Invloed van legeringselementen op de sterkte van austenitisch roestvast staal

Austenitisch roestvast kan niet worden gehard met de methodes die gangbaar zijn voor koolstofstaal, omdat het bij verwarmen niet overgaat in ferriet, waarna bij afschrikken vanaf voldoende hoge temperatuur de harde martensietfaze kan ontstaan. Harding en versteviging moet komen van de invloed van de diverse aanwezige legeringselementen.

Samenstelling

Verhoging van het nikkelgehalte heeft twee belangrijke effecten op de samenstelling en microstructuur van roestvast staal:

de hoeveelheid aanwezige austeniet bij de oplosgloeitemperatuur neemt toe, maar bij lage nikkelgehaltes kan deze austeniet geheel of gedeeltelijk overgaan in martensiet
de Ms temperatuur (dit is de temperatuur waarbij er martensiet gevormd gaat worden) daalt, zodat bij ongeveer 8% Ni de Ms temperatuur net onder kamertemperatuur ligt en er stabiele austeniet achterblijft na koeling vanaf de oplosgloeitemperatuur tot kamertemperatuur.
Een 18Cr-8Ni, koolstofvrij staal vormt een grensgeval met betrekking tot een volledig austenitische structuur, maar kan wat deltaferriet bevatten. Er is ongeveer 12%Ni nodig om een volledig austenitische structuur te verkrijgen bij de oplosgloeitemperatuur van rond de 1050°C. Omdat koolstof een krachtig austenietbevorderend element is, is een 18Cr-8Ni-0,1C legering volledig austenitisch boven ongeveer 900°C, hoewel de Ms temperatuur net onder kamertemperatuur ligt, zodat de austeniet gedeeltelijk zou overgaan in martensiet gedurende een diepkoelbehandeling of tijdens koudbewerken.. De wisselwerking tussen chroom en nikkel bij het bevorderen van de vorming van een stabiel austeniet in 0,1%C staal, na koeling vanaf 1050-1100°C, is daarom uiterst belangrijk.

Enkele van de voornaamste effecten zijn:

bij lage chroomgehaltes, fungeert chroom als ausenietstabilisator
bij 18%Cr is een minimum nikkelgehalte vereist ter bevordering van een volledig austenitische structuur die stabiel is bij kamertemperatuur (afbeelding 1)
met meer dan 18%Cr overheerst de ferrietbevorderende neiging van chroom en is meer nikkel vereist om deltaferriet te elimineren, hoewel de austeniet steeds stabieler wordt wat betreft martensietvorming.

Afbeelding 1. Effect van nikkel en chroom op de samenstelling van 0,1%C staal.

Het effect van andere legeringselementen is in zoverre van belang dat ze, al naar gelang of het austeniet- of ferrietbevorderende elementen zijn, ze de neiging tot deltaferrietvorming bij de oplosgloeitemperatuur verlagen of verhogen. Tal van onderzoekers hebben het effect bestudeerd van de legeringselementen op de samenstelling van austenitisch roestvast staal, waarbij gebruik werd gemaakt van chroom- en nikkelequivalent samenstellingen waarvan de resultaten zijn toegepast in het Schaefflerdiagram. Er zijn verscheidene chroom- en nikkelequivalenten opgesteld, maar de volgende waarden kunnen met enig succes worden gebruikt voor een breed scala van austenitische-staaltypen:

chroomequivalent = (Cr) + 2(Si) + 1,5(Mo) + 5(V) + 5,5(Al) + 1,75(Nb) + 1,5(Ti) + 0,75(W) (1)

nikkelequivalent = (Ni) + (Co) + 0,5(Mn) + 0,3(Cu) + 25(N) + 30(C) (2)

De waarden tussen haakjes stellen de gehaltes in gew.% voor van de legeringselementen.

Transformatie van austeniet in martensiet

Austeniet in de enkele van de wat minder hooggelegeerde roestvast-staaltypen kan worden omgezet in martensiet. Dit kan optreden in de oplosgegloeide toestand als de Ms temperatuur hoger is dan kamertemperatuur, of het kan optreden tijdens diepkoelen in stabielere legeringen waarbij de Ms temperatuur onder kamertempertuur ligt. Bij laatstgenoemde legeringen kan de Md temperatuur nog boven kamertemperatuur liggen en wordt er dus martensiet gevormd tijdens vervorming. Afgezien van kobalt, verlagen bijna alle legeringselementen de Ms temperatuur. Dit is een belangrijk gegeven bij het bepalen van de koudvervormbaarheid van austenitisch roestvast staal. Met uitzondering van kobalt verlagen bijna alle legeringselementen de Ms temperatuur.

Structuur-eigenschappen relaties

Er zijn goede relaties verkregen tussen samenstellings- en microstructuurparameters enerzijds en treksterkte en rekgrens waarden anderzijds volgens:

0,2-rekgrens (MN/m2) = 15,4{4,4 + 23(C) + 1,3(Si) + 0,24(Cr) + 0,94(Mo) + 1,2(V) + 0,29(W) + 2,6(Nb) + 1,7(Ti) + 0,82(al) + 32(N) + 0,16(%deltaferriet) + 0,46d-1/2} (3)

treksterkte (MN/m2) = 15,4{29 + 35(C) + 55((N) + 2,4(Si) + 0,11(Ni) + 1,2(Mo) + 5,0(Nb) + 3,0(Ti) + 1,2(Al) + 0,14(%deltaferriet) + 0,82t-1/2} (4)

waarin d is de gemiddelde lineaire korreldiameter, t is de tweelingafstand in mm en de waarden tussen de ronde haakjes geven de gewichtspercentages van de legeringselementen.

Uit de vergelijking valt op te maken dat de tweelingafstand geen invloed heeft op de 0,2-rekgrens. De tweelingafstand is van veel meer invloed op de treksterkte dan de korrelgrootte. In geval van austeniet met hoge stapelfoutenergie, waar relatief weinig tweelingen aanwezig zijn, zal de treksterkte afhangen van de korrelgrootte en zal toenemende korrelgrootte resulteren in verlaging van de 0,2-rekgrens waarde. Deltaferriet verhoogt de 0,2-rekgrens en treksterkte als gevolg van een dispersie-hardingseffect. De ferriet heeft een hogere 0,2-rekgrens dan de austeniet en spanningsconcentratie in de zachtere austenietfaze maakt dat de austeniet hierdoor verstevigt tot een sterkte die hoger is dan de nominale 0,2-rekgrens en daardoor een hogere breuksterkte oplevert. In het geval van de treksterkte geldt dat circa 80% van de versteviging als gevolg van deltaferriet is toe te schrijven aan uitscheiding van koolstof en stikstof naar de austeniet, waardoor de mate van versteviging toeneemt. De interstitiële elementen koolstof en stikstof veroorzaken de hoogste versteviging, gevolgd door de ferrietbevorderende substitutionele legeringselementen, terwijl de austenietbevorderende substitutionele legeringselementen weinig versteviging geven (afbeelding 2). De verstevigingseffecten in vaste oplossing weerspiegelen eveneens de invloed van de atoomdiameter van de opgeloste elementen op de roosterparameter van de austeniet en dus de spanning die door het betreffende legeringselement in het rooster wordt opgewekt (afbeelding 3).

Afbeelding 2. Effect van oplosharding in austeniet.

Afbeelding 3. Betrekking tussen verandering in roosterparameters als gevolg van opgeloste elementen en toename van de 0,2-rekgrens.

De invloed van de martensietvorming in metastabiele austeniet is ook van belang, voornamelijk wegens het effect op de taaiheid. Martensiet beïnvloedt ook de sterkte. Martensiet kan al aanwezig zijn voor er vervorming plaatsvindt maar kan ook ontstaan als gevolg van vervorming. Reeds voor vervorming aanwezige martensietgehaltes tot 35% beïnvloeden de 0,2-rekgrens niet en martensietgehaltes tot 20% kunnen juist de 0,2-rekgrens verlagen. Wegens de lage spanningen die heersen bij de rekgrens, ontstaat er zeer weinig martensiet bij dit spanningsniveau en heeft dus weinig effect op de rekgrens. Als er reeds meer dan 35% martensiet aanwezig is voordat de vervorming begint, dan neemt de 0,2-rekgrens toe met een stijgend martensietgehalte. Dit kan gedeeltelijk het gevolg zijn van het feit dat de austeniet sterk wordt vervormd en de austeniet en martensiet kunnen elk verschillend worden vervormd tijdens trekproeven. De invloed van martensiet op de treksterkte is complex. In staal waarin al martensiet aanwezig is voor beproeving, kan er al of niet meer martensiet worden gevormd tijdens beproeving, afhankelijk van de stabiliteit van de austeniet. De treksterkte van zulk staal stijgt lineair met stijgende hoeveelheden reeds voor beproeving aanwezige martensiet, volgens:

treksterkte (MN/m2) = 15,4{TC + 12 + 0,82(%M)} (5)

waarin TC de treksterkte is die is berekend met (4) en %M is het martensietpercentage dat voor de trekproef aanwezig is. Deze vergelijking kan als volgt worden herschreven:

∆T (MN/m2) + 185 + 9,84(%M) (6)

waarin ∆T het verschil voorstelt tussen de waargenomen en berekende treksterkte (afbeelding 4). De taaiheid, gemeten aan de hand van het insnoeringspercentage, daalt met toenemende hoeveelheden reeds aanwezige martensiet. Met behulp van de vergelijkingen (3) en (4) is het mogelijk om een indruk te krijgen van de effecten van een bepaald legeringselement, zoals bijvoorbeeld chroom, in termen van de verscheidene operationele verstevigingsmechanismen (afbeelding 5).

Afbeelding 4. Effect van martensiet alvorens te belasten tot de treksterkte.