Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Жаропрочные стали

15.11.2018

Жаропрочность — свойство материала сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению при одновременном воздействии приложенной нагрузки и высоких температур (выше 0,3tпл) в течение определенного периода времени.

Жаропрочные стали используют в энергомашиностроении (в конструкциях газотурбинных, ракетных, поршневых и других двигателей), в котлотурбостроении, в агрегатах металлургической промышленности.

Жаропрочные стали, детали из которых эксплуатируются при температурах до 650 °С, иногда называют теплоустойчивыми.

Одновременное воздействие на сплав двух внешних факторов — температуры и напряжения вызывает развитие в нем структурного процесса, называемого ползучестью. Ползучесть — это процесс произвольной пластической деформации в при напряжениях более низких, чем кратковременный предел текучести при заданной температуре. Ползучесть протекает при температуре выше 0,3tпл. Развитие процесса ползучести во времени описывается кривой ползучести (рис. 15.1), характеризующейся тремя стадиями:

1) стадия неустановившейся ползучести — металл деформируется с неравномерной замедляющейся скоростью (отрезок ab);

2) стадия установившейся ползучести — металл деформируется с постоянной скоростью (отрезок bс);

3) стадия разрушения — металл деформируется с увеличивающейся скоростью, что заканчивается его разрушением (отрезок cd).
Жаропрочные стали

Деталь из жаропрочного сплава должна работать только тогда, когда металл находится на стадии установившейся ползучести. Чем длительнее эта стадия при данной температуре, тем больший ресурс работы изделия из жаропрочного материала.

Причиной развития ползучести является постепенное накопление изменений в микроструктуре материала при повышенной температуре под напряжением: перемещение атомов и дислокаций, проскальзывание по границам зерен. Зернограничное скольжение — это сдвиг зерен относительно друг друга вдоль общих границ в узкой приграничной области. В результате такого скольжения на границах зерен появляются несплошности — поры, накопление которых может привести к разрушению материала.

Для замедления процесса ползучести, продления установившейся стадии ползучести применяют соответствующее легирование сплавов:

• тугоплавкими элементами, которые повышают температуру рекристаллизации;

• элементами с переменной растворимостью в металле-основе, что позволяет проводить упрочняющую термическую обработку.

Жаропрочность характеризуется пределом ползучести, пределом длительной прочности.

Предел ползучести — напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. При обозначении предела ползучести оib/t указывают три числовых индекса: верхний соответствует значению температуры испытания t, °С; нижний — показывает заданную суммарную деформацию b, %, которая должна быть получена за время т, ч.

Предел длительной прочности — напряжение, равное отношению нагрузки, при которой происходит разрушение образца через определенный промежуток времени, к первоначальной площади поперечного сечения. В обозначении предела длительной прочности oтt приводят два числовых индекса: верхний указывает температуру t, °C, а нижний— длительность т (или базу) испытания, ч. Например, о100в700, МПа, означает напряжение, при котором материал образца разрушается через 100 ч испытания при температуре 700 °С.

Жаропрочные стали используют в различных областях машиностроения, при разном сочетании условий эксплуатации деталей: температуре, времени, нагрузке. Это связано с многовариантностью изменения структурно-фазового состояния сталей за счет таких параметров, как:

• полиморфизм железа;

• фазовые превращения в системах Fe—С, Fe—Cr—С, Fe—Cr—Ni;

• широкий интервал легирования;

• разнообразные варианты упрочняющей термической обработки (закалка + отпуск, изотермическая закалка, закалка + старение);

• принадлежность к структурным классам — перлитному, мар-тенситному, ферритно-мартенситному, аустенитному.

Структурный класс стали определяется по той структуре, которую сталь приобретает после нагрева до 950 °C и охлаждения на воздухе: перлит, мартенсит, аустенит или феррит с мартенситом. Стали всех классов, кроме перлитного, являются высоколегированными. Все стали являются многокомпонентными сплавами, в которых сочетание легирующих элементов направлено на обеспечение сопротивления ползучести (рис. 15.2).

В зависимости от назначения деталей и условий их эксплуатации в производстве применяют стали различных структурных классов (табл. 15.1). Для длительной работы изделий при температуре 450...580 °C и невысоком нагружении применяют стали перлитного класса. В случае использования деталей при более высоких температурах и нагрузках, в условиях агрессивных сред их изготовляют из 12%-ных хромистых комплексно-легированных сталей мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Детали, работающие при температурах 700...850 °C и высоких нагрузках (рис. 15.3), изготовляют из самых жаропрочных сталей — сталей аустенитного класса с различным типом упрочнения (карбидным или интерметаллидным).

Перлитные стали используют главным образом в теплоэнергетике: условия их эксплуатации включают атмосферу перегретого пара, давление пара с невысокими нагрузками.

По химическому составу перлитные стали являются низкоуглеродистыми и низколегированными, они содержат 0,08...0,15 % С и не более 2...3 % легирующих элементов, из которых самые важные — Mo, Cr и V. Молибден и хром упрочняют феррит, хром и ванадий образуют карбиды. Наиболее распространенные марки сталей перлитного класса: 12Х1М1Ф, 25Х2М1Ф.

Термическая обработка перлитных сталей включает нормализацию и высокий отпуск, во время которого образуются дисперсные карбиды (VC, Сr7С3, М02С), упрочняющие сплав.

Для перлитных сталей, детали из которых (трубы и другие элементы теплоэнергетических установок) эксплуатируются годами, особенно важна стабильность структуры и свойств.

Перлитные стали хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются.

Главными недостатками сталей перлитного класса являются низкие жаростойкость и коррозионная стойкость, так как содержание Cr в них не превышает 5 %. Поэтому на детали из этих сталей необходимо наносить специальные покрытия.

Стали, содержащие 0,12...0,15 % С, применяют для изготовления трубопроводов, паропроводов, деталей паросиловых установок. Стали, в которых присутствует 0,25...0,30 % С, являются более жаропрочными вследствие наличия большего количества карбидов. Поэтому из них изготовляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных паровых турбин, плоские пружины и крепежные детали.

Мартенситные стали содержат 12...15 % Cr, они являются одновременно коррозионно-стойкими, жаростойкими и жаропрочными.

По химическому составу мартенситные стали являются низкоуглеродистыми, высоколегированными, содержат 0,08...0,15 % С, 12...15 % Cr, а также молибден, ванадий, ниобий. Применяемые в котлотурбостроении стали не содержат никель (15X11МФ); стали, используемые для производства деталей ГТД, легированы никелем (14Х12Н2В2МФБ), чтобы выдерживать сложные механические нагрузки, в том числе ударные.

Термическая обработка состоит в закалке на мартенсит и высоком отпуске при 650...690 °С, во время которого образуется карбид Cr23C6.

Стали мартенситного класса обладают комплексом свойств, благоприятных для использования при повышенных температурах и в сложных условиях нагружения: жаропрочностью, жаростойкостью, высоким пределом выносливости, высокой ударной вязкостью.

Эти стали предназначены для производства изделий, работающих при температурах 450...650 °С. Мартенситные стали применяют в котлотурбостроении и двигателестроении (детали компрессоров газотурбинных двигателей — ГТД).

В котлотурбостроении изделия из таких сталей эксплуатируются при более нагруженных условиях (температуры и давление перегретого пара выше, газовые среды более агрессивны), чем детали и конструкции из перлитных сталей.

В двигателестроении детали ГТД работают в сложных условиях нагружения: статические растягивающие и изгибающие нагрузки, циклические и динамические нагрузки, газовая коррозия, резкие теплосмены.

Стали аустенитного класса по рабочей температуре и уровню жаропрочных свойств превосходят стали перлитного и мартенситного классов (см. рис. 15.2 и 15.3). Это обусловлено наличием ГЦК-решетки, атомы в которой имеют более низкую диффузионную подвижность, чем в ОЦК-решетке, а также большей растворимостью легирующих элементов в аустените.

Аустенитные стали содержат, %: 11...27 Cr, 9...29 Ni, до 0,4 С; они могут быть легированы такими элементами, как Ti, Nb, Mo, Al, W. В зависимости от типа основной упрочняющей фазы стали подразделяют на три подгруппы:

• однофазные (гомогенные) стали типа 12X18Н9Т, не упрочняемые термической обработкой;

• стали с карбидным упрочнением (45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ);

• стали с интерметаллидным упрочнением (10X11Н20ТЗР).

Однофазные аустенитные стали обычно называют гомогенными. Основной упрочняющей фазой является высоколегированный аустенит. Титан добавляют для образования карбида TiC и предотвращения межкристаллитной коррозии (MKK).

Аустенитные стали с карбидным упрочнением имеют повышенное содержание углерода (до 0,5 %). Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении, во время которого из аустенита выделяется легированный карбид хрома (Cr, Ме)23С6. Возможно также образование карбида ванадия VC. Зачастую нагрев аустенитных сталей после закалки называют отпуском. Таким образом, в этих сталях по сравнению с гомогенными реализуется, кроме твердорастворного, еще и дисперсионное упрочнение за счет частиц карбида. Поэтому детали из этих сталей (рабочие лопатки газовых турбин, диски, роторы, крепежные детали) работают при более высоком нагружении и температуре на 100 °C выше (до 750 °C), чем детали из гомогенных сталей (см. рис. 15.3 и 15.4).

Аустенитные стали с интерметстлидным упрочнением содержат больше никеля, легированы титаном и алюминием. Они являются самыми жаропрочными в классе аустенитных сталей. К ним применяют закалку и старение. Титан и алюминий имеют переменную растворимость в хромоникелевом аустените, поэтому после закалки образуется пересыщенный твердый раствор, из которого при старении выделяется интерметаллическая фаза у' — Ni3(Ti, Al). Жаропрочность сталей, упрочненных у'-фазой, выше, чем у сталей с карбидным упрочнением, что обусловлено следующими причинами:

• количество у'-фазы, образующейся при старении, больше, чем количество карбида (8...10 % против 1,3...3 %);

• дисперсность частиц у'-фазы выше, чем частиц карбида;

• частицы у'-фазы когерентно связаны с матрицей — когерентная граница является дополнительным препятствием для перемещения дислокаций.

К недостаткам сталей аустенитного класса следует отнести их высокую стоимость, трудность деформации в горячем состоянии (в сопоставлении со сталями мартенситного класса), меньшую термостойкость (из-за более высокого коэффициента линейного расширения и более низкой теплопроводности).
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: