Жаропрочностью называется сопротивление металла ползучести и разрушению при высоких температурах.
Жаростойкость (окалиностойкость ) — сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах (выше 550 ° С). — лист жаропрочный
Жаропрочные стали и сплавы
Влияние состава и структуры сплавов на жаропрочность. Жаропрочность характеризует сопротивление металла ползучести. Напомним (см. 2.4.1), что сопротивление ползучести оценивают пределом ползучести (напряжение, вызывающее заданную величину деформации при данной температуре) и долговременную прочность (напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за определенное время). При высоких температурах межатомные связи ослабевают, поэтому металлы при этих температурах разрушаются при напряжении, значительно более низких, чем необходимо для разрушения металла при 20 ° С. Разрушение происходит в результате ползучести. Ползучесть — это деформация материала во времени под действием постоянного напряжения. Она развивается при высоких температурах (выше температуры рекристаллизации) и напряженных, превышающих предел текучести, путем чередующихся актов клеветы вследствие пластической деформации и рекристаллизации, устраняет укрепление, вызванное клеветой (см. 2.4.1 и рис. 2.15). Таким образом, одним из основных факторов, определяющих жаропрочность, является температура рекристаллизации: чем она выше, тем большей жаропрочностью обладает металл (сплав).
Напомним, что температура рекристаллизации зависит от температуры плавления сплава, что определяется его химическим составом и типом сплава: Т = а • Т пл ( T Рекре, T пл — температуры рекристаллизации и плавления, К; а — коэффициент, зависящий от типа сплава, см. 3.5.3). Высокие значения коэффициента a (0,6 … 0,8) характерны для твердых растворов, поэтому в качестве жаропрочных материалов используют сплавы типа «твердый раствор». Если основа жаропрочного сплава имеет несколько полиморфных модификаций, то повышение жаропрочности достигается использованием сплавов на основе той модификации, у которой выше температура рекристаллизации. Так, сплавы с ГЦК решеткой (аустенитные) обладают более высокой температурой рекристаллизации и, следовательно, большей жаропрочных, чем сплавы с ОЦК решеткой (ферритные).
Кроме температуры рекристаллизации жаропрочность зависит от химического состава сплава (тугоплавкие материалы имеют более высокую жаропрочных), структуры — она должна быть стабильной при определенных условиях эксплуатации. При этом для разных условий, а именно при кратковременной или длительной эксплуатации, оптимальными будут неодинаковые структуры.
Для сплавов, предназначенных для краткосрочной эксплуатации при высоких температурах, необходимо обеспечить высокий предел ползучести. Оптимальной для этих условий есть структура, которая обеспечивает наибольшую прочность, — это структура твердого раствора и дисперсных частиц второй фазы (карбидов, интерметаллидов), что оказываются барьером перемещению дислокаций и поэтому затрудняют пластическую деформацию сплава (см. 3.5.2). При малом времени эксплуатации коагуляция дисперсной фазы не успеет произойти и металл сохранит высокую прочность, т. е. предел ползучести. Чем выше температура коагуляции дисперсных частиц, тем большей жаропрочностью будет обладать сплав.
Другие требования предъявляются к структуре сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации при высокой температуре: это длительная прочность. Она достигается, если сплав сохраняет свою структуру при высоких температурах в течение длительного времени. Более высокая стабильность сплава отмечается при однофазной структуре, что не испытывает фазовых или структурных превращений, приводящих к снижению жаропрочности. Поэтому наличие второй фазы по меньшей мере бесполезно, потому что при длительной эксплуатации будет происходить коагуляция частиц этой фазы.
Более высокое жаропрочных обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен. Границы зерен, содержащих большое количество дефектов, является наиболее ослабленными участками в металле. Поэтому именно по границам зерен в процессе ползучести происходит проскальзывание — перемещение одного зерна относительно другого. Таким образом, чем больше величина зерна, то есть чем меньше протяженность границ, тем медленнее развивается процесс ползучести.
Сплавы, предназначенные для длительной эксплуатации при высоких температурах, подвергают стабілізуючому отпуска при температуре выше эксплуатационной.
Для разных температур эксплуатации в качестве жаропрочных материалов используют:
- — Стали — для работы до 850 ° С;
- — Сплавы па основе никеля и кобальта — для работы до 950 … 1000 ° С;
- — Сплавы на основе тугоплавких металлов (молибдена и др.) — Для работы при более высоких температурах — до 1300 … 2000 ° С и выше.
Жаропрочные стали. Применяют стали перлітного, мартенситного и аустенитного класса.
Перлитные стали — это низкоуглеродистых стали, легированные в небольших количествах (до 1%) хромом, молибденом и ванадием (табл. 10.1). Стали подвергают нормализации и дальнейшего стабілізуючому отпуска при температуре 600 … 750 ° С, получая структуру пластинчатого сорбита, что обеспечивает высокую длительную прочность. Стали применяют для деталей, работающих длительное время (10 000 … 100 000 ч) при температурах не выше 500 … 580 ° С. Основное назначение — детали котельного оборудования: паропроводы, крепления и т.п.
Мартенситные стали являются сложнолегованая. В их состав входят сильные карбидообразующие компоненты (Cr, W, V, Мо и др.) (См. Табл. 10.1). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации, а также образуют сложные карбиды, что обеспечивает повышение жаропрочности. Упрочняющая обработка этих сталей заключается в закалке от высоких температур (с целью растворения карбидов в аустените) и последующем отпуске (при температуре выше, чем температура эксплуатации) на сорбит или троостит.
К мартенситним сталей относятся хромокремністие — сільхроми. Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния.
Мартенситные жаропрочные стали применяются для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок, рабочая температура которых не превышает 600 ° С.
Сільхроми используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Аустенитные стали (см. Табл. 10.1) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 ° С. Стали на основе α-железа (перлитные, мартенситные) для работы при таких температурах пригодны, поскольку температура рекристаллизации Feα ниже, чем Feγ.
Аустенитная структура сталей достигается легированием никелем и марганцем — компонентами, которые расширяют область существования аустенита и понижают температуру Мн к негативной. Кроме того, такие стали содержат в большом количестве хром для обеспечения высокой окалиностойкости — сопротивление металла окислению при высоких температурах. Дополнительное легирование молибденом, а также бором и редкоземельными элементами позволяет повысить жаропрочность и технологические свойства.
Таблица 10.1
Химический состав жаропрочных сталей
| Марка стали | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| C | Cr | Ni | Mo | V | Другие | |
| Стали перлітного класса | ||||||
| 12ХМ | 0,09 … 0,15 | 0,4 … 0,6 | — | 0,4 … 0,6 | — | — |
| 15ХМ | 0.11 … 0,18 | 0,8 … 1,1 | 0,4 … 0,6 | |||
| 12Х1МФ | 0,08 … 0,15 | 0,9 … 1,2 | — | 0.25 … 0,35 | 0,15 … 0,30 | — |
| Стали мартенситного класса | ||||||
| 12ХМБФ | 0,08 … 0,12 | 2,1 … 2,6 | — | 0,5 … 0,7 | 0,20 … 0,35 | 0,2 N1) |
| Сільхроми | ||||||
| 40Х9С2 | 0,35 … 0,45 | 8 … 10 | — | — | — | 2 … 3 Si |
| 40Х10С2М | 0,35 … 0,45 | 9 … 10,5 | — | 0,7 … 0,9 | — | 1,9 … 2,6 Si |
| Стали аустенитного класса | ||||||
| Не укрепляет термической обработкой | ||||||
| 12Х18Н9Т | <0,12 | 17 … 19 | 8 … 9,5 | — | — | 0,8 Ti, <2,0 Μη |
| 08Х18Н10Т | <0,12 | 17 … 19 | 9 … 11 | 0,5 … 0,7 Ti | ||
| Укрепляет термической обработкой (дисперсионное твердение) | ||||||
| 40Х14Н14В2М | 0,40 … 0,50 | 11 … 13 | 13 … 15 | 0,2 … 0,4 | 2,0 … 2,8 W | |
Аустенитные стали подразделяются па укрепляется и укрепляет термической обработкой.
Термическая обработка незміцнюючих сталей включает закалку от высоких температур (1050 … 1200 ° С) и старения (700 … 750 ° С). Цель обработки — не повышение прочности, а получение стабильной однородной структуры — однородного γ-твердого раствора с определенной величиной зерна. Такая термическая обработка также снимает напряжение, которые возникают в процессе изготовления деталей. Стали предназначены для длительной эксплуатации.
Повышение прочности сталей упрочняющими достигается за счет твердения (термическая обработка — закалка и последующее старение). Их преимущество в сравнении с незміцнюючих сталями проявляется при кратковременных сроках эксплуатации. При длительных сроках службы упрочняющая фаза коагулирует, жаропрочностью при этом снижается.
Жаропрочные стали мартенситного и аустенитного классов одновременно являются устойчивыми против коррозии.
Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, но плохо обрабатываются резанием.
Жаропрочные сплавы — сплавы на основе никеля и тугоплавких металлов — ниобия, молибдена, вольфрама.
Никелевые сплавы. Суммарное содержание никеля и хрома в сплавах превышает 50%. Температура рекристаллизации сплавов и поэтому допустимая температура эксплуатации выше, чем у сталей. Наибольшее распространение получили сплавы на залізонікелевій и никелевой основе. В состав жаропрочных сплавов входят также титан и алюминий (табл. 10.2 и 10.3).
Жаропрочные сплавы используют для изготовления лопаток газовых турбин, крепежных деталей и дисков турбин, а также авиационных двигателей.
Сплавы на основе тугоплавких металлов. Сплавы на основе ниобия ВН2А (4% Мо, 0,7% Zr, ≤ 0,8% С), ВН4 (9,5% Мо, 1,5% Zr, 0,3% С) можно эксплуатировать до 1300 ° С , сплавы на основе молибдена (ВМ1 — 0,4% Ti, ≤ 0,01% С) — до 1300 … 1400 ° С, на основе вольфрама (W — 27Re) — до 2000 … 2200 ° С.
Жаростойкие стали и сплавы
При нагревании в коррозионно-активных средах — в большинстве случаев это кислород газы — металлы
Таблица 10.2
Химический состав жаропрочных сплавов на основе никеля
| Марка сплава | Содержание компонентов,% масс. | |||||||
| Cr | Ti | Al | Mo | W, Nb | Fe | Mn | Другие | |
| ХН77ТЮР | 19 … 22 | 2.5 … 2,9 | 0,6 … 1,0 | — | — | ≤ 1,0 | ≤0,4 | — |
| ХН73МБТЮ | 13 … 16 | 2,4 … 2,8 | 1,3 … 1,7 | 2,8 … 3,2 | 1,8 … 2,2 Nb | ≤2,0 | ≤0,4 | — |
| ХН70ВМЮ | 9 … 11 | — | 4,5 … 5,5 | 5 … 6,5 | 4,5 … 5,5 W | ≤5,0 | ≤0,4 | До 0,7 V |
| ХН55ВМТКЮ | 9 … 12 | 1,4 … 2,0 | 3,6 … 4,5 | 4 … 6 | 4,5 … 6,5 W | ≤5,0 | ≤0,5 | 10 … 16 С |
Таблица 10.3
Химический состав жаропрочных сплавов на основе железа и никеля
| Марка сплава | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| Cr | Ni | Al | W | Ti | Fe | |
| ХН35ВТ | 14 … 16 | 34 … 38 | — | 2,8 … 3,5 | 1,1 … 1,5 | Ост. |
| ХН35ВТЮ | 14 … 16 | 33 … 37 | 0,7 … 1,4 | 2,8 … 3,5 | 2,4 … 3,2 | Ост. |
подвергаются химической коррозии, окисления. Чем выше температура, тем быстрее развивается коррозия (рис. 10.7).
Процесс коррозии может быть замедлен, если на поверхности металла образуется плотная пленка окислов, препятствующая проникновению кислорода внутрь металла. Защитная пленка должна быть сплошной, пластической, прочно связанной с основным металлом. Образование такой пленки связано с наличием в составе сплава соответствующих легирующих компонентов, поэтому жаростойкость определяется только химическим составом сплава и не зависит от его структуры.
Железо образует с кислородом оксиды FeO, Fe3O4, Fc2O3. Окисленный слой, в котором преобладает FeO, является рыхлой, легко пропускает кислород и не имеет защитные свойства. Пленки на основе соединений Ре3О4 и Fe2O3 более плотные, но и они не защищают от окисления.
Для повышения жаростойкости в сталь вводят легирующие компоненты, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют плотные оксидные пленки. К таким элементам относятся хром, кремний и алюминий.
Наиболее сильное влияние хрома на жаростойкость проявляется при его концентрации в сплаве 15 … 20%. Для работы при температурах до 800 ° С применяют ферритные и мартенситные хромистые стали, при более высоких температурах — аустенитные сплавы системы Fe — Ni — Cr» (табл. 10.4).
Содержание кремния и алюминия в сталях не превышает 4% за хрупкости сплавов с более высоким содержанием кремния и алюминия.
Рис. 10.7. Влияние температуры на скорость окисления железа
Таблица 10.4
Химический состав жаростойких сталей и сплавов
| Марка стали (сплава) | Содержание компонентов,% масс. | |||||
| C | Fe | Ni | Cr | Al | Другие | |
| стали | ||||||
| 20Х23Н18 | к | основа | 17 … | 22 … | Si ≤ 1%; | |
| 0,12 | … 20 | … 25 | Mn ≤ 2% | |||
| 12Х25Н16ГАР | к | основа | 15 … | 23 … | 7% Mn; | |
| 0,2 | … 18 | … 26 | 0,3 … 5% N; | |||
| 0,01% В | ||||||
| сплавы | ||||||
| XH4510 | к | Ост. | 44 … | 15 … | 2,9 … | — |
| 0,10 | … 46 | … 17 | … 3,9 | |||
| ХН78Т | к | 6 | основа | 19 … | 0,15 … | — |
| 0,12 | … 22 | … 0,35 | ||||
| Х116010 | к | 20 | основа | 15 … | 2,6 … | — |
| 0,10 | … 18 | … 3,5 | ||||
Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания, печного оборудования (ролики рольгангов, подовые плиты), сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.