Лекция №1 Особенности и свойства некоторых жаропрочных и коррозионностойких сталей, используемых для крупных поковок

Жаропрочные и коррозионностойкие стали отличаются от обычных сталей специальными свойствами, обусловленными комплексом физико-химических и технологических факторов. Как правило, такие стали имеют высокое содержание легирующих элементов: рома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия и др., хотя химический состав и не является единственным признаком, определяющим их особые свойства. Большое влияние на свойства стали оказывают также и технологические факторы: способы выплавки и разливки, термомеханические условия деформации и режимы термической обработки. Наилучшие результаты в отношении специальных свойств жаропрочности и коррозионной стойкости приобретаются сталью при благоприятном сочетании химического состава оптимальных технологических условий производства.

Важнейшими требованиями к свойствам жаропрочных сталей являются гарантия от разрушения детали при заданных рабочих условиях эксплуатации и обеспечение минимальной деформации в течение всего периода службы (в пределах величин, установленных для данной конструкции машины). Эти требования оцениваются главными критериями жаропрочности: условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Учитываются также и другие важные показатели работоспособности стали, в частно­сти длительная пластичность и чувствительность к надрезам. Запac пластичности определяет рабочие деформации за время службы детали. Поэтому при выборе металла данный критерий оценивается как один из основных. В прямой связи с деформационной способ­ностью стали в условиях ползучести находится и ее склонность к преждевременному разрушению под действием надрезов — кон­центраторов напряжений. Исследованиями установлено, что в большинстве случаев разрушение турбинных деталей связано С наличием в них концентраторов напряжений, действие которых усиливалось низкой пластичностью стали [1].

С точки зрения конструктивного использования для работы при высоких температурах и технологического применения большое значение имеют и физические константы стали стали: коэффициент линейного расширения и коэффициент теплопроводности .

С коэффициентом линейного расширения непосредственно связаны температурные напряжения в детали, которые тем больше, чем выше значение . Металлу с меньшим коэффициентом линейного расширения конструкторы иногда отдают предпочтение даже при условии несколько меньшей жаропрочности. Наиболее высокими коэффициентами линейного расширения обладают аустенитные стали.

Влияние коэффициента теплопроводности сказывается в первую очередь на температурном поле детали и. следовательно, на прочности конструкции и поведении ее при эксплуатации. Уменьшение коэффициента теплопроводности вызывает увеличение температурного градиента и напряжений. Этот серьезный фактор всегда учитывается при оценке целесообразности выбора стали определенного структурного класса для детали, работающей в условиях высоких температур.

Технологическое значение низкого коэффициента теплопро­водности металла состоит в том, что такие металлы требуют дли­тельных режимов нагрева под ковку и термическую обработку во избежание больших температурных напряжений и образования трещин. Низкая теплопроводность металла вызывает также кон­центрацию напряжений при местных перегревах, что ведет к ко­роблению детали. На теплопроводность стали резко влияет сте­пень ее легированности: наибольшую теплопроводность имеют углеродистые стали, наименьшую - высоколегированные аустенитные. Наибольшая разница в теплопроводности сталей разных классов наблюдается при обычных температурах. При высоких температурах эта разница значительно уменьшается.

Применительно к энергетическим машинам - паровым и га­зовым турбинам,- ответственные детали которых работают в усло­виях высоких температур, значительных напряжений и корро­зионных сред, нередко возникает ряд проблем по изысканию и вы­бору сталей с необходимым комплексом свойств жаропрочности в сочетании с требуемыми физическими свойствами и удовлетво­рительным сопротивлением химическим воздействиям при повы­шенной температуре.

Сложные задачи возникают и при выборе химически стойких сталей, работающих при обычной температуре, но в агрессивных средах, например в компрессорных установках, предназначен­ных для сжатия и подачи различных газов. В данном случае, несмотря на отсутствие ползучести, т. е. остаточной необратимой деформации, часто требуется использование высоколегированных специальных сталей, сочетающих хорошую сопротивляемость коррозии с высокой конструкционной прочностью. Последнее тре­бование приобретает особое значение в связи с непрерывным по­вышением рабочих параметров машин, использующих коррозионностойкие стали. Как правило, с повышением требований к жаропрочным и антикоррозионным свойствам усложняется химический состав сталей и ухудшается их технологичность на всех этапах металлургического производства.

В табл. 1 приведен химический состав некоторых наиболее распространенных в энергомашиностроении жаропрочных и коррозионностойких сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов, а ниже дана их краткая характеристика.