие стали..............................................31 
2.3.1. Состав, структура и свойства хромистых сталей..............31 
2.3.2. Мартенсито-ферритные и мартенситные стали................32 
2.3.3. Ферритные коррозионностойкие стали .............................36 
2.3.4. Термообработка хромистых сталей ...................................46 
2.4. Аустенитные коррозионностойкие стали................................47 
2.4.1. Хромоникелевые стали........................................................47 
2.4.2. Хромомарганцевоникелевые и хромомарганцевые стали....55 
2.4.3. Микрокристаллические и легированные РЗМ 
аустенитные стали.................................................................................58 
2.5. Двухфазные коррозионностойкие стали .................................59 
2.5.1. Аустенито-ферритные стали...............................................59 
2.5.2. Аустенитно-мартенситные стали .......................................61 
2.6. Литые кислотостойкие стали....................................................63 
Контрольные вопросы......................................................................64 
3. Железоникелевые сплавы .................................................................66 
4. Коррозионностойкие чугуны............................................................67 
5. Криогенные стали..............................................................................68 
6. Мартенситно-стареющие стали........................................................70 
7. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы ................................74 
7.1. Основы жаропрочности ............................................................74 
7.1.1. Основные механические характеристики, 
применяемые для жаростойких и жаропрочных материалов....74 

7.1.2. Влияние состава и свойств газовой среды 
на жаростойкость................................................................................... 75 
7.2. Принципы легирования ............................................................ 77 
7.3. Особенности выбора жаростойких материалов ..................... 80 
7.4. Теплоустойчивые стали ............................................................ 82 
7.5. Хромистые мартенситно-ферритные и мартенситные 
стали........................................................................................................ 83 
7.6. Аустенитные жаропрочные стали............................................ 86 
7.6.1. Гомогенные аустенитные стали ......................................... 87 
7.6.2. Стали с карбидным упрочнением....................................... 87 
7.6.3. Стали с интерметаллидным упрочнением......................... 88 
Контрольные вопросы...................................................................... 90 
8. Химико-термическая обработка стали ............................................ 92 
8.1. Основы теории химико-термической обработки ................... 92 
8.2. Азотирование............................................................................. 95 
8.3. Силицирование.......................................................................... 96 
8.4. Хромирование............................................................................ 97 
8.5. Алитирование ............................................................................ 99 
8.6. Титанирование......................................................................... 100 
8.7. Цинкование .............................................................................. 101 
Контрольные вопросы.................................................................... 104 
9. Сплавы на основе цветных металлов............................................. 105 
9.1. Никель и его сплавы................................................................ 105 
9.1.1. Общая характеристика ...................................................... 105 
9.1.2. Никелево-медные сплавы.................................................. 109 
9.1.3. Никель-молибденовые сплавы ......................................... 109 
9.1.4. Никель-хромовые сплавы ................................................. 111 
9.2. Кобальт и его сплавы .............................................................. 114 
9.3. Хром и его сплавы................................................................... 116 
9.4. Титан и его сплавы.................................................................. 117 
9.5. Цирконий, ниобий и гафний................................................... 121 
9.6. Вольфрам и молибден и их сплавы ....................................... 125 
9.7. Бериллий .................................................................................. 128 
9.8. Алюминий и его сплавы ......................................................... 129 
9.8.1. Алюминий .......................................................................... 129 
9.8.2. Алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой ....132 
9.9. Магний и его сплавы............................................................... 136 
9.10. Медь и ее сплавы................................................................... 139 
Контрольные вопросы.................................................................... 144 
Библиографический список................................................................ 145 
Приложения ......................................................................................... 146 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В соответствии с программой курса «Металловедение спецсплавов» раздел «Коррозионностойкие материалы» студенты изучают на 
лекциях (в объеме 34 часов) и семинарах (17 часов). Самостоятельная работа студентов при изучении данного курса связана с определенными трудностями из-за большого объема материала, который 
обусловлен как широтой охвата различных коррозионностойких металлов и сплавов, сложностью различных видов обработок (включая 
термическую и химико-термическую), так и значимостью умения 
ориентироваться в многообразии материалов и делать обоснованный 
выбор необходимого материала для длительной и безаварийной эксплуатации коррозионностойких металлов и сплавов в производстве. 
Основная цель настоящего пособия – оптимизировать самостоятельную работу студентов и заинтересовать их в дальнейшем самостоятельном изучении тех тем, которые студенты могут развивать в 
рамках курсовых научно-исследовательских работ. Пособие должно 
дать студентам устойчивые навыки решения конкретных практических задач при использовании теоретического материала, помочь 
повысить степень усвоения знаний. 
При большом количестве изучаемого материала как на лекциях, 
так и при самостоятельной работе со стороны преподавателя необходим систематический контроль. Для его обеспечения целесообразно 
проведение двух самостоятельных (по темам 1 и 8) и трех контрольных (темы 2–6, 7 и 9) работ. Также студентам в середине семестра 
выдается домашнее задание, защита которого проводится на семинаре в конце семестра. В течение зачетной недели проводится письменный зачет, включающий в себя как отдельные вопросы по пройденному материалу, так и практические задачи. 
Авторы выражают глубокую признательность и благодарность за 
предоставленные к главе 8 материалы В.И. Андрюшечкину, Т.С. Рощупкиной и другим сотрудникам кафедры металловедения и физики 
прочности. 

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 
И ОБОЗНАЧЕНИЯ 

РЗМ  
– 
редкоземельные металлы 
ГЦК 
– 
гранецентрированная решетка 
ОЦК 
– 
объемно-центрированная решетка 
ГПУ 
– 
гексагональная плотноупакованная решетка 
ЭШП – 
электрошлаковый переплав 
ВД 
– 
вакуумно-дуговой (переплав) 
ГПД 
– 
горячая пластическая деформация 
ХПД 
– 
холодная пластическая деформация 
Мн 
– 
температура начала мартенситного превращения 
Мк 
– 
температура окончания мартенситного превращения 
Мд 
– 
температура начала мартенситного превращения при деформации 
HB 
– 
твердость по шкале Бринелля 
HRB 
– 
твердость по шкале В Роквелла 
HRC 
– 
твердость по шкале С Роквелла 
KCU 
– 
ударная вязкость Дж/см2 или кгс⋅/см2 (1 Дж/см2 ≈ 01, кгс⋅/см2) 
К1С 
– 
вязкость разрушения, МПа⋅м1/2 
ак 
– 
работа разрушения, Дж 
δ 
– 
относительное удлинение, % 
ψ 
– 
относительное сужение, % 
ε 
– 
относительное деформация, % 
σв 
– 
предел прочности, МПа 
σт 
– 
предел текучести, МПа 
σ0,2 
– 
условный предел текучести, МПа 

900
100
σ
 
– 
предел длительной прочности, указывается температура испытания 
(°С) и время (ч), МПа 

4

900
110−
⋅
σ
 – 
предел ползучести при заданной температуре (°С) и скорости ползучести (%/ч), МПа 

900
1/1000
σ
 – 
предел ползучести при заданных температуре (°С), удлинении (%) 
и времени (ч) его достижения, МПа 

ВВЕДЕНИЕ 

Хромистая сталь, изготовляемая тигельным способом, была известна еще с 1869 года и широко применялась для деталей дробилок 
и бронированных сейфов. В 1892 году англичанин Р. Гадфильд 
опубликовал обширное исследование сплавов, содержавших от 1,25 
до 2,15 % углерода и от 11 до 17 % хрома. Они ковались с трудом 
или вообще не поддавались ковке и казались малообещающими. 
Во Франции в 1904 году Л. Гийе опубликовал серию статей о 
хромистых нержавеющих сталях мартенситного и ферритного классов, позднее вышли его работы об аустенитных хромоникелевых 
сталях. Он определил металлографическую структуру и механические свойства исследованных сталей и дал основную их классификацию. Исследования Л. Гийе были закончены в 1909 году А. Портвеном и В. Гисеном. В 1917 и 1918 годах во Франции были запатентованы стали, содержащие до 10…15 % Cr и 20…40 % Ni, входящие в 
серию сплавов ATV. 
В 1905 году Элвуд Хейнес (США) впервые предложил сплавы никеля или кобальта с хромом для изготовления контактов запальных 
свечей для двигателей внутреннего сгорания. 
В 1910 году в Германии Штраус исследовал железохромоникелевые сплавы с целью подобрать наилучший материал для кожухов 
термопар. В поисках такого сплава Штраус в соавторстве с соотечественником Э. Маурером разработал две марки высоколегированной 
хромоникелевой стали, которые внедрила в производство фирма 
Круппа. Первая сталь принадлежала к мартенситному классу и была 
обозначена маркой «V1M» (0,15 % С; 14 % Cr; 1,8 % Ni), вторая принадлежала к аустенитному классу и обозначалась маркой «V2A» 
(0,25 % С; 20 % Cr; 7 % Ni). Осенью 1912 года оба типа сплавов были 
запатентованы фирмой Круппа и вскоре поступили на рынок. Решающий прорыв по овладению металлургической проблемой и по 
обеспечению возможности применения коррозионностойких сталей в 
технике сделал Эдуард Маурер, разработав основы термической обработки таких сталей с получением хорошей их обрабатываемости и 
высокой вязкости. В 1911 году П. Моннарц, изучая процессы пассивации сплавов железа с хромом и никелем, указал критический предел содержания хрома (12 %), ниже которого пассивации не наблюдается. 

Считается, что первооткрывателем нержавеющей стали является 
английский металлург Гарри Брэрли. В попытках получить сплав, 
который смог бы защитить винтовочные стволы от эрозии и разгара, 
он обнаружил, что при добавлении хрома в состав низкоуглеродистой стали она становится устойчивой к ржавлению. Было изготовлено несколько образцов с содержанием хрома в пределах 5…15 % и 
различным содержанием углерода. К тому времени твердая сталь, 
содержащая хром, производилась уже немало лет, но содержание 
хрома было низким (около 5 %) и лишь ограничивало коррозийную 
стойкость. Первую нержавеющую сталь для промышленного применения, содержащую 0,4 % углерода и 14 % хрома, изготовила в 1914 
году компания «Томас Фирт и сыновья». Поначалу новая сталь не 
имела популярности: ее нельзя было ковать вручную, требовался новый метод закалки и отпуска, и, кроме того, она забивала точильные 
камни быстрее обычных сталей. Постепенно эти трудности были 
преодолены, после Первой мировой войны спрос на режущие изделия из нержавеющей стали начал расти. 
Таким образом, практически одновременно в разных странах ученые пришли к открытию сплавов с высокой коррозионной стойкостью, 
что явилось завершением ряда длительных исследований и было обусловлено развитием технического прогресса в промышленности. 
Сегодня высокая стоимость нержавеющих и жаропрочных сталей, 
складывающаяся из высокой стоимости как материалов, так и самого 
процесса производства, с избытком окупается в тех областях промышленности, где они применяются. Использование высокохромистых сталей позволило коренным образом изменить технологию целого ряда химических и машиностроительных производств и перейти 
на более высокие рабочие температуры и давления. 

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОРРОЗИОННОГО 
РАЗРУШЕНИЯ 

1.1. Факторы, влияющие на появление коррозии 

Коррозионные процессы протекают на границе металл – внешняя 
среда. При этом внешняя среда называется коррозионной. Обычно 
при рассмотрении любого процесса коррозии возникают два вопроса, 
почему: происходит коррозионный процесс и как он протекает. Иными словами это означает, что должны быть получены термодинамическая и кинетическая характеристики рассматриваемой системы. Установлено, что возможность коррозии и изменения ее скорости определяется совокупностью внутренних и внешних факторов. Внутренние 
факторы связаны с природой (составом) и состоянием металла, в частности, с его термической и механической обработкой. В зависимости 
от термообработки металлический сплав может приобретать ту или 
иную структуру, иметь тот или иной фазовый состав, различную концентрацию компонентов сплава в разных точках зерен – кристаллитов. 
В результате термических воздействий на поверхности металла могут формироваться слои, находящиеся под действием внутренних 
напряжений (сжатие, растяжение). Поверхность металла может быть 
обработана разными способами: резцом, фрезой, шлифовальным 
кругом и т.д. Способ обработки поверхности металла формирует его 
шероховатость, влияющую на удержание влаги на поверхности металла, т.е. и на условия его коррозии. 
Внешние факторы коррозии определяют состав и состояние коррозионной среды, ее температуру, скорость перемещения относительно 
поверхности металла и другие условия, могущие значительно изменить 
скорость процесса, его характер, локализацию и даже механизм. 
Определенные сочетания внешних и внутренних факторов приводят к возникновению характерных признаков коррозионных процессов, на основании которых классифицируют все многообразие коррозионных разрушений. Такое деление облегчает разработку средств 
борьбы с коррозией. 
В качестве классификационных признаков коррозии используют 
механизм коррозионного процесса, геометрические характеристики 
коррозионных разрушений, условия взаимодействия металла с коррозионной средой, характер дополнительных воздействий на корродирующий металл в процессе его взаимодействия с внешней средой и др. 

Коррозией называют разрушение металла при химическом или 
электрохимическом воздействии окружающей среды. По механизму 
протекания различают химическую коррозию, возникающую под 
воздействием газов и неэлектролитов (нефть), и электрохимическую, 
развивающуюся в случае контакта металла с электролитами (кислоты, щелочь, соли, влажная атмосфера, почва, морская вода). Электрохимическая коррозия имеет свои разновидности: равномерная (по 
всей поверхности) и локальная (на отдельных участках поверхности). 
Максимальный ущерб металлическим конструкциям наносит локальная коррозия, когда при относительно небольших потерях массы 
происходит резкое снижение конструктивной прочности. Наиболее 
распространенными видами локальной коррозии являются щелевая, 
питтинговая и интеркристаллитная (межкристаллитная – МКК), а в 
условиях напряженного состояния (наличие растягивающих напряжений) реализуются такие виды коррозионного разрушения, как коррозионная усталость и коррозионное растрескивание (КР). 
В металле коррозионный процесс часто реализуется за счет возникновения на его поверхности микрогальванических элементов в 
связи с наличием там участков, обладающих различным электрохимическим потенциалом. Электрохимическая неоднородность может 
быть вызвана как наличием в сплаве нескольких фаз, так и разницей 
электрохимического потенциала на границе зерна и в объеме зерна. 
В данном случае по границам зерна реализуется МКК. 
Стали, устойчивые против электрохимической коррозии, называются коррозионностойкими (нержавеющими) сталями (КСС). Устойчивость стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту 
с внешней средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде. 
Железо не является коррозионностойким металлом. Чистое железо активно взаимодействует со всеми элементами. Повысить коррозионностойкость можно введением легирующих элементов (ЛЭ), которые вызывают его пассивацию. Пассивация – эффект создания на 
поверхности стальной детали тонкой защитной пленки, подслоем 
которой является кислород. В результате электронный потенциал 
становится положительным и поверхность становится менее склонной к коррозии. Усиливают пассивацию Cr, Ni, Cu, Mo, Pt, Pd. Особенно сильно влияет хром. 

Пониженная коррозионная стойкость (КС) железа объясняется 
недостаточной заторможенностью кинетики коррозионных процессов на железе в природных условиях. 
Незначительные легирующие или примесные добавки или изменения структуры не приводят к заметному изменению скорости коррозии. Исключение составляют хром и никель, влияние которых 
подробно будет рассмотрено далее, а также медь. Введение в сталь 
0,3…0,5 % меди (10ХСНД, 10ХГСНД, 15Г2АФД, 09Г2Д, 10Г2БД и 
т.д.) приводит к повышению коррозионной стойкости в атмосферных 
условиях. Это объясняется действием накапливающихся на поверхности катодных включений меди, смещающих потенциал стали в положительную сторону и способствующих пассивации металла в газовой среде, не содержащих ионы хлора и оксидов серы. Скорость 
коррозии после четырех лет эксплуатации стали с медью 5–6 раз ниже, чем у аналогичной стали без меди. 

1.2. Щелевая коррозия 

Щелевая коррозия (ЩК) – избирательное интенсивное разрушение металла в зазоре. Щели неизбежно образуются при соединении 
любых деталей, в том числе и между прокладочным материалом и 
деталью. Наибольшую чувствительность к ЩК проявляют пассивные 
металлы (коррозионностойкие стали, алюминий и его сплавы) в случаях возможной депассивации. 
Особенности механизма ЩК: 
– пониженное содержание окислителя по сравнению с объемом 
раствора; 
– замедленный отвод продуктов коррозии из зоны реакции. 
При этом снижается эффективность коррозионного процесса. 
Снижение концентрации окислителя и падение значения катодного 
тока приводит к тому, что потенциал металла смещается в отрицательную сторону и поверхность в данном месте становится активной. 
Это ведет к нарушению поверхностной пассивирующей пленки, и 
металл начинает растворяться. Гидролиз продуктов коррозии вызывает подкисление раствора и дальнейшую активацию коррозионного 
процесса. Возможен случай, когда металл в щели становится анодом 
по отношению к поверхности и скорость коррозии возрастает. 
В принципе, нержавеющие стали не все и не всегда стойки к щелевой коррозии. Лучше противостоят данному типу разрушения стали, 
содержащие молибден. Например, монит (ферритная сталь с 25,5 % Cr, 

4 % Мо и 4 % Ni), 254SMO (аустенитная с 19 % Cr; 6 % Mo; 18 % Ni; 
0,7 % Cu и микролегированная Nb и Ti), Ferralium225 (аустенитноферритная с 25,5 % Cr; 3 % Mо; 5 % Ni; 2 % Cu и 0,35 % W). В некоторых средах очень склонны к щелевой коррозии титан и его сплавы, 
алюминий, а медь и оловянные бронзы к ней стойки. Однако цинковые латуни подвержены сильной щелевой коррозии и обесцинкованию. 
Мерами защиты против ЩК являются рациональное конструирование, уплотнение зазоров, выбор соответствующих стойких материалов и электрохимическая защита как катодная (поляризация конструкций от внешнего источника), так и протекторная (контакт с 
жертвенным анодом). 

1.3. Питтинговая коррозия 

Питтинговой коррозии (ПК) подвергаются ограниченные участки 
металла, а вся остальная поверхность находится в пассивном состоянии, что приводит к образованию глубоких точечных язв – питтингов. Питтинговой коррозии подвержены коррозионностойкие стали, 
алюминий и его сплавы, никель, цирконий, титан и др. 
Как правило, данный вид разрушения поверхности наступает в 
растворах с окислителями и активирующими анионами. Основное 
условие питтингообразования – смещение электрохимического потенциала положительнее некоторого критического значения. Поверхность питтинга становится анодом и разрушается с высокой скоростью. Однако такая система будет электрохимически неустойчива. 
Можно выделить некоторые стадии питтингообразования: возникновение; начальный рост, который в зависимости от условий может 
привести к репассивации или перейти в третью стадию – стабильный 
рост язвы. Критический радиус питтинга, при котором он может перейти из разряда репассивирующегося в растущий, равен примерно 
7 мкм. 
Стойкость металлов к питтинговой коррозии определяется: 
– природой металла и составом сплава; 
– структурой и состоянием поверхности; 
– видом агрессивных анионов и их концентрацией в растворе; 
– температурой среды. 
Так, алюминий и его сплавы в средах с ионами галогенов подвергаются ПК. Склонность к данному разрушению зависит от состояния 
оксидной пленки, наличия вторых фаз, температуры и времени отжи