UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA
MAGISTRSKO DELO
MARKO ČEŠNJAJ
LJUBLJANA 2021
UNIVERZA V LJUBLJANI
NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO
VPLIV TOPLOTNE OBDELAVE NA MEHANSKE LASTNOSTI IN MIKROSTRUKTURO JEKLA PK993
MAGISTRSKO DELO
MARKO ČEŠNJAJ
LJUBLJANA, junij 2021
UNIVERSITY OF LJUBLJANA
FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALURGY
EFECT OF HEAT TREATMENT ON MECHANICAL PROPERTIES AND MICROSTRUCTURE OF PK993
STEEL
MASTER‘s THESIS
MARKO ČEŠNJAJ
LJUBLJANA, June 2021
iv PODATKI O MAGISTRSKEM DELU
Število listov: 96 Število strani: 56 Število slik: 67
Število preglednic: 10 Število virov in literature: 37 Število prilog: 10
Študijski program: magistrski študijski program 2. stopnje Metalurgija in materiali
Komisija za zagovor magistrskega dela:
Predsednik: red. prof. dr. Peter Fajfar Mentor: izr. prof. dr. Aleš Nagode Somentor: doc. dr. Jaka Burja Član: red. prof. dr. Milan Bizjak
Ljubljana,
v ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, izr. prof. dr. Alešu Nagodetu, in somentorju, doc. dr. Jaki Burji, za nasvete, strokovno pomoč, usmerjanje in podporo pri nastajanju magistrskega dela.
Posebno zahvalo namenjam dr. Blažu Šulerju iz SIJ Metal Ravne za podporo in pomoč pri izvedbi eksperimentalnega dela ter analizi rezultatov.
Hvala zaposlenim iz laboratorijske kalilnice, delavnice vzorcev, mehanskega in metalografskega laboratorija ter oddelka za raziskave in razvoj podjetja SIJ Metal Ravne, d.o.o.
Zahvaljujem se svoji družini, sošolcem in prijateljem, ki so mi stali ob strani in me podpirali v času študija in pri izdelavi magistrske naloge.
vi IZVLEČEK
V magistrski nalogi smo preučevali vpliv interkritičnega žarjenja na mehanske lastnosti in mikrostrukturo jekla PK993/1CH13N3. Trenutna toplotna obdelava jekla te kvalitete sestoji iz kaljenja na 1000 °C in popuščanja na 530 °C. Na ta način dosegamo vse zahtevane mehanske lastnosti z izjemo udarne žilavosti.
Zaradi tega razloga se v sistem toplotne obdelave jekla PK993/1CH13N3 uvaja dodatno interkritično žarjenje za doseganje ustrezne kombinacije vseh zahtevanih mehanskih lastnosti. Vzorce, izdelane iz valjane palice s premerom 70 mm, smo razdelili v dve seriji. V prvi seriji smo vzorce kalili in nizkotemperaturno popuščali na različnih temperaturah. V drugi seriji pa smo med kaljenjem in nizkotemperaturnim popuščanjem izvedli še interkritično žarjenje vzorcev nad evtektoidno temperaturo AC1. S tem smo želeli ugotoviti vpliv interkritičnega žarjenja na mehanske lastnosti in mikrostrukturo jekla PK993/1CH13N3. Analiza mikrostrukture je potekala z uporabo svetlobnega in vrstičnega elektronskega mikroskopa. Za vsako od izvedb toplotne obdelave je sledila serija preizkusov za določanje napetosti tečenja, natezne trdnosti, trdote, udarne žilavosti in raztezka ter kontrakcije po pretrgu. Z dilatometrijskim preizkusom smo določili tudi temperature AC1, AC3, Ms in Mf. Dodatno se je izvedla tudi serija simulacij s programom Thermo-calc in XRD analiza. Na podlagi rezultatov smo zaključili, da se na temperaturi avstentizacije po mejah avstenitnih kristalnih zrn tvori tanka karbidna plast. Ta plast ostaja stabilna tudi po nizkotemperaturnem popuščanju vzorcev prve serije. Po interkritičnem žarjenju vzorcev druge serije ta karbidna plast ni več prisotna, dodatno se začnejo izločati karbidni izločki. S tem se zniža vsebnost ogljika in karbidotvornih elementov v trdni raztopini, kar zviša temperaturo Ms po ohlajanju s temperature interkritičnega žarjenja. Tvori se tudi nov, sveži martenzit. Spremembe v mikrostrukturi znižajo vrednosti vseh mehanskih lastnosti z izjemo udarne žilavosti. V splošnem tako dosegamo boljšo kombinacijo vseh mehanskih lastnosti. Poleg tega se nekoliko zmanjša tudi standardna deviacija posameznih merljivih vrednosti znotraj posamezne serije.
Ključne besede: jeklo PK993/1CH13N3, martenzitna nerjavna jekla, mikrostrukturna analiza, interkritično žarjenje, mehanske lastnosti, udarna žilavost
vii ABSTRACT
In this study an effect of intercritical annealing was observed on an PK993/1CH13N3 martensitic stainless steel. Current heat treatment for PK993/1CH13N3 steel consists of quenching from 1000 °C and tempering at 530 °C. With this heat treatment all required mechanical properties are achieved, with an exception of impact toughness. Additional intercritical annealing was purposed to achieve better combination of all mechanical properties. To test that, two series of heat treatments were performed on samples taken from a rolled bar diameter 70 mm. In first series all samples were water quenched and tempered at different low temperatures. In second series an additional intercritical annealing above AC1 temperature was performed in between two previously mentioned steps of heat treatment. The study focuses on how this additional intercritical annealing effects microstructure and mechanical properties of PK993/1CH13N3 steel. Microstructure was observed using light and scanning electron microscope, while mechanical tests were performed to determine yield point, tensile strength, impact toughness, elongation, contraction and hardness. In addition to that, dilatometry tests were performed to determine AC1, AC3, Ms and Mf temperatures for PK993/1CH13N3 steel. For additional research Thermo-calc simulations and XRD analysis were performed. It has been concluded that a thin carbide film forms around austenitic grain bounders during austeitization. After only tempering at low temperatures this film stays stable. With intercritical annealing bigger spherical carbides form and the film is no longer present on the grain boundaries.
Because more carbides form, Ms temperature raises after intercitical annealing.
In addition to that, new and fresh martensite forms after cooling form an annealing temperature higher than AC1 point. Changes in microstructure lower all mechanical properties except impact toughness and provide a better combination of all mechanical properties. It also lowers standard deviations of all mechanical properties within a given heat treated series.
Key words: PK993/1CH13N3 steel, martensitic stainless steel, microstructural analysis, intercritical annealig, mechanical properties, impact toughness
viii ŠIRŠI POVZETEK VSEBINE
V magistrski nalogi smo preučevali vpliv interkritičnega žarjenja na mehanske lastnosti in mikrostrukturo jekla PK993/1CH13N3. Jeklo te kvalitete izdelujejo v podjetju SIJ Metal Ravne in spada v skupino martenzitnih nerjavnih jekel. Gre za jeklo z masnim deležem ogljika od 0,08 % do 0,15 %, masnim deležem kroma od 12,50 % do 14,50
% in masnim deležem niklja od 2,20 % do 3,00 %. To jeklo se izdeluje za posebne namene v jedrski tehniki, kjer so zahteve po kemijski sestavi, mikrostrukturi in mehanskih lastnostih izredno stroge.
Obstoječ predpis toplotne obdelave jekla PK993 sestoji iz kaljenja na 1000 °C in popuščanja pri 530 °C. Na ta način se dosežejo vse zahteve glede lastnosti jekla z izjemo žilavosti. To nakazuje na pojav popuščne krhkosti oz. izločanja določenih faz v jeklu. Le-to želimo odpraviti s sistemom večstopenjske toplotne obdelave, to je na način zaporedne izvedbe kaljenja, interkritičnega žarjenja in nizkotemperaturnega popuščanja, pri čemer med vsakim nadaljnjim korakom toplotne obdelave jeklo ohladimo do sobne temperature. Z nalogo želimo izdelati nov predpis toplotnih obdelav, pri čemer bi jeklu PK993 izboljšali žilavost in pri tem še vedno dosegali zahteve ostalih mehanskih lastnosti, kot so trdota, napetost tečenja, natezna trdnost in raztezek ter kontrakcija po porušitvi.
Namen naloge je torej ugotoviti, kateri mehanizmi so odgovorni za razlike v mehanskih lastnostih in kako le-ti delujejo. Pri tem bo poudarek predvsem na mikrostrukturnih spremembah in njihovem vplivu na izboljšanje mehanskih lastnosti oz. žilavosti. Glavni cilj je določiti parametre nove toplotne obdelave za jeklo PK993 in ugotoviti, kaj se dogaja v mikrostrukturi med večstopenjsko toplotno obdelavo.
V ta namen smo izvedli 13 različnih toplotnih obdelav jekla kvalitete PK993. Toplotne obdelave ločimo v dve seriji. Prva serija sestoji iz šestih vzorcev, ki so bili kaljeni in nato nizkotemperaturno popuščeni pri različnih temperaturah; druga serija pa iz šestih vzorcev, ki so bili kaljeni, nato interkritično žarjeni in na koncu še nizkotemperaturno popuščeni, in enega, ki je bil po kaljenju le interkritično žarjen. Temperatura avstenitizacije je bila v vseh primerih enaka, tj. 1000 °C. Temperatura interkritičnega žarjenja je bila skozi celotno drugo serijo enaka, in sicer 760 °C. Temperature nizkotemperaturnega popuščanja so bile v obeh serijah enake, tj. 350 °C, 400 °C, 450
°C, 500 °C, 520 °C in 540 °C. Za vsako od izvedb toplotne obdelave je sledila serija preizkusov za določanje mehanskih lastnosti in analiza mikrostrukture s svetlobnim in vrstičnim elektronskim mikroskopom. Izvedla se je tudi serija dilatometrijskih preizkusov in analiz s programom Thermo-calc.
Simulacija s programom Thermo-calc je pokazala, da je izločanje karbidov odvisno od sestave jekla PK993 oz. od izcejanja ogljika in karbidotvornih elementov na mikro nivoju. V homogeni sestavi matice se izločanje karbidov prične pri temperaturi 924 °C.
Izloči se do 3,28 molskih odstotkov karbidov. V pozitivnih izcejah je izločanje karbidov izrazitejše in se začne pri višji temperaturi, ki je enaka 1000 °C. V negativnih izcejah je delež izločenih karbidov manjši. Zniža se tudi temperatura pričetka izločanja, ki je v
ix tem primeru enaka 760,01 °C. V vseh primerih je temperatura pričetka izločanja karbidnih izločkov manjša ali enaka od temperature kaljenja (1000 °C) in višja od temperature interkritičnega žarjenja (760 °C). To pomeni, da so na temperaturi avstenitizacije vsi karbidi raztopljeni v trdni raztopini avstenita. Na temperaturi interkritičnega žarjenja pa so termodinamični pogoji ustrezni za izločanje karbidnih izločkov.
Simulirane pogoje smo v dejanskih razmerah najprej analizirali z uporabo dilatometrijskega preizkusa. Najprej smo določili temperaturo evtektoidne premene (AC1) in temperaturo konca premene ferita v avstenit pri neravnotežnem segrevanju (AC3) za jeklo kvalitete PK993. Premenski točki AC1 in AC3 sta enaki 639 °C oz. 897 °C.
Izbrana temperatura interkritičnega žarjenja (760 °C) je višja od temperature AC1 in nižja od temperature AC3 jekla kvalitete PK993. Nadalje smo z dilatometrijskim preizkusom določili tudi temperaturi začetka (Ms) in konca (Mf) transformacije v martenzitni stopnji jekla PK993. Temperatura Ms je bila enaka 289 °C, temperatura Mf
pa je bila enaka 80 °C. Z dodatnimi analizami smo ugotovili, da se temperatura Ms po interkritičnem žarjenju na 760 °C dvigne za 91 °C v primerjavi s temperaturo Ms po kaljenju s 1000 °C. Če temperaturo interkritičnega žarjenja dodatno povečujemo do 800 °C, se razlika nekoliko zmanjša, in sicer na 60 °C. V primeru znižanja temperature interkritičnega žarjenja na 740 °C se razlika med temperaturo Ms po kaljenju poveča na 109 °C. Dvig temperature Ms je posledica izločanja karbidov iz matice jekla med interkritičnim žarjenjem. Znižanje koncentracije ogljika in karbidotvornih elementov v trdni raztopini zviša temperaturo pričetka transformacije avstenita v martenzitni stopnji.
Z analizo mikrostrukture jekla PK993 pod svetlobnim in vrstičnim elektronskim mikroskopom smo zaključili, da so v vseh vzorcih prve in druge serije prisotni karbidi M23C6. Ti se v vzorcih prve serije izločajo po mejah prvotnih avstenitnih kristalnih zrn in po martenzitnih letvah. So drobni in številčni. V drugi seriji se velikost izločenih karbidov poveča. Z interkritičnim žarjenjem na 760 °C pa prihaja do dodatnega izločanja karbidov, ki se izločajo na že obstoječih izločkih, zato so karbidni izločki v drugi seriji večji kot v prvi. Zaradi tega izločanja se v primeru druge serije vsebnost ogljika in karbidotvornih elementov v trdni raztopini zniža, kar je glavni razlog za zvišanje temperature Ms po ohlajanju s temperature interkritičnega žarjenja. Dodatno smo ugotovili tudi, da se na temperaturi avstentizacije po mejah avstenitnih kristalnih zrn tvori tanka karbidna plast. Ta plast ostaja stabilna tudi po nizkotemperaturnem popuščanju vzorcev prve serije. Po interkritičnem žarjenju vzorcev druge serije ta karbidna plast ni več prisotna.
Z uvedbo interkritičnega žarjenja vplivamo tudi na vrednosti mehanskih lastnosti. V drugi seriji je opazno znižanje teh lastnosti, kot so trdota, napetost tečenja in natezna trdnost. Zviša pa se vrednost udarne žilavosti. V splošnem tako dosegamo boljšo kombinacijo vseh mehanskih lastnosti. Poleg tega se nekoliko zmanjša tudi standardna deviacija posameznih izmerjenih vrednosti znotraj posamezne serije.
Standardna deviacija izmerjenih vrednosti žilavosti, napetosti tečenja in natezne trdnosti je v prvi seriji bistveno višja kot v drugi. Po izvedbi vseh toplotnih obdelav ima
x pet vzorcev ustrezne vse mehanske lastnosti. Mednje sodita dva vzorca prve serije, ki sta bila po kaljenju nizkotemperaturno popuščena na 520 °C in 540 °C. Tudi trije vzorci druge serije, ki poleg kaljenja vključujejo interkritično žarjenje in nizkotemperaturno popuščanje na 350 °C, 400 °C in 450 °C, imajo ustrezne vse mehanske lastnosti. Pri tem vzorca prve serije mejita na zgornjo mejo trdote oz. spodnjo mejo žilavosti, zato nista primerna za uporabo izven razmer, ki so v laboratoriju. Zaključimo lahko, da optimalna toplotna obdelava jekla PK993 za doseganje ustreznih mehanskih lastnosti in mikrostrukture sestoji iz:
• avstenitizacije na 1000 °C za 1 uro in kaljenja v olju,
• interkritičnega žarjenja na temperaturi 760 °C za 2 uri in ohlajanja v olju in
• nizkotemperaturnega popuščanja na temperaturah 350 °C, 400 °C ali 450 °C za 2 uri in ohlajanja na zraku.
xi VSEBINSKO KAZALO
1 Uvod ... 1
2 Teoretični del ... 3
2.1 Nerjavna jekla ... 3
2.2.1 Zgodovina in osnove nerjavnih jekel... 3
2.2.2 Vrste nerjavnih jekel ... 4
2.2.2.1 Avstenitna nerjavna jekla ... 5
2.2.2.2 Feritna nerjavna jekla ... 5
2.2.2.3 Dupleks nerjavna jekla ... 6
2.2.2.4. Martenzitna nerjavna jekla ... 6
2.2.2.5. Izločevalno-utrjevalna nerjavna jekla ... 6
2.2.3 Fazno razmerje ... 7
2.2.3.1 Faze v martenzitnih nerjavnih jeklih ... 9
2.2.4 Martenzitna nerjavna jekla ... 11
2.3 Toplotne obdelave ... 12
2.3.1 Avstenitizacija in kaljenje nerjavnih jekel ... 12
2.3.3 Popuščanje nerjavnih jekel ... 16
2.3.3.1 Popuščna krhkost ... 18
2.3.4 Dvostopenjska toplotna obdelava ... 19
2.4 Jeklo PK993 ... 20
3 Eksperimentalno delo ... 22
3.1 Analiza kemijske sestave in Thermo-calc analiza ... 22
3.1 Določanje kemijske sestave jekla PK993 ... 22
3.2 Termodinamski izračuni s programom Thermo-calc ... 22
3.2 Dilatometrija ... 23
3.2.1 Izvedba dilatometrijskih preizkusov za določanje premenskih točk jekla PK993 v SIJ Metal Ravne ... 23
3.2.2 Izvedba dilatometrijskih preizkusov na IMT za natančnejšo analizo procesov med izvajanjem toplotnih obdelav jekla PK993 ... 24
3.3 Priprava vzorcev za mehanske preizkuse ... 26
3.3.1 Razrez vzorcev iz valjanih palic ... 26
xii
3.3.2 Toplotna obdelava in opis serij ... 27
3.4 Meritve mehanskih lastnosti ... 29
3.4.1 Izvajanje meritev trdote ... 30
3.4.1.1 Meritev trdote po Brinellu ... 30
3.4.1.2 Meritev trdote po Rockwellu ... 30
3.4.1.3 Meritev trdote po Vickersu ... 31
3.4.2 Izvajanje nateznega preizkusa ... 32
3.4.3 Izvajanje Charpyjevega preizkusa ... 32
3.5 Analiza mikrostrukture ... 33
3.5.1 Priprava vzorcev ... 33
3.5.2 Svetlobna mikroskopija ... 34
3.5.3 Vrstična elektronska mikroskopija ... 34
3.6 XRD analiza ... 35
4 Rezultati in diskusija ... 36
4.1 Analiza kemijske sestave ... 36
4.2 Thermo-calc analiza ... 36
4.3 Rezultati dilatometrije ... 39
4.3.1 Določitev premenskih točk za jeklo PK993 ... 39
3.1.2 Določitev temperatur Ms in Mf za jeklo PK993 ... 40
3.1.3 Dilatometrijska analiza vpliva večstopenjske toplotne obdelave na temperaturo Ms ... 40
4.4 Mehanski preizkusi ... 42
4.5 Metalografska analiza ... 48
4.5.1. Svetlobna mikroskopija ... 48
4.5.2 Vrstična elektronska mikroskopija ... 51
4.6 XRD analiza ... 54
5 Zaključki ... 55
6 Viri in literatura ... 57
xiii SEZNAM SLIK
Slika 1: Schaefflerjev diagram [5] ... 8
Slika 2: Fazni diagram Fe-C z 12 mas. % kroma [7] ... 14
Slika 3: Sprememba velikosti oktaedričnega intersticijskega prostora ob spremembi iz pck v tck kristalno strukturo [7] ... 15
Slika 4: Popuščni diagram [17] ... 18
Slika 5: Mesto analize kemijske sestave z uporabo spektroskopije ... 22
Slika 6: Sistem dilatometrskega preizkušanca med izvajanjem preizkusa ... 23
Slika 7: Dilatometer L78 R.I.T.A. na oddelku raziskav podjetja SIJ Metal Ravne ... 24
Slika 8: Dilatometer DIL805A TA Instruments na Inštitutu za kovinske materiale in tehnologije v Ljubljani ... 25
Slika 9: Valjane palice z zarisanimi merami kolobarjev pred razrezom ... 26
Slika 10: Izrezani trakovi ene serije z oznakami pred toplotno obdelavo ... 26
Slika 11: Peči za izvajanje toplotnih obdelav: a) peč za kaljenje, b) peč za interkritično žarjenje, c) peč za nizkotemperaturno popuščanje ... 28
Slika 12: Režim toplotnih obdelav vzorcev prve serije ... 28
Slika 13: Režim toplotnih obdelav vzorcev druge serije ... 29
Slika 14: Režim toplotne obdelave vzorca 2.7 ... 29
Slika 15: Merilnik trdote Zwick/Rolle ZHVμ na oddelku za raziskave v SIJ Metal Ravne .... 31
Slika 16: Strukturen prikaz Charpyjevega preizkusa [32] ... 33
Slika 17: Optični mikroskop ZEISS Axio Imager 2 [35] ... 34
Slika 18: Fazni diagram homogene sestave jekla PK993 od 300 °C do 1100 °C ... 36
Slika 19: Odvisnost deleža faz v molskih % v odvisnosti od temperature: a) za homogeno sestavo jekla PK993, b) za sestavo jekla PK993 s pozitivnim izcejanjem, c) za sestavo jekla PK993 v matici brez izcej ... 37
Slika 20: Odvisnost temperature od ∆L pri ogrevanju z 2,5 K/min za določitev premenskih točk AC1 in AC3 jekla PK993 in odvoda te krivulje ... 39
Slika 21: Odvisnost temperature od ∆L pri ohlajanju z 60 K/min za določitev začetka in konca martenzitne premene oz. Ms in Mf temperatur jekla PK993 in odvoda te krivulje ... 40
Slika 22: Odseki dilatometrijskih krivulj po kaljenju s 1000 °C in interkritičnem žarjenju na 740 °C, 760 °C, 780 °C in 800 °C ... 41
Slika 23: Popuščni diagram jekla PK993 ... 43
xiv Slika 24: Primerjava kontrakcije (Z) in raztezka (A) vseh preizkušancev ... 45 Slika 25: Rezultati mehanskih preizkusov prve serije z vrisanimi omejitvami ... 45 Slika 26: Rezultati mehanskih preizkusov druge serije z vrisanimi omejitvami ... 46 Slika 27: Primerjava deviacij standardnega odklona omejenih mehanskih lastnosti med prvo in drugo serijo ... 48 Slika 28: Slike vzorca 1.3 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 49 Slika 29: Slike vzorca 2.3 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 49 Slika 30: Slike vzorca 1.5 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 49 Slika 31: Slike vzorca 2.5 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 50 Slika 32: Slike vzorca 2.7 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 50 Slika 33: Slike SEM analize vzorca 1.3 v originalu posnete pri a) 2500-kratni, b) 5000-kratni, c) 10000-kratni, d) 20000-kratni povečavi ... 52 Slika 34: Slike SEM analize vzorca 2.3 v originalu posnete pri a) 2500-kratni, b) 5000-kratni, c) 10000-kratni, d) 20000-kratni povečavi ... 53 Slika 35: Slike SEM analize vzorca 2.7 v originalu posnete pri a) 2500-kratni, b) 15000-kratni, c) 20000-kratni povečavi ... 54 Slika 36: Slike mikrostruktur prve serije jekla PK996 v prečni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod malo povečavo: a) vzorec 1.1, b) vzorec 1.2, c) vzorec 1.3, d) vzorec 1.4, e) vzorec 1.5, f) vzorec 1.6 ... 62 Slika 37: Slike mikrostruktur druge serije jekla PK996 v prečni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod malo povečavo: a) vzorec 2.1, b) vzorec 2.2, c) vzorec 2.3, d) vzorec 2.4, e) vzorec 2.5, f) vzorec 2.6, g) vzorec 2.7 ... 63 Slika 38: Slike mikrostruktur prve serije jekla PK996 v vzdolžni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod malo povečavo: a) vzorec 1.1, b) vzorec 1.2, c) vzorec 1.3, d) vzorec 1.4, e) vzorec 1.5, f) vzorec 1.6 ... 64 Slika 39: Slike mikrostruktur prve serije jekla PK996 v vzdolžni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod veliko povečavo: a) vzorec 1.1, b) vzorec 1.2, c) vzorec 1.3, d) vzorec 1.4, e) vzorec 1.5, f) vzorec 1.6 ... 65
xv Slika 40: Slike mikrostruktur druge serije jekla PK996 v vzdolžni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod malo povečavo: a) vzorec 2.1, b) vzorec 2.2, c) vzorec 2.3, d) vzorec 2.4, e) vzorec 2.5, f) vzorec 2.6, g) vzorec 2.7 ... 66 Slika 41: Slike mikrostruktur druge serije jekla PK996 v vzdolžni smeri glede na valjanje iz SIJ Metal Ravne pod veliko povečavo: a) vzorec 2.1, b) vzorec 2.2, c) vzorec 2.3, d) vzorec 2.4, e) vzorec 2.5, f) vzorec 2.6, g) vzorec 2.7 ... 67 Slika 42: Slike vzorca 1.1 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 68 Slika 43: Slike vzorca 1.2 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 68 Slika 44: Slike vzorca 1.3 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 68 Slika 45: Slike vzorca 1.4 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 69 Slika 46: Slike vzorca 1.5 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 69 Slika 47: Slike vzorca 1.6 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 69 Slika 48: Slike vzorca 2.1 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 70 Slika 49: Slike vzorca 2.2 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 70 Slika 50: Slike vzorca 2.3 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 70 Slika 51: Slike vzorca 2.4 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 71 Slika 52: Slike vzorca 2.5 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 71 Slika 53: Slike vzorca 2.6 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 71 Slika 54: Slike vzorca 2.7 v originalu posnete pri a) 100-kratni, b) 500-kratni povečavi, c) 500- kratni povečavi izcej ... 71 Slika 55: Rendgenogram vzorca 1.1 ... 72 Slika 56: Rendgenogram vzorca 1.2 ... 72
xvi
Slika 57: Rendgenogram vzorca 1.3 ... 73
Slika 58: Rendgenogram vzorca 1.4 ... 73
Slika 59: Rendgenogram vzorca 1.5 ... 74
Slika 60: Rendgenogram vzorca 1.6 ... 74
Slika 61: Rendgenogram vzorca 2.1 ... 75
Slika 62: Rendgenogram vzorca 2.2 ... 75
Slika 63: Rendgenogram vzorca 2.3 ... 76
Slika 64: Rendgenogram vzorca 2.4 ... 76
Slika 65: Rendgenogram vzorca 2.5 ... 77
Slika 66: Rendgenogram vzorca 2.6 ... 77
Slika 67: Rendgenogram vzorca 2.7 ... 78
xvii SEZNAM PREGLEDNIC
Tabela 1: Omejitve kemijske sestave jekla PK993 iz specifikacije Ae 11070/Dok rev. 05... 21
Tabela 2: Prikaz režimov toplotnih obdelav in oznak vzorcev ... 27
Tabela 3: Izvedba toplotnih obdelav ... 28
Tabela 4: Omejitve vrednosti mehanskih lastnosti jekla PK993 ... 30
Tabela 5: Rezultati kemijske analize jekla PK993 ... 36
Tabela 6: Primerjava temperatur premenskih točk in izločanja karbidnih izločkov simulacije ravnotežnih pogojev s programom Thermo-calc ... 38
Tabela 7: Razlika Ms temperatur po kaljenju in po interkritičnem žarjenju ... 41
Tabela 8: Rezultati mehanskih preizkusov trdote, trdnosti in žilavosti ... 42
Tabela 9: Posamezne meritve trdote po Vickersu na vzorcih po preseku ... 44
Tabela 10: Izmerjene vrednosti zaostalega avstenita z XRD metodo ... 54
xviii SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV
°C stopinje Celzija
Ms temperatura začetka transformacije v martenzitni stopnji Mf temperatura konca transformacije v martenzitni stopnji
L tekoča faza
AC1 evtektoidna temperatura pri neravnotežnem segrevanju
AC3 temperatura konca premene ferita v avstenit pri neravnotežnem segrevanju
ACCm temperatura konca premene sekundarnega cementita pri neravnotežnem segrevanju
Ar1 evtektoidna temperatura pri neravnotežnem ohlajanju Ae1 evtektoidna temperatura pri ravnotežnih pogojih
Ae3 temperatura konca premene ferita v avstenit pri ravnotežnem segrevanju oz. temperatura začetka transformacije avstenita v ferit pri ravnotežnem ohlajanju
XRD rentgenska praškovna difrakcija
α ferit
γ avstenit
δ delta ferit
pck ploskovno centrirana kubična mreža tck telesno centrirana kubična mreža Creq kromov ekvivalent
Nieq nikljev ekvivalent
Tγ temperatura avstenitizacije mas. % masni odstotek
P popuščni Hollomon-Jaffejev parameter
T temperatura
K kelvin
t čas
h ura
min minuta
s sekunda
C konstanta materiala
mm milimeter
Ɛ epsilon karbid
F sila
d izračunan premer vtiska h globina vtiska kroglice
D premer kroglice iz volframovega karbida HBW trdota po Brinellu
kg kilogram
F0 predobremenitev
F1 glavna obremenitev
h globino povratka po razbremenitvi
N konstanta, določena glede na izvedbo meritve HRC S konstanta, določena glede na izvedbo meritve HRC HRC trdota po Rockwellu
HV trdota po Vickersu
gf gram-force
Fm najvišja sila
xix A razteznost po pretrgu
Ag neproporcionalna razteznost pri najvišji sili Agt skupna razteznost pri najvišji sili
At skupna razteznost pri pretrgu
mE naklon elastičnega dela krivulje napetost-raztezek
R napetost
Rm natezna trdnost
e raztezek
Lu končna merilna dolžina po pretrgu L0 začetna merilna dolžina
S0 začetni presek na merilni dolžini Su najmanjši presek po pretrgu A razteznost po pretrgu
Z zoženost po pretrgu
Rp0,2 dogovorna napetost tečenja
µm mikrometer
ml mililiter
g gram
V volt
SEM vrstična elektronska mikroskopija
L dolžina
J joule
MPa megapaskal
vol. % volumski odstotek σ standardna deviacija N število vseh meritev
xi vrednost posamezne meritve
μ povprečna vrednost merljive količine znotraj serije
1
1 Uvod
Nerjavna jekla so zlitine na osnovi železa, ki vsebujejo minimalno 11 masnih odstotkov kroma.
Njihova uporabnost temelji predvsem na korozijski odpornosti. Pri danih koncentracijah kroma se na površini jekla tvori pasivna zaščitna plast. Le-ta je sestavljena iz oksidov na osnovi kroma.
Nastala zaščitna plast ščiti notranjost jekla pred korozijskim medijem. Pri tem poznamo različne vrste nerjavnih jekel, ki jih delimo v pet glavnih skupin:
• avstenitna nerjavna jekla,
• feritna nerjavna jekla,
• dupleks (avstenitna in feritna) nerjavna jekla,
• martenzitna nerjavna jekla,
• izločevalno-utrjevalna nerjavna jekla.
Delitev te vrste loči nerjavna jekla glede na njihovo kristalno strukturo oz. zgradbo (ureditev atomov) in njihovo toplotno obdelavo, ki jo določa kemijska sestava.
Jeklo kvalitete PK993 oz. 1CH13N3, ki ga izdelujejo v podjetju SIJ Metal Ravne, spada v skupino martenzitnih nerjavnih jekel. Za martenzitna nerjavna jekla so najpomembnejši legirni elementi: krom, ogljik in nikelj, ti določajo temperature toplotne obdelave in mehanske lastnosti po toplotni obdelavi. Toplotna obdelava martenzitnih nerjavnih jekel sestoji iz kaljenja in popuščanja, kar s skupnim imenom imenujemo poboljšanje. PK993 vsebuje od 12,50 % do 14,50 % kroma, od 0,08 % do 0,15 % ogljika in od 2,20 % do 3,00 % niklja (sestava v utežnih odstotkih). Zanj želimo predpisati ustrezno toplotno obdelavo, da se glede na dano kemijsko sestavo doseže najboljša kombinacija mehanskih lastnosti in mikrostrukture ob ustrezni korozijski odpornosti. To jeklo se izdeluje za posebne aplikacije v jedrski tehniki, kjer so zahteve po kemijski sestavi, mikrostrukturi in mehanskih lastnostih izredno stroge.
Predpisi določajo trdoto, trdnost in udarno žilavost. Obstoječa toplotna obdelava jekla PK993 sestoji iz kaljenja na 1000 °C in popuščanja pri 530 °C. Na ta način se dosežejo vse zahteve glede lastnosti jekla z izjemo žilavosti (ta je prenizka). To nakazuje na pojav popuščne krhkosti.
Le-to želimo odpraviti z večstopenjsko toplotno obdelavo, ki sestoji iz kaljenja, interkritičnega žarjenja (žarjenje med AC1 in AC3) in popuščanja, pri čemer med vsakim nadaljnjim korakom toplotne obdelave jeklo ohladimo do sobne temperature. Z nalogo želimo izdelati nov predpis toplotnih obdelav, pri čemer bi jeklu PK993 izboljšali žilavost in pri tem še vedno dosegali zahteve ostalih mehanskih lastnosti, kot so trdota, napetost tečenja, natezna trdnost in raztezek ter kontrakcija po porušitvi.
Nov režim toplotne obdelave jekla PK993 bomo predpisali s parametri, kot so temperatura, čas in medij ohlajanja. Za določanje teh parametrov toplotnih obdelav nam bodo vodilo predvsem premenske točke AC1 in AC3 in temperaturi začetka ter konca martenzitne transformacije oz. Ms
in Mf. Toplotne obdelave bomo razdelili v dve seriji. Pri prvi seriji bomo vzorce kalili in nato popuščali pri različnih temperaturah. Pri drugi seriji bomo med kaljenjem in popuščanjem izvedli še dodaten korak toplotne obdelave. Vzorce oz. preizkušance druge serije bomo dodatno
2 žarili pri višji temperaturi, tako bo celotna toplotna obdelava te serije sestavljena iz kaljenja, interkritičnega žarjenja in popuščanja. Temperature nizkotemperaturnega popuščanja bodo enake kot v prvi seriji. S tem želimo ugotoviti, kakšne so dosežene lastnosti jekla med večstopenjsko toplotno obdelavo. Dobljeni rezultati se bodo primerjali znotraj vsake serije in med njima glede na skladnost temperatur nizkotemperaturnega popuščanja, pri čemer pričakujemo, da bo druga serija izkazovala boljše rezultate žilavosti na račun ostalih trdnostnih lastnosti.
Namen naloge je ugotoviti, kateri mehanizmi so odgovorni za spremembe v mehanskih lastnostih preiskovanega jekla in njihovo delovanje. Poudarek bo predvsem na mikrostrukturnih spremembah kot posledici dodatnega interkritičnega žarjena, ki vplivajo na izboljšanje žilavosti. Končni cilj je določiti optimalne parametre toplotne obdelave za jeklo PK993, pri katerih bi dosegli ustrezne mehanske lastnosti.
3
2 Teoretični del
2.1 Nerjavna jekla2.2.1 Zgodovina in osnove nerjavnih jekel
Nerjavna jekla so ena izmed bolj razširjenih skupin jekel. V industriji so se prvič pojavila na začetku dvajsetega stoletja. Skozi čas so se uveljavila v številnih industrijskih panogah, kot so kemična, prehrambna in energetska industrija. Njihovo izdelavo so v večjem obsegu omogočili predvsem novo odkriti postopki rafinacije in litja v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja, s katerimi se je pričela nova moderna doba nerjavnih jekel. V jeklarstvu so se pričele nadgradnje že obstoječih kvalitet jekel in razvoj novih vrst nerjavečih jekel. [1]
Med omenjenimi tehnologijami izstopata predvsem AOD (argon-oxygen-decarburization) in VOD (vacuum-oxygen-decarburization) postopka. Z uporabo teh postopkov je mogoče v jeklenih talinah na ekonomičen način dosegati nizke vsebnosti ogljika ob visokem izkoristku legirnih elementov in boljšo ter natančnejšo kontrolo sestave taline. [1]
Nerjavna jekla so zlitine na osnovi železa, ki vsebujejo vsaj 11 masnih odstotkov kroma.
Številne kvalitete znotraj skupine nerjavnih jekel poleg kroma kot glavne legirne elemente vsebujejo še nikelj, molibden, mangan, dušik in druge. Glavni vpliv kroma kot legirnega elementa je zagotavljanje ustrezne korozijske odpornosti jekla. Le-to je mogoče zasledovati kot izgubo mase preiskovanega jekla skozi čas. Če jeklo korodira, se mu masa zmanjšuje. Več mase kot jeklo izgubi s časom, bolj dovzetno je na korozijo. Z višanjem deleža kroma se manjša izguba mase jekla na račun korozije. Ugotovljeno je bilo, da od 11 do 14 masnih odstotkov kroma zagotavlja korozijsko obstojnost jekla v klasični atmosferi. [2]
Z dodajanjem drugih legirnih elementov lahko glede na korozijske odpornosti jeklo še nekoliko bolje zaščitimo. Nikelj v nerjavnih jeklih stabilizira avstenit in znižuje temperaturo, do katere je avstenitna mikrostruktura še obstojna. Večji kot je delež niklja v jeklu, nižja je ta temperatura.
Podoben vpliv v jeklu izkazuje tudi mangan. Jeklu ga dodajamo ali kot dodatek vplivu Ni ali kot njegov nadomestek. Dodatek mangana jeklu prav tako poveča trdnostne lastnosti.
Nerjavnim jeklom dodajamo tudi molibden za izboljšanje odpornosti proti lokalizirani koroziji, kot sta jamičasta in špranjska korozija. Odpornost na slednjo izboljša tudi dodatek dušika.
Dušik dodatno izboljša še trdnostne lastnosti in deluje kot stabilizator avstenita. Za izboljšanje korozijske odpornosti v kislinah nerjavnim jeklom dodajamo tudi baker. Z dodatkom silicija pa izboljšujemo še livne lastnosti jekla. [2]
Korozijo jekla obravnavamo kot elektrokemijsko reakcijo, pri kateri kovina prehaja iz kovinske v oksidno obliko. V tej reakciji sodelujeta dva medija z različno elektrokemijsko aktivnostjo.
Tvorita se katodni in anodni del, pri čemer površina jekla deluje kot anoda. Na anodi kovina oksidira (korodira) oz. reagira z medijem iz okolja. Produkt te reakcije je rja ali nek drug korozijski produkt, medtem pa na katodi poteka reakcija redukcije oz. redukcija kisika. Na ta način se sklene krog elektrokemijske celice, kar povzroča korozijo jekla. Za preprečitev tega
4 pojava moramo v opisano reakcijo kroga nekako poseči in jo prekiniti. To storimo na način, da na površini jekla tvorimo tanko zaščitno pasivno plast. Ta plast ovira difuzijo kisika v osnovni material in na ta način ščiti jeklo pred korozijskim medijem. Zaščitna plast je večinoma sestavljena iz kromovih oksidov (Cr2O3), sestavljajo pa jo tudi manjše vsebnosti drugih elementov, ki so dodane zlitinam nerjavnih jekel. Plast je debela le nekaj nm in je samoobnovljiva, če pride do poškodb na površini jekla. [2]
Proces tvorbe zaščitne pasivne plasti na površini jekla imenujemo tudi pasivacija. V primeru nerjavnih jekel je izredno učinkovita tudi zato, ker krom pasivira že na zraku. Odpornost proti koroziji se jeklu eksponentno povečuje z večanjem vsebnosti kroma do približno 12 masnih odstotkov. Ob višjih vrednostih dodajanje kroma nima več večjega učinka. Treba je poudariti tudi to, da lahko krom v jeklu nastopa v različnih oblikah. Pri tem na korozijsko odpornost vpliva le krom, ki je raztopljen v trdni raztopini ferita ali avstenita. Krom v karbidih, nitridih in ostalih spojinah ne vpliva na pasivizacijo. [2]
2.2.2 Vrste nerjavnih jekel
Mehanske lastnosti in korozijska odpornost nerjavnih jekel so v glavnem določene s sestavo mikrostrukture jekla posamezne kvalitete. Le-to pa določa kemijska sestava. V glavnem nerjavna jekla izkazujejo dobro korozijsko obstojnost zaradi visoke vsebnosti kroma. Glede na ostale legirne elemente (alfagene in gamagene) in toplotne obdelave poznamo različne vrste nerjavnih jekel. To so:
• avstenitna nerjavna jekla,
• feritna nerjavna jekla,
• dupleks (avstenitna in feritna) nerjavna jekla,
• martenzitna nerjavna jekla,
• izločevalno-utrjevalna nerjavna jekla.
Izbira posameznega tipa jekla je vedno kompromis med mehanskimi in korozijskimi lastnostmi ter ceno. Elementi, ki se uporabljajo za legiranje nerjavnih jekel, so dragi, a jih je za doseganje določenih posebnih lastnosti treba dodati. Pri izbiri, katero vrsto nerjavnega jekla bomo potrebovali, imajo odločilno vlogo pogoji delovanja. Odvisno od pogojev, kot so mehanska obraba, mehanske obremenitve ali korozija, je treba definirati zahteve, ki naj jih izbrano jeklo dosega. Vsaka od podskupin nerjavnih jekel ima svoje prednosti in slabosti. Pregled po posameznih podskupinah je predstavljen v nadaljevanju. [1, 3]
Pomembno vlogo pri izbiri jekla nosi tudi zagotavljanje ponovljivosti proizvodnje. Doseganje zahtevanih lastnosti s čim manjšim raztrosom zagotavlja varnost. Nerjavna jekla se običajno uporabljajo v namene posebnih aplikacij, kjer je vsakršno odstopanje nesprejemljivo. Procese izdelave oz. proizvodnje je tako treba voditi na način, ki minimizira raztros mehanskih, korozijskih ali ostalih posebnih lastnosti. [3]
5 2.2.2.1 Avstenitna nerjavna jekla
Avstenitna nerjavna jekla imajo avstenitno mikrostrukturo, torej ploskovno centrirano kubično kristalno strukturo oz. p.c.k. mrežo. So zlitine na osnovi železa, kroma, niklja in ogljika.
Okvirno vsebujejo med 16 in 25 masnih odstotkov kroma, od 7 do 30 masnih odstotkov niklja in do 0,15 masnih odstotkov ogljika. Nerjavna jekla te podskupine so med vsemi najbolj odporna na korozijo. To zagotavlja predvsem visok delež kroma z dodatkom molibdena. Da bi dosegli posebne lastnosti, lahko avstenitnim nerjavnim jeklom dodajamo tudi elemente, kot so baker, titan, niobij in dušik. Slednji se dodaja predvsem v namene zvišanja napetosti tečenja.
Avstenitnih nerjavnih jekel ne moremo utrjevati s toplotnimi obdelavami, zato običajno toplotna obdelava teh vrst nerjavnih jekel sestoji iz raztopnega žarjenja in gašenja. Tako toplotno obdelana jekla so mehkejša in zelo dobro preoblikovalna, duktilna in žilava tudi pri zelo nizkih temperaturah. Prav tako lahko ta jekla dobro varimo, mogoče jih je še deformacijsko utrjevati. Za povišanje trdote in trdnosti lahko uporabljamo postopke hladne predelave. [1, 2, 4]
Avstenitna nerjavna jekla so med vsemi vrstami nerjavnih jekel najbolj razširjena in se uporabljajo v številnih industrijskih panogah. Mednje sodita tudi kemična in prehrambna industrija. Določene kvalitete iz te podskupine, ki ne vsebujejo molibdena, izkazujejo dobre mehanske lastnosti tudi pri povišanih temperaturah. Posledično se ta jekla uporabljajo v pečeh ali toplotnih izmenjevalcih. Pri nizkih temperaturah imajo tudi dobro udarno žilavost in jih lahko uporabljamo za skladiščenje tekočin pri kriogenskih temperaturah. [1, 2, 4]
2.2.2.2 Feritna nerjavna jekla
Feritna nerjavna jekla so zlitine na osnovi železa, kroma in ogljika. Okvirno vsebujejo med 10,5 in 30 masnih odstotkov kroma. Dodajamo jim še elemente, kot so molibden, silicij, aluminij, titan, niobij in cirkonij, pri čemer vsebujejo izredno nizke vsebnosti ogljika. V primerjavi z avstenitnimi nerjavnimi jekli imajo bistveno nižji delež niklja, a jih prav tako s pomočjo toplotnih obdelav ne moremo utrjevati. Podobno kot avstenitna nerjavna jekla jih lahko utrjujemo s preoblikovanjem v hladnem. Običajno jih mehko žarimo in preoblikujemo v končno obliko, nato sledi staranje. Jekla, ki spadajo v to skupino, imajo telesno centrirano kubično kristalno strukturo oz. t.c.k. mrežo in so v principu feritna pri vseh temperaturah. To je posledica nižjih vsebnosti gamagenih in višjih vsebnosti alfagenih elementov. Z dodatkom elementov, kot so Cr, Si in Al, povečujemo oksidacijsko odpornost, medtem ko Ti in Nb dodajamo za stabilizacijo. [1, 2, 4]
Feritna nerjavna jekla so zaradi nizkih vsebnosti legirnih elementov med vsemi vrstami nerjavnih jekel najcenejša. Izkazujejo izredno oster prehod iz žilavega v krhki lom. So dovzetna za interkristalno korozijo, kar slabša tudi varilne lastnosti, predvsem krhkost v toplotno vplivanem področju. V primerjavi z ostalimi nerjavnimi jekli so slabše preoblikovalna in manj duktilna. Poleg tega imajo nižji temperaturni razteznostni koeficient, kar pozitivno vpliva na izboljšanje oprijemljivosti zaščitne plasti. Jekla te vrste niso nagnjena k napetostni koroziji, v
6 primerjavi z ostalimi nerjavnimi jekli dosegajo nižje trdnostne lastnosti. Feritna nerjavna jekla so magnetna. [1, 2, 4]
2.2.2.3 Dupleks nerjavna jekla
Z višanjem vsebnosti gamagenih legirnih elementov feritnim nerjavnim jeklom prehajamo v dvofazna področja. S kombinacijo ferita in avstenita dobimo tako imenovana dupleks nerjavna jekla. Pri tem je delež obeh komponent v jeklu približno enak. Dupleks jekla so se pojavila v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. To so zlitine na osnovi železa, kroma in niklja, ki vsebujejo minimalno 20 masnih odstotkov kroma. Okvirni deleži ostalih elementov v masnih odstotkih so: Ni (od 3 % do 8 %), Mo (do 4 %), N (do 0,35 %) in C (do 0,10 %). Nerjavnost pri teh vrstah jekel zagotavlja predvsem feritna faza, saj topi bistveno večji delež kroma kot avstenitna. Iz tega razloga dupleks nerjavnim jeklom dodajamo tudi dušik. Le-ta znižuje aktivnost kroma v trdni raztopini avstenita, kar povečuje topnost kroma tudi v avstenitu. V primerjavi z avstenitnimi nerjavnimi jeklim dupleks nerjavna jekla vsebujejo bistveno nižji delež niklja, zato so precej cenejša. Jekla te vrste imajo visoko trdnost in dobro žilavost ter korozijsko odpornost, a niso primerna za uporabo pri izredno visokih ali nizkih temperaturah. Izstopa predvsem pomanjkanje žilavosti pri kriogenskih temperaturah. [1, 2, 4]
2.2.2.4. Martenzitna nerjavna jekla
Naslednja v vrsti so martenzitna nerjavna jekla. V nasprotju s prej naštetimi skupinami lahko pri martenzitnih nerjavnih jeklih izvajamo proces utrjevanja s toplotnimi obdelavami, pri čemer toplotna obdelava običajno sestoji iz kaljenja in popuščanja oz. poboljšanja. Martenzitna nerjavna jekla so zlitine na osnovi železa in kroma, ki vsebujejo med 12 in 17 masnih odstotkov kroma, med 0 in 4 masnih odstotkov niklja in med 0,1 ter 1,0 masnih odstotkov ogljika. V primerjavi z ostalimi nerjavnimi jekli jim dodajamo nekoliko višji delež ogljika. Tega potrebujemo za to, da bo martenzit po kaljenju dovolj trd. Poleg ogljika in kroma tem jeklom za povišanje obrabne obstojnosti in sekundarno utrjevanje dodajamo še elemente, kot so molibden, titan, vanadij in niobij. Dodajamo jim tudi nikelj, ki v kombinaciji z molibdenom povečuje žilavost in korozijsko odpornost. Slednjo izboljša tudi dodatek bakra. Jekla te vrste so magnetna. [1, 2, 3, 4]
Med vsemi vrstami nerjavnih jekel martenzitna nerjavna jekla izkazujejo najvišje trdnostne lastnosti in najslabšo korozijsko odpornost. S to kombinacijo lastnosti so primerne predvsem za aplikacije, kjer je zahtevana tako obstojnost proti obrabi kot tudi koroziji. Treba je paziti predvsem na pojave popuščne in vodikove krhkosti. [1, 2, 4]
2.2.2.5. Izločevalno-utrjevalna nerjavna jekla
Poznamo še izločevalno-utrjevalna nerjavna jekla. Ta vrsta nerjavnih jekel se je razvila zaradi potreb po visoki trdnosti in žilavosti ob boljši korozijski obstojnosti v primerjavi z martenzitnimi nerjavnimi jekli. To obstojnost zagotavlja nekoliko višji delež kroma, ki je okvirno omejen med 11 % in 18 %, in dodatek molibdena. Jekla iz te skupine vsebujejo tudi do 27 % niklja in do 0,1 % ogljika (vse sestave v utežnih odstotkih). Za izločevalno utrjevanje jim
7 dodajamo še elemente, kot so Al, Ti in Nb. Ti elementi se izločajo v obliki Ni3M izločkov.
Tvorijo se lahko tudi intermetalne Laversove faze, bogate z elementi, kot so Fe, Mo in Nb, faze, bogate z Cu ali pa nitridi in karbonitridi. Karbidi se zaradi nizke vsebnosti ogljika običajno ne tvorijo. [1, 2, 4]
Znotraj skupine izločevalno-utrjevalnih nerjavnih jekel ločimo med avstenitnimi, semiavstenitnimi in martenzitnimi jekli. V katero od podskupin bo jeklo dane kvalitete spadalo, je odvisno predvsem od izvedbe toplotne obdelave. Le-to pričnemo z raztopno obdelavo. V tem segmentu se v matici jekla raztopijo legirni elementi, kar zniža temperaturi Ms in Mf. V primeru avstenitnih jekel sledi gašenje, v primeru martenzitnih pa kaljenje. Po ohlajanju do sobne temperature bo v mikrostrukturi tako prisoten večji delež avstenita, v katerem bo krom lepo raztopljen. S tem dosegamo dobro korozijsko obstojnost, a nekoliko slabše trdnostne lastnosti.
Le-te povečamo z izvedbo izločevalnega utrjevanja. Kljub temu pa martenzitna nerjavna jekla še vedno dosegajo višjo trdnost in trdoto na račun nekoliko slabše korozijske odpornosti v primerjavi z izločevalno-utrjevalnimi nerjavnimi jekli. [1, 2, 4]
2.2.3 Fazno razmerje
V kovinah skupkom atomov z isto kristalno strukturo rečemo faza. Imena faz v glavnih skupinah nerjavnih jekel so avstenit, ferit in martenzit. Glede na te faze so dane skupine tudi poimenovane. [1]
S kontrolo kemijske sestave in toplotnih obdelav je mogoče nadzorovati kvaliteto jekla in sestavo omenjenih faz. Pri tem ločimo alfagene elemente (ki favorizirajo transformacijo v ferit) in gamagene elemente (ki favorizirajo transformacijo v avstenit). Glavne legirne elemente, ki se uporabljajo za sestavo nerjavnih jekel, lahko glede na to lastnost delimo na:
• alfagene: železo, krom, molibden, silicij, niobij, aluminij, titan, volfram;
• gamagene: nikelj, dušik, ogljik, mangan, baker, kobalt.
Tako imenovano fazno ravnotežje (relativni delež posameznih faz) v jeklu daje lastnosti materialu. Na to vplivamo s kemijsko sestavo. Kot glavno orodje oz. vodilo za določitev faz se pri nerjavnih jeklih uporablja Schaefflerjev diagram, prikazan na sliki 1. Iz njega je razvidno, katere faze bomo imeli v jeklu ob uporabi prej naštetih elementov. Diagram ponazarja, kakšno kemijsko sestavo potrebujemo, da pademo v željeno območje faznih sestav in na ta način v eno izmed glavnih skupin nerjavnih jekel. [1]
8
Slika 1: Schaefflerjev diagram [5]
Za določanje vpliva različnih elementov na fazno ravnotežje se običajno uporabljata nikljev in kromov ekvivalent. Temu primerno so se razvile različne enačbe za izračun omenjenih ekvivalentov, med katerimi so najdlje in najpogosteje v uporabi Schaefflerjeve, DeLongove in Hullove enačbe. Enačbi za izračun kromovega in nikljevega ekvivalenta v Schaefflerjevem diagramu sta tako:
Creq = %Cr + %Mo + 1,5×%Si + 0,5×%Nb + 2×%Ti (2.1),
Nieq = %Ni + 30×%C + 0,5×%Mn (2.2).
Medtem ko sta vpliva kroma in niklja na fazno razmerje dokaj dobro raziskana, to ne velja za vse elemente. Primer enega od teh elementov je mangan, katerega vpliv je še vedno nekoliko nejasen. Glede na različne raziskave ga lahko uvrščamo tako med elemente, ki favorizirajo avstenit kot tudi ferit. Kakšen vpliv bo dejansko imel na fazno razmerje, je odvisno predvsem od njegove koncentracije v zlitini. Tako pri manjših koncentracijah favorizira avstenitno, pri višjih pa feritno transformacijo. [6]
Tudi drugi legirni elementi lahko imajo svojevrsten vpliv na fazno razmerje oz. ravnotežje.
Titan daje prednost feritni transformaciji, a obenem povečuje delež povratnega avstenita v feritnih nerjavnih jeklih. Spet drugim elementom se na novo pripisuje vrednost vpliva na razmerje v enačbah prej omenjenih avtorjev. Eden teh elementov je kobalt. [6]
V primerjavi z legiranimi jekli so nerjavna jekla po kemijski sestavi veliko kompleksnejša. Na ta način je omogočen širok nabor lastnosti, ki ga zagotavljajo različne kombinacije elementov v teh zlitinah. Tvorijo se različne faze in kristalne strukture. Glede na to večina nerjavnih jekel bazira na:
• kombinaciji avstenita, ferita in martenzita,
• spreminjanju kompozicije faz avstenita, ferita in martenzita,
• dodajanju sekundarnih faz za doseganje posebnih lastnosti.
9 2.2.3.1 Faze v martenzitnih nerjavnih jeklih
Posledica velikega števila legirnih elementov v relativno visokih koncentracijah je večje število stabilnih faz v dani zlitini. Običajno je to v jeklih nezaželeno. Izdelano nerjavno jeklo lahko ima tako ustrezno kemijsko sestavo in vseeno ne dosega željenih lastnosti zaradi prisotnosti oz.
tvorbe različnih faz ob danih pogojih. Vedeti moramo, katere faze se lahko tvorijo v zlitini. S tem znanjem lahko uspešno zmanjšamo število in koncentracijo nezaželenih faz. [7]
Določene faze se pojavljajo oz. izločajo ob različnih pogojih, bistveno vlogo nosita kemijska sestava zlitine in temperatura. Ker nerjavna jekla uporabljamo tudi pri povišanih temperaturah, je nevarnost nastanka in izločanja t. i. intermetalnih faz vselej prisotna. Pri tem lahko nekatere oblike izločkov na lastnosti zlitine vplivajo negativno ali pozitivno. Ena izmed faz, ki negativno vpliva na mehanske lastnosti zlitine, je tako imenovana α'Cr faza. Gre za telesno centrirano kubično strukturo ferita z visoko vsebnostjo kroma, ki se večinoma pojavlja le v feritnih ali martenzitnih nerjavnih jeklih. Izloča se v temperaturnem intervalu med 300 °C in 500 °C in povzroča krhkost jekla, zato pojav krhkosti zaradi nastanka α'Cr faze imenujemo tudi krhkost pri 475 °C. Poznamo tudi številne druge faze, ki se izločajo v različnih temperaturnih intervalih in imajo različno strukturo in sestavo. Med njimi sta π in τ fazi z enako kemijsko sestavo Fe7Mo13N4, ki se izločata v temperaturnem intervalu med 550 °C in 650 °C. Pri tem je struktura π faze kubična, τ faze pa ortombska. V istem temperaturnem intervalu se izloča tudi R faza s Fe-Cr-Mo sestavo in trigonalno strukturo. Isto sestavo ima tudi sigma (σ) faza, ki se izloča med 600 °C in 1000 °C. Sigma faza ima tetragonalno strukturo. Poznamo tudi χ in G fazi. χ faza (Fe13Cr12Mo10) se izloča v temperaturnem intervalu od 700 °C do 900 °C in ima telesno centrirano kubično strukturo. G faza (Ti6Ni12Si10) pa se izloča pod 500 °C in ima ploskovno centrirano kubično strukturo. Omenimo lahko tudi izločanje kromovih nitridov Cr2N v temperaturnem intervalu od 700 °C do 900 °C in CrN s kubično strukturo. [6]
Izločki po kristalnih mejah slabijo odpornost proti koroziji. Izločanje intermetalnih faz, kot sta hi in sigma, slabša tudi trdnost zlitine. Zaradi tega so vse omenjene faze v nerjavnih jeklih pogosto nezaželene, še posebej izločanje sigma faze, ki jo običajno zasledujemo in obravnavamo pri različnih kvalitetah nerjavnih jekel, bistveno vpliva na lastnosti zlitin (mehanske, korozijske, varilne). Ker se izloča pri povišanih temperaturah, se lahko tvori med procesi, kot so litje, valjanje, kovanje, varjenje ali žarjenje. Izločanje sigma faze je težko preprečiti v jeklih z višjim deležem kroma (nad 20 masnih odstotkov). Z dodajanjem alfagenih elementov, kot sta silicij in molibden, to izločanje le še pospešimo. [6, 8]
V primeru martenzitnih nerjavnih jekel običajna izvedba toplotne obdelave sestoji iz kaljenja in popuščanja. Med procesom kaljenja jeklo segrejemo na temperaturo popolne avstenitizacije.
S tem se v jeklu raztopijo vse faze in karbidi. Sledi ohlajanje jekla iz avstenitnega področja in tvorba martenzitne mikrostrukture. Sočasno s to transformacijo lahko med procesom ohlajanja pride tudi do izločanja karbidov. Izločanje omenjenih izločkov je odvisno predvsem od kemijske sestave jekla in parametrov toplotnih obdelav. To so hitrost in temperatura ogrevanja, čas zadrževanja na temperaturi in hitrost ohlajanja jekla. V kaljeni mikrostrukturi martenzitnih
10 nerjavnih jekel tako vselej zasledimo kombinacijo martenzita in kompleksnih karbidov. Ti karbidi močno vplivajo na lastnosti, kot so trdota, odpornost proti koroziji, abrazija in obraba.
Zaradi tega je treba primerno predpisati parametre toplotne obdelave jeklom teh vrst kvalitet.
[9]
V nerjavnih jeklih se lahko tvorijo različne oblike karbidov. Med temi je verjetno najbolj razširjena, poznana in raziskana oblika M23C6. Karbidi te vrste imajo ploskovno centrirano kristalno strukturo. [6]
Karbidi M23C6 se pričnejo raztapljati v avstenitni matici že med procesom segrevanja na temperaturo avstenitizacije. Kinetika tega raztapljanja je odvisna od difuzijskih parametrov, kot sta čas in temperatura. Pri tem je treba paziti tudi na hitrost ogrevanja jekla. Z višanjem le-te se dviguje tudi temperatura, pri kateri se karbidni izločki popolnoma raztopijo. Podobno pa na raztapljanje vplivata tudi temperatura avstenitizacije in čas zadrževanja na tej temperaturi. Višja kot je dana temperatura in daljši kot je čas, več karbidov se bo raztopilo v avstenitni matici.
Primerjamo lahko deleže karbidnih pecipitatov glede na različne pogoje avstenitizacije jekla.
Ob ohlajanju z enako hitrostjo ohlajanja bo v končni mikrostrukturi prisotnih manj karbidnih pecipitatov, če smo jeklo avstenitizirali pri višjih temperaturah. [9]
Tvorba karbidov M23C6 pod 500 °C nastaja na izredno drobnih izločkih v obliki ploščic. Ti izločki so v premeru veliki le nekaj atomskih dolžin in se nahajajo ob dislokacijah ali na mejah kristalnih zrn. Natančneje lahko povežemo tvorbo karbidov M23C6 z izcejami na mejah kristalnih zrn. Do izcejanja prihaja pred pričetkom izločanja karbidov M23C6. Pri tem ločimo med karbidi, ki se izločajo na planarnih kristalnih mejah, in karbidih, ki se izločajo na izcejah.
Karbidi, ki se izločajo na planarnih mejah, so običajno izredno številčni in trikotnih oblik.
Nasprotno tem so karbidi, izločeni na izcejah, bolj planarnih oblik. Prav tako so ti karbidi mnogo manj številčni in koherentni z vsaj eno od kristalnih zrn v dani ravnini. Zaradi tega imajo nižjo medfazno energijo, kar pomeni manjšo nevarnost za pojav krhkosti med lezenjem jekla.
[6]
Karbidi planarnih oblik so torej manj škodljivi, zato poskušamo voditi procese toplotnih obdelav na način, da se tvorijo prav te oblike karbidov M23C6. To lahko dosežemo tudi z dodajanjem večjih koncentracij ogljika. S tem se povečuje predvsem delež izcej na mejah kristalnih zrn. Na ta način ustvarjamo pogoje, ki so primernejši za tvorbo planarnih karbidov.
[6]
Z dodatkom dušika lahko močno vplivamo na zmanjšanje deleža karbidov M23C6. Ta pojav je opazen že pri zelo majhnih dodanih koncentracijah dušika, ki v jeklu zavira njihovo izločanje.
Če samo nekaj dušikovih atomov zamenja ogljik, se preneha proces izločanja in tvorbe karbidov M23C6. Podobno vlogo nosijo tudi nekateri drugi elementi. Jeklu lahko dodajamo stabilizacijske elemente, kot so V, Nb, Ti, Zr, Mn in Ta. Ti elementi favorizirajo tvorbo MC karbidov. Na ta način zmanjšujejo vpliv senzitizacije in izboljšujejo mehanske lastnosti jekla. Proces deluje tako, da se ti elementi vežejo z ogljikom v jeklu. Tvorijo se drobni karbidi in nitridi. Dodatno delujejo tudi kot utrjevalci trdne raztopine, vendar je tudi pri dodajanju teh elementov treba biti
11 pazljiv, predvsem na nastanek Laversove faze. Na temperaturi enaki 700 °C se tvori fina Fe2Nb faza, zato je tovrstna obdelava jekla izredno tvegana. Laversova faza je v jeklu še posebej nagnjena k rasti, kar pa lahko močno poslabša lastnosti materiala. [6]
Z uporabo termodinamičnih modelov je mogoče izračunati, katere faze se lahko pojavijo v dani zlitini ob določenih pogojih. Ti modeli temeljijo na preračunavanju prostih energij vseh možnih faz. Tista, ki ima najmanjšo vrednost proste energije, je v danih pogojih najstabilnejša. V realnih pogojih ni nujno, da bo omenjena faza tudi zares prisotna. Mehanizmi, kot je npr. difuzija, lahko ovirajo proces tvorbe in preurejanja atomov. Večina nerjavnih jekel je tako v nekem metastabilnem stanju, zato je težko natančno poračunati stanja v realnih razmerah. Pogoji se spreminjajo tudi z različnimi vnosi energije v material, in sicer v obliki toplote ali mehanskega dela. [7]
2.2.4 Martenzitna nerjavna jekla
Martenzitna nerjavna jekla so najmanj razširjena skupina nerjavnih jekel. Glavni razlog za to je nekoliko slabša korozijska odpornost. Le-ta se v zlitinah zagotavlja s pomočjo legirnih elementov. V primeru martenzitnih nerjavnih jekel legirnih elementov ne smemo dodajati preveč, saj v nasprotnem primeru ne bi dobili martenzitne mikrostrukture. To se vidi tudi iz Schaefflerjevega diagrama, kjer martenzitna nerjavna jekla zasedajo območje v levem spodnjem kotu, tj. v delu, kjer ne kromov in ne nikljev ekvivalent nista pretirano visoka. Kljub temu so martenzitna nerjavna jekla nepogrešljiva v številnih industrijskih panogah. [7, 10]
Proces izdelave martenzitnih nerjavnih jekel je treba voditi na način, ki v določeni fazi zagotavlja povsem avstenitno mikrostrukturo. Le iz te mikrostrukture lahko nato s pravilnim vodenjem toplotnih obdelav dobimo martenzit. Pri tem avstenitna in feritna faza v končni strukturi jekla običajno nista želeni. Prisotnost ferita v martenzitnih nerjavnih jeklih namreč znižuje lastnosti, kot so trdota, trdnost in žilavost. Ferit se v jeklu lahko pojavi v litem stanju ali pa se tvori med procesi avstenitizacije in popuščanja. Poleg tega je pri martenzitnih nerjavnih jeklih treba paziti še na pojave, kot so popuščna krhkost, tvorba povratnega avstenita ipd. [7]
Uporabne zlitine martenzitnih nerjavnih jekel običajno vsebujejo med 11 in 18 masnih odstotkov kroma in do 1 masni odstotek ogljika. Dodaja se jim še relativno nizek delež elementov, kot so nikelj, molibden, volfram, vanadij in niobij. Pri tem je treba paziti predvsem na vpliv alfagenih elementov, ki dajejo prednost transformaciji v ferit in ne martenzit. V primerjavi z navadnimi ogljikovimi jekli tako dobimo nekaj omejitev, predvsem glede kemijske sestave in toplotnih obdelav, posledično pa tudi omejitve temperature, pri kateri se zlitina lahko uporablja. [7]
Poleg tega se večinski delež ogljika v martenzitnih nerjavnih jeklih veže s kromom v karbide.
Le-ti so dovzetni predvsem za interkristalno korozijo. Zaradi tega lahko jekla te vrste uporabljamo zgolj v zmernih okoljih. S tem dosegajo vrednosti zahtevanih mehanskih lastnosti in korozijske odpornosti. Predvsem visoke so vrednosti trdnosti, trdote in žilavosti. Višjih vrednosti trdot pa ne dosegajo zaradi deleža ogljika v martenzitu, ampak zaradi kombinacije
12 martenzita in karbidov v mikrostrukturi. Ogljika v jeklu namreč ni toliko, da bi martenzit lahko utrdili do tako visokih vrednosti. Vse lastnosti martenzitna nerjavna jekla obdržijo tudi pri povišanih temperaturah. [3, 7]
Natančneje lahko mehanske lastnosti martenzitnih nerjavnih jekel opišemo s pomočjo standardov. Eden izmed osnovnih standardov, ki ta jekla predpisuje, je EN 10088-3. Predpisane mehanske lastnosti po tem standardu so določene glede na vsako posamezno kvaliteto, ki pa se lahko med seboj močno razlikujejo. Prav tako znotraj določenih kvalitet standard ne predpisuje zgolj ene omejitve. Te namreč variirajo glede na stanje oz. toplotno obdelavo. Konkretno se omejitve mehanskih lastnosti poboljšanih martenzitnih nerjavnih jekel pri sobni temperaturi gibljejo v naslednjih intervalih:
• napetost tečenja – min. (Rp0,2): 450–800 MPa,
• natezna trdost (Rm): 650–1100 MPa,
• raztezek – min. (A): 10–16 %,
• trdota v žarjenem stanju – min. (H): 220–320 HBW,
• udarna žilavost – min. (ISO-V): 25–90 J.
Pri tem je treba omeniti, da so navedene vrednosti mehanskih lastnosti zgolj reprezentativne oz.
prikazujejo okvirne omejitve skupka vseh predpisanih kvalitet standarda EN 10088-3. Kot primer lahko konkretno navedemo eno izmed osnovnih kvalitet martenzitnih nerjavnih jekel z oznako AISI 410 oz. 1.4006 oz. X12Cr13, kateri standard v poboljšanem stanju predpisuje napetost tečenja minimalno 450 MPa, natezno trdnost med 650 MPa in 850 MPa, raztezek minimalno 15 % in udarno žilavost minimalno 25 J. Jeklo kvalitete AISI 410 je po kemijski sestavi podobno PK993, le da ima slednje dodan oz. legiran tudi Ni. [3, 11, 12]
Martenzitna nerjavna jekla z nizkim deležem ogljika in dušika v primerjavi z ogljikovimi jekli ne dosegajo pretirano visokih vrednosti trdot. Vseeno ustrezne mehanske lastnosti ob zmerni korozijski odpornosti tem vrstam jekel dajejo prednost pri uporabnosti, saj so v določenih industrijskih panogah nepogrešljiv člen v proizvodni verigi. Med posebne aplikacije martenzitnih nerjavnih jekel sodijo aplikacije v medicini, energetiki in petrokemijski industriji.
Iz njih izdelujejo dele vodnih turbin in opremo za naftno ter plinsko industrijo. Uporabljajo se tudi za izdelavo določenih delov peči, plinovodov, reaktorjev, črpalk, gredi in delov turbin, kjer so zahtevane lastnosti tudi pri povišanih temperaturah. [3, 11]R
2.3 Toplotne obdelave
2.3.1 Avstenitizacija in kaljenje nerjavnih jekel
Avstenit je trda raztopina železa, ki jo označujemo z grško črko gama (γ). Temperaturno območje, kjer se pojavlja, je določeno s sestavo jekla, tj. z vsebnostjo ogljika in drugih legirnih elementov. Konkretneje se vrednosti teh temperatur v realnih pogojih gibljejo nekje med 600
°C in 900 °C. Pri PK993 na to območje najbolj bistveno vplivajo elementi, kot so Cr, Si, Mo (ti so alfageni in zvišujejo temperaturo popolne avstenitizacije), in Ni, C, Mn (ti so gamageni in
13 znižujejo temperaturo popolne avstenitizacije). Ureditev atomov v avstenitni kristalni strukturi je ploskovno centrirana kubična mreža (p.c.k.) s 74 % zapolnitvijo celice. Od ferita (t.c.k.) se razlikuje po topnosti intersticijskih atomov (C, N), difuzivnosti legirnih elementov in po utrjevanju. [13]
Pravilno vodenje toplotne obdelave martenzitnih nerjavnih jekel sestoji iz pogojev, ki zahtevajo, da mora vsako martenzitno nerjavno jeklo:
• biti pri določeni temperaturi povsem avstenitno,
• imeti dovolj visoko temperaturo avstenitizacije, ki omogoča kasnejše visokotemperaturno popuščanje in s tem preprečevanje popuščne krhkosti.
Cilj avstenitizacije je torej dobiti homogen in drobnozrnat avstenit. Iz enega kristalnega zrna po avstenitizaciji dobimo več kristalnih zrn, kar izboljša mehanske lastnosti. S tem se poviša napetost tečenja in zniža prehodna temperatura žilavosti. Predolgo zadrževanje jekla na povišani temperaturi povzroča rast zrn avstenita, kar ima negativen vpliv na lastnosti jekla.
Sama avtenitizacija naj bi trajala tako dolgo, da se temperatura dvigne na potrebno temperaturo avstenitizacije (Tγ) po celotnem preseku. Za preprečevanje rasti kristalnih zrn lahko jeklu dodajamo mikrolegirne elemente, kot so Nb, Al, Ti, C, in N. To so elementi, ki tvorijo karbide in nitride. Ti izločki se tvorijo po mejah avstenitnih kristalov in preprečujejo rast kristalnih zrn, dokler ne presežemo temperature, pri kateri se raztopijo v avstenitu. [13]
Zaradi narave strjevanja in dodanih legirnih elementov običajno kemijska sestava jekla ni povsem homogena. Gledano iz vidika mikostrukturnih sestavin se v jeklu pojavljajo faze in območja z različno kemijsko sestavo ter posledično različno vsebnostjo ogljika, zato moramo biti pri izvajanju avstenitizacije pozorni na čas zadrževanje jekla na temperaturi. To omogoča difuzijo atomov. Ogljik je majhen intersticijski atom in se hitro prerazporedi po celotni avstenitni matici. S tem dobimo homogen avstenit, ki ga lahko nadalje transformiramo v martenzit. [7]
Za doseganje popolne avstenitizacije mora biti delež kroma in molibdena omejen, saj sta ta dva elementa alfagena in favorizirata tvorbo ferita. Upoštevati je treba tudi vplive drugih elementov na fazno ravnotežje. Tako je pri nizkih koncentracijah ogljika (0,05 %), avstenit stabilen le do nekje 12 % Cr. Nad to vrednostjo kroma se v mikrostrukturi pojavlja še določen delež drugih faz. Med temi tudi delta ferit, ki nastaja tik po strjevanju jekla. S povečevanjem deleža ogljika v jeklu se povečuje tudi avstenitno območje ob višjih koncentracijah kroma. To povezavo lahko vidimo na sliki 2, kjer je prikazan fazni diagram z 12 mas. % kroma. Razvidno je, da se s povečevanjem ogljika veča tudi območje, v katerem je mogoče doseči popolno avstenitizacijo.
[7]
14 Slika 2: Fazni diagram Fe-C z 12 mas. % kroma [7]
Če upoštevamo le omenjena elementa, je območje izdelave martenzitnih nerjavnih jekel zelo ozko. Z dodajanjem elementov, kot je nikelj, lahko uporabnost te vrste jekel močno razširimo.
Nikelj namreč močno razširi območje popolne avstenitizacije, upoštevajoč tako delež kroma kot tudi temperaturo. Podobno kot nikelj delujejo tudi drugi gamageni elementi. Vsi z izjemo kobalta poleg širjenja območja avstenita znižujejo tudi temperaturo pričetka martenzitne transformacije oz. Ms, zato smo torej omejeni z deležem gamagenih elementov, ki jih lahko dodajamo jeklu. Poleg tega se z dodatkom gamagenih elementov znižuje tudi odpornost proti koroziji. To lastnost zagotavljata ravno krom in molibden, ki sta nasprotno alfagena. Med vsemi elementi, ki so na voljo, je tako treba izbrati optimalno sestavo, ki omogoča popolno avstenitizacijo jekla in transformacijo v martenzit ob dovolj visoki temperaturi Ms. Dodanih mora biti tudi dovolj alfagenih elementov, ki zagotavljajo korozijsko odpornost. [7]
Dodatno je treba upoštevati še zmožnost popuščanja jekel brez tvorbe povratnega avstenita. Če transformacija avstenita v martenzitni stopnji med popuščanjem povzroča ostanek velikega deleža nepopuščenega martenzita ali katere druge nestabilne faze, je s tem omejena zmožnost popuščanja jekla pri visokih temperaturah za doseganje željenih trdnostnih lastnosti. Rešitev je lahko znižanje elementov v sistemu, kot je nikelj, in povišanje elementov, kot je molibden.
Zanimiv element pri teh jeklih je baker, saj v martenzitnih nerjavnih jeklih povečuje korozijsko odpornost v določenih medijih. Pri tem pa bistveno ne vpliva na fazna razmerja ostalih elementov oz. zmožnost jekla na popuščanje. [7]
Avstenitizaciji sledi kaljenje. To je toplotna obdelava, katere namen je utrditev jekla. Sestoji iz treh faz. Prva je ogrevanje jekla na temperaturo kaljenja. Le-ta je običajno enaka ali podobna temperaturi avstenitizacije. Sledi zadrževanje jekla na tej temperaturi toliko časa, da se jeklo
