Коррозионно-стойкие стали и сплавы

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Уральский федеральный университет 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

В. В. Березовская 
А. В. Березовский 

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ  
СТАЛИ И СПЛАВЫ

Учебное пособие 

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся  
по направлениям подготовки 
22.03.01 и 22.04.01 — Материаловедение  
и технологии материалов, 
22.03.02 — Металлургия 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2019 

УДК 669.018.8(075.8) 
ББК 34.437.3я73 
          Б48 

Рецензенты:
лаборатория конструкционного материаловедения ИМАШ УрО 
РАН (завлабораторией канд. техн. наук Р. А. Саврай);
профессор кафедры «Технология металлов» Уральского государственного лесотехнического университета, проф., д-р техн. наук 
Б. А. Потехин

Научный редактор — проф., д-р техн. наук В. Р. Бараз

Б48
Березовская, В. В.
Коррозионно-стойкие стали и сплавы : учебное пособие /  
В. В. Березовская, А. В. Березовский. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. Ун-та, 2019. — 244 с.
ISBN 978-5-7996-2684-6

Пособие знакомит студентов-бакалавров в разделе А с основами теории коррозии 
металлов и создания коррозионно-стойких сталей (КСС), а также видами их коррозионного разрушения, наиболее часто встречающимися на практике; магистрантов 
в разделе Б — с классификацией, свойствами, назначением и областью применения КСС; а аспирантов и исследователей в разделе В — с последними достижениями в области металловедения коррозионно-стойких сталей.
Представленный в пособии материал будет полезен для студентов при выполнении курсовых и дипломных работ, а также в научной работе аспирантов и молодых 
научных сотрудников.

Библиогр.: 88 назв. Рис. 99. Табл. 30.
УДК 669.018.8(075.8) 
ББК 34.437.3я73 

ISBN 978-5-7996-2684-6
© Уральский федеральный 
     университет, 2019

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 

А (g) — аустенит 
АС1 — температура, выше которой происходит обратное a ® g-превращение 
АКД (AOD) — аргонокислородная десульфурация 
АКО — аргонокислородная обработка 
АМС — аустенитно-мартенситные стали 
АФС — аустенитно-ферритные стали 
ВКД (VOD) — вакуумно-кислородная десульфурация 
ВКО — вакуумно-кислородное обезуглероживание 
ВТО — вакуумно-термическая обработка 
ДТС — дисперсионно-твердеющие стали 
З — закалка 
ЗТВ — зона термического влияния 
ИПД — интенсивная пластическая деформация 
КК — коррозионная кавитация 
КРН — коррозионное растрескивание под напряжением 
КС — коррозионная стойкость 
КСС — коррозионно-стойкие стали 
КУ — коррозионная усталость 
КЭ — коррозионная эрозия 
М (a', e) — мартенсит (a'-, e-мартенсит) 
МД — температура начала образования мартенсита деформации 
МКК — межкристаллитная коррозия 
МН — температура начала образования мартенсита охлаждения 
МС, М(CN), М2С/М2N, М3С, М7С3, М23С6 — обобщенные обозначения карбидов, нитридов и карбонитридов металлов, в т. ч. легированных 
О — отжиг 
ОШЗ — околошовная зона 
ПДП — плазменно-дуговой переплав 
ПК — питтинговая коррозия 
ПЭМ (ТЕМ) — просвечивающая электронная микроскопия
РФЭС — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
РЗМ — редкоземельный металл
С — старение 
СЭМ — сканирующая электронная микроскопия
ТО — термическая обработка 
ТОЛА — твердофазное обезуглероживание и легирование азотом

Список сокращений и обозначений

Ф (d) — феррит (d-феррит) 
ФК — фреттинг-коррозия 
ХПД — холодная пластическая деформация 
ЩК — щелевая коррозия 
ЭДП — электродуговой переплав 
ЭДС — электродвижущая сила 
ЭЛП — электронно-лучевой переплав 
ЭСХА — электронная спектроскопия химического анализа
ЭУФК — экстракционная упаренная фосфорная кислота
ЭФК — экстракционная фосфорная кислота
ЭХК — электрохимическая коррозия 
ЭШП — электрошлаковый переплав 
CSL — Coincidence site lattice — совпадение узлов решеток
DOS — Degree of Sensitization — степень сенсибилизации 
Е — электрохимический потенциалы 
Е° — стандартный электродный потенциал (относительно нормального  
водородного)
ЕА — потенциал на аноде 
Ен. в.э — потенциал отноcительно нормального водородного (Н2) электрода 
Ен. к.э — потенциал отноcительно нормального каломельного (AgCl) электрода 
ЕП, iП — потенциал и ток (плотность тока) пассивации 
ЕПП, iПП — потенциал и ток полной пассивации 
ЕПТ, iПТ — потенциал и ток питтингообразования 
ЕТ, iТ — потенциал и ток транспассивности (перепассивации)
ЕРП — потенциал репассивации 
ЕН2 — потенциал восстановления водорода 
ЕО2 — потенциал восстановления кислорода 
ЕКОР — потенциал незамкнутой цепи (свободно корродирующей поверхности)
EIS — Electrochemical Impedance Spectroscophy — спектроскопия электрохимического импеданса 
EPR — Electrochemical Potentiokinetic Reactivation — электрохимическая потенциокинетическая (потенциодинамическая) реактивация 
GBE — Grain boundary engineering — инженерия границ зерен
i — плотность тока 
KCU, KCV — ударная вязкость образцов с U- и V-образным надрезами 
MFM — Magnetic-Force Microscophy — магнитно-силовая микроскопия 
PREN — Pitting Resistance Equivalent Number — эквивалент стойкости к питтинговой коррозии
SQUID — Superconducting Quantum Interference Device — криогенный магнитометр
ТПЛ — температура плавления 
ТСОЛ — солидус 
ТХР — температура хрупковязкого перехода
TTS — диаграммы «время — температура — сенсибилизация» 
TTT — диаграммы «время — температура — превращение» 

ВВЕДЕНИЕ

З

начение конструкционных металлических коррозионно-стойких материалов для народного хозяйства любой технически 
развитой страны необычайно велико. Функционирование ряда 
конструкций современной техники, а также успешное осуществление 
многих технологических процессов часто зависят от создания и применения новых конструкционных металлических материалов повышенной коррозионной стойкости (КС).
Считается, что открытие нержавеющих (коррозионно-стойких) сталей (КСС) было сделано в Европе более ста лет назад [1]. В 1820 г. 
Дж. Стодарт и М. Фарадей опубликовали в Англии отчет по проведенному ими исследованию КС различных сплавов железа. По-видимому, 
это было первое сообщение, в котором упоминались сплавы Fe–Cr. 
Однако максимальное содержание хрома было ниже, чем требуется для пассивации, и исследователи упустили реальную возможность 
стать первооткрывателями нержавеющих сталей. В 1821 г. француз 
П. Бертье, заинтересовавшись работами Стодарта и Фарадея, установил, что железо, легированное значительным количеством хрома, 
обладает большей стойкостью в кислотах по сравнению с нелегированным. Им были получены сплавы, получившие впоследствии название «феррохром» (40–80 %* Cr). Хрупкие, с высоким содержанием 
углерода, они не представляли ценности как конструкционный материал. Однако Бертье изготовил ряд сталей с феррохромом в качестве легирующего компонента, но содержание хрома вновь оказалось 
слишком низким, чтобы обеспечить пассивное состояние, характерное для нержавеющих сталей. После П. Бертье многие исследователи 
также получали сплавы хрома с железом. Наличие хрома придавало 
таким сплавам высокую прочность и твердость, однако необходимая 
коррозионная стойкость не достигалась, главным образом, из-за высокого содержания углерода. Только в 1904 г. француз Л. Гийе полу
* Здесь и далее, если нет специальных указаний, содержание элементов приводится в массовых процентах.

Введение

чил низкоуглеродистые сплавы Fe–Cr, состав которых обеспечивал 
их пассивность. Он изучил структуру и механические свойства этих 
сплавов, а также сплавов Fe–Сr–Ni, называемых ныне аустенитными 
коррозионно-стойкими сталями.
В Германии Ф. Моннартц первым установил, что, для придания 
сплаву пассивных свойств, его необходимо легировать по крайней 
мере 12 % Cr. В 1908 г. он начал исследования химических свойств 
Fe–Сr-сплавов, а в 1911 г. подробно изложил их результаты. В его работе описано благотворное влияние на коррозионную стойкость окислительных сред по сравнению с восстановительными, необходимость 
поддержания в сплаве низкого содержания углерода и влияние небольшого количества легирующих элементов (например, Ti, V, Mo, W).
Преимущества закаленных коррозионно-стойких сплавов системы 
Fe — Сr при использовании в качестве материала для режущих инструментов были отмечены англичанином Г. Бреарли в 1913 г. В поисках 
лучшего материала для оружейных стволов он обнаружил, что сплавы 
железа с 12 % Cr не разрушаются травильными растворами, содержащими азотную кислоту, и в течение длительного времени не ржавеют 
в атмосфере. На основании исследований Э. Маурэра и Б. Штрауса, аустенитные коррозионно-стойкие сплавы системы Fe — Сr — Ni 
были впервые использованы в 1912–1914 гг. в Германии на сталелитейных заводах Круппа.
В настоящее время потребление высоколегированных КСС постоянно возрастает. Например, в химической промышленности применение средне- и высоколегированных сталей составляет порядка 17 % 
от общей массы используемых черных металлов. Несмотря на ряд ограничений по КС (например, склонность к локальным видам коррозии), 
КСС с их высокими механическими и технологическими свойствами 
широко применяются в химической и нефтехимической, текстильной, 
бумажной, атомной, фармацевтической, пищевой, винной и других 
отраслях промышленности.
Химический состав сталей соответствует стандартам, обозначаемым 
для различных стран производителей следующим образом: ГОСТ — 
Россия; AISI — США; B. S. 970 — Великобритания; A.F.N.O.R. — Франция; DIN 17007 — Германия (ФРГ); SIS — Швеция; MSZ — Венгрия; 
CSN — Чехия. В Японии специального стандарта на коррозионностойкие стали нет; химический состав сталей оговаривается в стандартах на соответствующий вид металлопродукции.

Аустенитные КСС

Традиционно используются стали трех классов: ферритные, мартенситные и аустенитные, реже двухфазные.
Аустенитные КСС являются крупнейшей группой в семействе всех 
нержавеющих сталей и представляют 60–70 % мирового потребления. 
Они обычно содержат 16–25 % Cr, 6–14 % Ni, иногда 2–6 % Mo и небольшое количество других элементов. Недостатком аустенитных сталей является подверженность питтинговой коррозии в хлоридных растворах 
и в определенных условиях — коррозионному растрескиванию под напряжением. Однако аустенитные КСС очень широко применяют в различных областях техники, включая строительство и автомобилестроение, 
а также в качестве конструкционного материала в пищевой и химической промышленности для сред слабой и средней агрессивности.
Все более популярными становятся высокоазотистые аустенитные 
стали, поскольку они обеспечивают большую прочность, пластичность и стойкость к питтинговой коррозии. Азот может также привести к образованию более мелкого аустенитного зерна.
Промышленные ферритные КСС могут быть классифицированы 
как Fe–Cr-сплавы, содержащие 12–30 % Cr, которые используются 
при высоких температурах как жаростойкий материал для котельных 
труб и турбинных лопаток. С точки зрения использования в качестве 
КС-материала, ферритные стали уступают своим аустенитным аналогам по следующим причинам: отсутствия пластичности, плохой свариваемости, восприимчивости к хрупкости (хрупкость 475 °C, например), чувствительности к надрезу и плохой деформируемости. Кроме 
того, Cr-стали, как правило, не пассивируются в восстановительной 
кислой среде, а высокохромистые ферритные стали известны своей 
хрупкостью и хрупким разрушением при хрупковязком переходе. Тем 
не менее ферритные КСС, при определенных обстоятельствах, например в Cl-содержащих средах, могут иметь более высокую коррозионную стойкость, чем аустенитные, когда их эквивалент сопротивления питтинговой коррозии (PREN) превышает 35. Суперферритные 
КСС с высоким содержанием хрома и некоторым количеством молибдена обладают превосходной стойкостью к питтинговой коррозии. К тому же ферритные стали удовлетворительно обрабатываются 
механически без использования свинца. Кроме того, ферритные стали имеют высокую теплопроводность, меньшее по сравнению с аустенитными КС-сталями тепловое расширение и не очень восприимчивы к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Введение

Ферритные стали применяют для изготовления изделий, работающих в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), 
для бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности и для теплообменного оборудования в энергомашиностроении.
Мартенситные КСС обычно содержат 12–17 % Cr; 0–4 % Ni и 0,1–
1,0 % С (С < 0,015 % для супермартенситных). Твердость сталей мартенситного класса в основном зависит от углерода, в то время как 
прокаливаемость и специальные свойства — от других легирующих 
элементов, таких как Mo, V, Nb, Al и Cu. В частности, молибден улучшает стойкость к питтинговой коррозии, а медь — обрабатываемость.
Стали мартенситного класса используются в различных областях 
техники, например, в качестве материала хирургического инструмента, столовых приборов, подшипников, компрессоров, бритв и т. д.
Без преувеличения можно сказать, что в нашей повседневной жизни 
мы встречаем нержавеющую сталь повсюду. Использование КСС варьируется от домашней утвари, такой как кастрюли, до очень дорогих элементов техники, таких как пропеллеры и оболочки космических аппаратов. Но, несмотря на то что КСС являются проверенным 
временем материалом, все еще есть много возможностей для их совершенствования. Исследования и разработки этих сталей активно ведутся по всему миру. Поиск по ключевым словам «stainless steel» в по- 
пулярных базах данных покажет множество недавних публикаций, что 
является свидетельством многолетнего неугасающего интереса к ним 
как к одной из актуальных тем научных исследований в мире.

РАЗДЕЛ A. ОСНОВЫ ТЕОРИИ  
КОРРОЗИИ СТАЛЕЙ

Глава 1. Понятия и определения

Глава 1. Понятия и определения

1.1. Определение коррозии
С

лово «коррозия» происходит от позднелатинского «corrosio» — 
«разъедание». Коррозию можно определить как разрушение 
материала в результате химического или электрохимического 
взаимодействия металла с окружающей средой. Разрушение металла, 
происходящее по физическим причинам, известно как эрозия, или износ. Химическое воздействие часто сопровождается физическим или 
механическим разрушением, например, коррозионная эрозия, коррозионная усталость или фреттинг-коррозия. Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Примером проявления коррозии является разрушение металлических конструкций в естественных 
условиях: трубопроводов, кровли зданий, кабелей, мостов, транспорта, оборудования цехов, обшивки судов, емкостей и аппаратов химической, пищевой и других отраслей промышленности, а также окисление металлов при термообработке и др.
КСС эксплуатируют преимущественно в условиях электрохимической коррозии, жаростойкие стали работают в условиях химической 
коррозии при высоких температурах. В одних случаях продукты коррозии представляют собой тонкую адгезионную пленку, которая может просто окрасить или замутнить металл и действовать как барьер 
при дальнейшем коррозионном воздействии. В других случаях объемные и рыхлые продукты коррозии не обеспечивают защиты металла.
Коррозия, как одна из самых серьезных проблем промышленности, 
вызывает ущерб, исчисляемый десятками миллиардов рублей в год. 
Основной причиной коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов. Металлы, как правило, возвращаются к своим природным состояниям через процессы коррозии.
Состояние всех металлов, полученных из руды, в атмосферных условиях (наличие влаги, кислорода), а также в ряде коррозионных сред 
(растворах кислот и солей) термодинамически неустойчиво, т. к. в результате коррозии их свободная энергия (DG) уменьшается и тем сильнее, чем выше склонность металла к коррозии.

1.2. Электрохимическая природа коррозии 

Электрохимическая коррозия (ЭХК) — это процесс, приводящий 
к переходу металла из металлического состояния в ионное. Возмож