Аустенитная и мартенситная нержавеющая сталь: две философии

Когда инженер говорит «нержавейка», он редко уточняет, о какой именно структуре речь. Между тем два самых массовых класса — аустенитная сталь и мартенситная сталь — ведут себя настолько по-разному, что путать их так же нелепо, как путать медь и алюминий. Одна пластичная, немагнитная, устойчива к кислотам, но не поддаётся закалке. Другая твёрдая, магнитная, режет мясо и дерево, но ржавеет в морском тумане быстрее, чем успеваешь моргнуть.

Разница между ними — не количественная, а качественная. Она заложена в самой кристаллической решётке и определяется буквально десятыми долями процента углерода и никеля. И как только вы понимаете эту развилку, выбор ленты под задачу превращается из шаманства в инженерный расчёт. Ниже — подробное сравнение, таблица характеристик и рекомендации по типовым сценариям: пищевые контейнеры, режущий инструмент, пружины, медицинский инструмент.

Если вы вообще сомневаетесь, нужна ли нержавейка в вашей задаче или хватит углеродки, начните с обзора нержавейка vs углеродка, а затем возвращайтесь сюда — за деталями внутри самого нержавеющего семейства.

Сравнительная таблица: аустенит и мартенсит по 11 параметрам

Таблица уже показывает основные развилки. Теперь разберём каждую строчку по существу.

Структура и решётка: почему это главное

Атомы железа могут упаковываться в разные кристаллические решётки. При комнатной температуре чистое железо — это ОЦК (объёмно-центрированный куб, феррит). При нагреве выше 911 °C оно перестраивается в ГЦК (гранецентрированный куб, аустенит), а при быстром охлаждении с высокой температуры может «застыть» в искажённой тетрагональной решётке — это и есть мартенсит.

Легирующие элементы смещают эти переходы. Никель — гамма-стабилизатор: он «фиксирует» ГЦК-структуру аустенита даже при комнатной температуре. Достаточно 8 % Ni, чтобы сталь оставалась аустенитной без всякой закалки. Хром — наоборот, альфа-стабилизатор: он расширяет область феррита. В мартенситных сталях никеля почти нет, зато есть много углерода — именно углерод, застревающий в решётке при закалке, и создаёт ту самую тетрагональную деформацию и запредельную твёрдость.

Именно ГЦК-упаковка объясняет высокую пластичность аустенита: в такой решётке 12 плотноупакованных направлений скольжения, а значит, много путей для пластической деформации. Мартенсит, зажатый углеродом, скользит плохо — отсюда твёрдость и хрупкость.

Химический состав: никель против углерода

Химия — самое яркое различие. Аустенит держится на никеле: 8–14 % Ni при 17–20 % Cr и минимуме углерода (не выше 0,12 %). Стабилизация аустенитной структуры начинается уже с 5–8 % Ni; при меньшем содержании появляется дуплекс — смесь аустенита и феррита. Углерод здесь скорее вреден: при перегреве он образует карбиды хрома по границам зёрен, обедняет матрицу хромом и вызывает межкристаллитную коррозию. Именно от этой болезни лечат сталь стабилизаторами — титаном или ниобием. Подробно про этот механизм и роль Ti разбираем в материале про 12Х18Н10Т и 08Х18Н10.

Мартенситная сталь построена по обратному принципу. Никеля почти нет (менее 1 %), зато углерода — от 0,15 % в мягком 20Х13 до 1,0 % и выше в 95Х18 или 440C. Хрома тоже поменьше — 12–18 %, потому что при высоком C избыток Cr уходил бы в карбиды и не работал бы на пассивацию. Такая композиция при нагреве до 950–1050 °C и последующем резком охлаждении даёт мартенситное превращение — то самое, из-за которого клинок становится клинком.

Механика и термообработка: разные инструменты в руках технолога

В отожжённом состоянии Rm обеих групп близки — 500–700 МПа для аустенита и 550–750 МПа для мартенсита. Но дальше пути расходятся.

Аустенит закалке на твёрдость не поддаётся вообще — у него нет фазового перехода при охлаждении. Единственный способ его упрочнить — холодная деформация (нагартовка): прокатка, волочение, гибка. Пружинные аустениты (SUS 301, AISI 304 в состоянии full hard) поднимают Rm до 1300–1700 МПа именно нагартовкой, ценой пластичности.

Мартенсит же живёт термообработкой. Классика: закалка с 950–1050 °C в масле или на воздухе + отпуск при 150–400 °C. После этого 40Х13 даёт 48–52 HRC, 95Х18 — 55–60 HRC. Отпуск при 500–650 °C сбрасывает твёрдость и возвращает пластичность — так делают, например, тарельчатые пружины на 45–48 HRC.

Магнитные свойства: простой тест магнитом

Полевой тест, который знает каждый снабженец: приложите магнит. Аустенит его не притянет (в чисто отожжённом состоянии), мартенсит — притянет уверенно. ГЦК-структура парамагнитна, ОЦТ, как и обычное железо, ферромагнитна.

Оговорка: сильно нагартованный аустенит может стать слабо-магнитным из-за частичного превращения γ→α′ (деформационный мартенсит). Поэтому лента 12Х18Н10Т в состоянии full hard иногда «липнет» — это нормально и не означает, что вам продали не ту марку.

Коррозионная стойкость: где кто держит удар

Аустенит выигрывает почти во всех средах. Больше никеля и хрома — стабильнее пассивная плёнка Cr2O3, лучше устойчивость к кислотам, хлоридам, органике. AISI 316 с добавкой молибдена вообще работает в морской воде. Аустенит любят пищевка, фармацевтика, химическая аппаратура.

Мартенсит корродирует заметнее. Даже 40Х13 в атмосфере промзоны покрывается лёгким налётом за пару месяцев. Причина — меньше Cr в матрице (часть связана в карбидах) и полное отсутствие Ni. Поэтому кухонные ножи из 65Х13 и 95Х18 моют и вытирают насухо, а хирургические скальпели пассивируют азотной кислотой перед стерилизацией.

Свариваемость: разные головные боли

Аустенит варится проще: нет закалочных превращений, металл шва пластичен, трещины редки. Главный риск — межкристаллитная коррозия в зоне термического влияния при выдержке 450–850 °C. Лечится либо низкоуглеродистой маркой (03Х18Н11, AISI 304L), либо стабилизацией титаном (12Х18Н10Т, AISI 321). Совместимость ГОСТ и AISI по этому классу подробно разбираем в статье AISI 321 vs ГОСТ 12Х18Н10Т.

Мартенсит варится тяжело. Высокий углерод даёт закалочные структуры в шве и ОШЗ, отсюда — трещины, охрупчивание, потеря пластичности. Требуется подогрев до 200–300 °C и обязательный отпуск после сварки. На практике мартенситные ленты стараются вообще не сваривать, а соединять пайкой, клёпкой или винтами.

Применения: две вселенные

Аустенит идёт туда, где нужна коррозионная стойкость и/или пластичность: молочные ёмкости, пивоварни, теплообменники, оболочки кабелей, декоративные листы, гофрированные компенсаторы, элементы вакуумных камер. В приборостроении — тонкая лента 0,05–0,3 мм для мембран и сильфонов, где важна немагнитность.

Мартенсит уходит в мир твёрдости: столовые и медицинские ножи, бритвы, скальпели, режущие кромки на комбайнах и мясорубках, стоматологический инструмент, крыльчатки насосов, шариковые подшипники специального применения. Тонкая лента 20Х13 в термообработанном состоянии — сырьё для промышленных лезвий.

Есть и промежуточный класс — аустенитно-мартенситные (переходные) стали типа 17-7PH, SUS 301 или 09Х15Н8Ю. У них никеля меньше, чем у чистого аустенита (7–9 %), и в отожжённом состоянии они аустенитные, но при холодной деформации или старении часть γ переходит в мартенсит α′. Такая сталь после нагартовки и старения даёт Rm 1300–1700 МПа при вменяемой пластичности — идеальный материал для плоских пружин и мембран.

Если хочется поставить пружину подешевле, а коррозия не мучает — сравните с классическими пружинными углеродками 65Г и 60С2А. Для комплексного алгоритма выбора ленты под конкретный сценарий есть пошаговое руководство.

Итого — что выбирать

• Пищевая промышленность, молочка, пивоварение, фармацевтика → аустенит 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, AISI 304/321. Немагнитность, отличная стойкость к кислотам, простая сварка.
• Режущий инструмент, ножи, лезвия, шабера, крыльчатки → мартенсит 40Х13, 65Х13, 95Х18, AISI 420/440. Твёрдость 50–60 HRC после закалки, кромка держит нагрузку.
• Медицинские скальпели, стоматологический инструмент, бритвы → мартенсит 30Х13, 40Х13, 95Х18. Обязательно с пассивацией и полировкой.
• Ёмкости для агрессивной химии, теплообменники, морская среда → аустенит 03Х18Н11, AISI 316L. Молибден повышает стойкость к хлоридам.
• Пружины, мембраны, торсионы с высокой коррозионной стойкостью → аустенитно-мартенситные 17-7PH, SUS 301, 09Х15Н8Ю в состоянии full hard или после старения. Rm до 1700 МПа, немагнитность в мягком состоянии.

Ключевой принцип: если задача про коррозию и пластичность — аустенит; если про твёрдость и износ — мартенсит; если нужно и то и другое — переходный класс с деформационным упрочнением.

Что почитать дальше

• Аустенит — Википедия — про фазу γ-железа и её стабилизацию легирующими.
• Мартенсит — Википедия — про механизм бездиффузионного превращения и ОЦТ-решётку.
• Aperam Stainless Strips — техническая справка одного из крупнейших мировых производителей нержавеющей ленты, с даташитами по аустенитным и мартенситным маркам.