Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы
1.4.1. Жаростойкие стали и сплавы
Жаростойкими называют материалы, устойчивые к газовой коррозии при температурах выше 550 °С.
Повышение жаростойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (A1, Fе)2O3. Введение в сталь 5 - 8 % Сr повышает жаростойкость до 700–750 °С; увеличение содержания хрома до 15 - 17 % - до 950–1000 °С, а при введении 25 % Сr сталь остается жаростойкой до 1100 °С. Легирование сталей с 25 % Сr алюминием в количестве 5 % повышает устойчивость стали к газовой коррозии до 1300 °С. Жаростойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.
Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (08Х17Т, 12Х17, 15Х25Т и др.) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2 и др.) стали, обладающие жаропрочностью.
В сталях содержание алюминия и кремния в отличие от хрома ограничено, т.к. они охрупчивают сталь и ухудшают ее технологические свойства. Поэтому Al и Si вводят совместно с хромом. Жаростойкие стали Х13Ю4, Х23Ю5Т используются для электронагревателей печей, а сплавы 20Х25Н20С2 – в качестве муфелей, роликов рольгангов, подовых плит и других деталей печей, работающих в углеродосодержащей среде.
1.4.2. Характеристики жаропрочности
Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.
Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.
При высокой температуре изменяются все механические свойства стали: понижается модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцеплений), предел текучести и временное сопротивление. Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.
Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.
Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).
Для определения предела ползучести испытуемый образец в течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягивающего усилия и постоянной температуры при фиксировании деформации образца во времени.
Процесс испытания представляют в виде первичной кривой ползучести в координатах «удлинение – время». На кривых ползучести можно отметить участок Оа, соответствующий упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; затем следует участок аb, на котором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся скоростью (стадия неустановившейся ползучести), и участок bс, характеризующий равномерную скорость ползучести (стадия установившейся ползучести).
На основании полученных кривых ползучести строят зависимость между напряжением и удлинением или между напряжением и средней равномерной скоростью ползучести на прямолинейном участке в логарифмической системе координат. Зависимость между средней равномерной скоростью ползучести и приложенным напряжением в логарифмической системе координат имеет вид прямой, угол наклона которой к оси абсцисс определяется температурой испытания.
По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести.
 Рис. 1.4. Характеристики жаропрочности металла:
а – первичная кривая ползучести; б – схема диаграммы «напряжение–скорость ползучести»; в – зависимость между временем до разрушения и напряжением
Предел ползучести согласно ГОСТ 3248–81, обозначают, например, σ - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С. При этом необходимо указать, как определялся предел ползучести - по суммарной или остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести обозначают σ с двумя числовыми индексами: нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний - температуру испытания, °С; например,  - предел ползучести при скорости ползучести 10 -5 %/ч при температуре 600 °С.
Испытание на длительную прочность отличается от испытания на ползучесть тем, что испытуемый образец доводят при данных температуре и напряжении до разрушения. В результате испытания определяют предел длительной прочности, т. е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре (ГОСТ 10145–81). Предел длительной прочности обозначается, например,  – предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С. В логарифмических координатах зависимость между напряжением и временем до разрушения представляет собой прямую линию (рис. 1.4в). Это позволяет для ряда сплавов экспериментально построенные кривые для продолжительности 700–1000 ч экстраполировать на значительно большую длительность (10 000–100 000 ч).
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Тпл , где Тпл - температура плавления. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от 1–2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).
При температурах ниже (0,45–0,5) Тпл прочность сплавов определяется стабильностью их дислокационной структуры. При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается (уменьшается плотность дислокаций, растет число вакансий и т. д.) и развиваются диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избыточных фаз и т. д.).
Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходят по границам зерен. Это объясняется тем, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций и т. д.), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже небольших напряжений эти перемещения атомов, особенно на границах зерен, приобретают направленный характер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходят перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела, так называемое проскальзывание.
Таким образом, если при низких температурах границы зерен тормозят движение дислокаций и упрочняют сплав, то при высоких температурах наоборот, способствуют ускоренному разупрочнению поликристаллических металлов. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается.
Жаропрочность стали и других металлических сплавов в сильной степени зависит от величины межатомной связи, а также от их структурного состояния. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно считать, что чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов.
Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.
Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700–950 °С) создают на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при более высоких температурах (до 1200–1500 °С)– на основе молибдена и других тугоплавких металлов.
|
