Жаропрочные стали

При высоких температурах механические свойства металлов и сплавов из

меняются. Поэтому при расчете деталей, работающих под нагрузкой при высоких температурах, необходимо учитывать не только прочность при кратковременном нагружении, но и длительную прочность.

Пределом длительной прочности d_t^T10 называется напряжение образца через данный промежуток времени t при постоянной темпе­ратуре Т. Так, d₁₀₀⁷⁰⁰ означает предел длительной прочности при 100-часовом нагружении при 700 °С.

При высоких температурах и длительной нагрузке наблюдается ползучесть - непрерывное медленное нарастание деформации.

Кривая ползучести в координатах относительное удлинение d- время t (час) показана на рис. 8.3.

ав – неустановившаяся ползучесть

вс - установившаяся ползучесть

cd - ускоренная пол­зучесть

d - разрыв

Жаропрочность - способность тела выдер­живать нагрузку при высокой температуре.

Рис. 8.3. Влияние температуры на деформацию образца

С повышением температуры подвижность атомов повышается, понижаются прочностные свойства. Причем у разных сплавов эти свойства понижаются при разных температурах. Особенно интенсивно при повышении температуры увеличивается скорость диффузии на границах зерен, где атомы не образуют правильной кристаллической решетки. Поэтому границы зерен при повышении температуры разупрочняются быстрее.

Жаропрочность определяется устойчивостью упрочненного состояния, полученного легированием, термической обработкой и др.

При ползучести происходят два противоположных процесса: пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением сплава (лес дислокаций) и рекристаллизация (уменьшение дислокаций), при­водящая к разупрочнению. Чем выше температура рекристаллизации Тр сплава, тем при более высоких температурах будет происходить разупрочнение. Положительное влияние на сопротивление ползучести оказывают легирующие элементы, повышающие температуру рекри­сталлизации сплава. Перспективными в этом плане для стали являют­ся тугоплавкие металлы: молибден, хром, никель, кобальт.

Жаростойкость (окалиностойкость) - свойство сплава сопро­тивляться окислению при высокой температуре.

Окалиностойкой сталь становится в том случае, если при ее на­греве до высоких температур на ее поверхности образуется плотная, прочная защитная пленка окислов. Для получения защитной пленки сталь легируют Cr, Si, A1 и др. Эти элементы имеют большее сродство с кислородом, чем железо, и образуют окислы Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃ (или более сложные окислы с железом) с плотным строением кристаллической решетки.

Стали, предназначенные для работы при высоких температу­рах, разделяют на:

-теплостойкие, работающие в нагруженном со­стоянии до 600⁰С. Это углеродистые низколегированные и хромистые стали перлитного либо мартенситного класса;

- жаропрочные (до 850 °С). Это высоколегированные стали аустенитного класса.

- окалиностойкие, слабонагруженные и работаю­щие при Т > 500°С.

Перлитные, мартенситные, мартенсито-ферритные жаропрочные стали, сильхромы. Эти стали используются, в основном, для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, работающих при температурах до 550⁰С. Легирование хромом, ванадием и молибденом производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ–перлитные, 1Х12В2МФ – мартенсито-ферритные, 12Х2МФСР, Х5ВФ – мартенситные). Перлитные стали хорошо свариваются, поэтому применяются для изготовления труб пароперегревателей. Для изготовления деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания) применяются сильхромы (4Х9С2, Х6С, Х10С2М).

Аустенитные жаропрочные стали. Основными жаропрочными аустенитными сталями, работающими при температурах 500-700⁰С, являются хромоникелевые стали, содержащие 10-20% Ni и 10-20% Cr, которые могут быть дополнительно легированы вольфрамом, молибденом, ванадием, и др.

По структуре эти стали подразделяют на 2 группы: 1) гомогенные (17Х18Н9, 09Х14Н19В2Б, 12Х18Н12Т и др.), в основном, не упрочняемые термообработкой. Иногда для более однородной структуры эти стали подвергают закалке 1050-1100⁰С и отпуску. Легирование ниобием увеличивает длительную прочность и сопротивление ползучести; 2) гетерогенные (37Х12Н8МФБ, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р и др.). Эти стали подвергают закалке 1050-1100⁰С и отпуску–старению при 750⁰С, в процессе которого выделяются карбонитриды, интерметаллидные фазы, сильно их упрочняющие.

Эти стали используют для: - клапанов выпуска автомобильных и тракторных двигателей; - деталей паросиловых установок тепловых электростанций (трубы пароперегревателей и паропроводов, лопатки паровых турбин, котлы сверхвысокого давления и др.); - для газовых турбин; -сопла реактивных двигателей и т.п.

Никелевые жаропрочные сплавы Эта группа сплавов имеет наибольшее значение. Без применения никелевых жаропрочных спла­вов было бы невозможным развитие ведущих отраслей турбостроения. Рабочие температуры никелевых жаропрочных сплавов ~700-1050°С, что составляет 0,6-0,75 Т_пл основы. Никелевые сплавы сочетают вы­сокую жаропрочность, жаростойкость и технологичность.

Никель сам по себе не является жаропрочным. Т_пл = 1455°С ниже, чем у железа (1539°С). Решетка - ГЦК. Плотность 8,9*10³ кг/м³. Он мягок и пластичен.

Жаропрочность никелевых сплавов обеспечивается легирова­нием и соответствующей термической обработкой. Современные ни­келевые жаропрочные сплавы имеют сложный состав, в них входят 7-9 основных легирующих элементов: A1, Ti, Cr, W, Mo, Ni, Та, V, Со. Все эти элементы, входя в состав твердого раствора на основе никеля, называемого g - твердым раствором (в ГЦК-Ni), повышают его жаро­прочность, а A1 и Ti образуют основную упрочняющую g- фазу на основе Ni₃ (Al,Ti) - ГЦК.

Маркировка: процентное содержание легирующих элементов, кроме никеля не показывают: ХН70ВМТЮ содержит 70 % Ni, а также Cr, W, Mo, Ti, Al.

Наибольший эффект (!) жаропрочности достигается при на­правленной кристаллизации, либо методом монокристаллического литья – выращивания крупного монокристалла размером в лопатку. Отсутствие зерен увеличивает стойкость металла.

Кобальт по свойствам схож с Ni. (Т_пл=1495°С). Ниже 477°С ко­бальт имеет ГПУ - решетку, а выше - ГЦК - решетку. U₁=8,9*10³ кг/м³ (ГПУ)и U₂= 8,7*10 ³ кг/м³ (ГПК). По характеристикам жаро­прочности кобальт не уступает никелю, а кобальтовые сплавы – уступают.

Достоинством кобальтовых сплавов являетсяих хорошая корро­зионная стойкость при повышенных температурах в продуктах сгора­ния топлива, содержащего серу. Они более стабильны при длительной работе и пр.