Аустенит представляет собой твердый раствор хрома, никеля, марганца и других элементов в железе. Углерод обладает ограниченной растворимостью в аустените. При комнатной температуре стабильное (устойчивое) содержание углерода в твердом растворе аустенита не превышает 0,02%.
При большем содержании углерода в стали и быстром ее охлаждении с высоких температур он находится в аустените в виде пересыщенного (нестабильного) твердого раствора. При этом сталь не подвергается межкристаллитной коррозии.
Однако последующий нагрев металла в интервале критических температур (500—800°С) приводит к тому, что избыточный углерод (сверх 0,002%) выделяется из твердого раствора на границы зерен в виде сложных карбидов железа и хрома [(Сr, Fe)3 С или (Fe, Сr2)3С6], в которых преобладает хром.
В результате выделения богатых хромом карбидов содержание хрома в пограничных слоях аустенитных зерен уменьшается до 12% и менее (рис. 48) и становится недостаточным для коррозионной стойкости металла в условиях воздействия агрессивной среды.
Отметим, что сталь стойка против коррозии в кислотах, щелочах и растворах солей при содержании в ней более 12% хрома. Стойкость стали в окислительных средах (например, в азотной кислоте) тем выше, чем выше содержание в ней хрома.
Если в стали содержится 12% и менее хрома (и при содержании менее 5% кремния), она становится некоррозионностойкой в сильных агрессивных средах.
Кроме того, благодаря разному содержанию хрома в центральных зонах и пограничных слоях аустенитных зерен такой металл при контактировании с агрессивной средой (электролитом) становится системой гальванических микропар, в которых тело зерна служит катодом, а обедненные хромом пограничные слои его — анодом.
Вследствие этого растворение (разъедание) обедненных слоев зерен (анодов) происходит весьма быстро, значительно быстрее, чем растворение 10—12%-ной хромистой стали с равномерным распределением хрома.
Рис. 48. Схема распределения хрома по зерну аустенитной стали типа 18—8, склонной к межкристаллитной коррозии: а - в закаленном состоянии (нет коррозии), б — после нагрева в критическом интервале температур (есть коррозия); 1 — тело аустенитного зерна, 2 — карбиды хрома и железа на границах зерен, 3 — обедненные хромом пограничные слои аустенитных зерен, 4 — графики распределения хрома.
Появление склонности аустенитной стали в околошовной зоне и шва к межкристаллитной корозии тем вероятнее, чем дольше (в пределах секунд до нескольких часов) металл находился нагретым в критическом (опасном) интервале температур.
Однако после весьма длительного нагрева сварных соединений (сотни часов и более) при этих температурах стойкость металла против межкристаллитной коррозии восстанавливается. При этом чем выше температура нагрева в интервале 500—800°С, тем меньшая продолжительность нагрева требуется для восстановления стойкости металла против коррозии (рис. 49).
На практике изделия отжигают при температуре 850°С в течение 2—3 ч. Такая термическая обработка сварных соединений из аустенитных сталей называется стабилизирующим отжигом.
Восстановление стойкости металла против межкристаллитной коррозии в данном случае обусловлено тем, что при весьма длительной выдержке при критических температурах (или отжиге при 850°С) после выделения карбидов происходит диффузия хрома (перемещение его атомов) из центральных зон аустенитных зерен в обедненные пограничные слои их, в результате чего содержание хрома по всему сечению зерна выравнивается.
Рис. 49. Схема, иллюстрирующая влияние температуры и времени выдержки на склонность аустенитной стали и аустенитных швов к межкристаллитной коррозии.
Предотвратить межкристаллитную коррозию сварных соединений из аустенитной стали можно закалкой в воде от температуры 1050—1100°С.
При нагреве металла до температуры 1050—1100°С карбиды хрома растворяются в аустените и при последующем быстром охлаждении фиксируются в нем, а содержание хрома по телу зерна выравнивается. Однако термическая обработка крупногабаритных изделий в производственных условиях не всегда осуществима.
Рис. 50. Диаграмма Шеффлера общего влияния элементов на микроструктуры легированных сварных швов.