Лахтин_Матеориаловедение

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 (рис. 165). На кривых ползучести (рис. 165, а) можно отметить участок оа, соответствующий упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; затем следует участок ab, на котором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся скоростью (стадия неустановившейся ползучести), и участок bc, 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 (рис. 165, б).

301

По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести.

Предел ползучести обозначают (ГОСТ 3248—81) σ с числовыми индексами, например σ7000,2/100 — 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 σ60010-5 — 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 данной 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 σ с двумя числовыми индексами, например σ7001000 — 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. 165, в). 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) Тп1. 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) Тп 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, осо-

1 Тп — температура плавления.

302

бенно 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. Такой механизм пластической деформации называют диффузионной пластичностью в отличие от сдвиговой по объему зерна, описанной ранее.

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 очень высоких температурах (до 1200—1500 °С)— на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500—750 °С. При температурах до 600 °С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах — стали на основе аустенитной структуры, обладающие более высокой жаропрочностью1. Чем сложнее по составу стали, тем выше леги-

1 К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание его превышает 50 %.

303

рованность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность.

Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10 000—200 000 ч) при температурах не выше 500—580 °С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют углеродистые и низколегированные теплоустойчивые стали перлитного класса (табл. 12).

Если рабочая температура не превышает 400 °С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К (ГОСТ 5520—79), поступающие в виде листов и труб. В марке буква «К» означает «котельная», а цифра — содержание углерода в десятых долях процента. Механические

свойства сталей: σΒ = 360÷490 МПа, σ0,2 = 220÷280 МПа, δ = = 24÷19 %. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и

ниже пластичность.

Для более ответственных, паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют

304

низколегированные стали, содержащие Сr, V, Мо и Nb (ГОСТ

20072—74).

Легирующие элементы, находясь в твердом растворе феррита, затрудняют диффузионные процессы, повышают температуру рекристаллизации, вызывают дисперсионное твердение, формируют в процессе γ α превращения субструктуру и стабилизируют карбидную фазу. Все эти процессы повышают жаропрочность стали.

Содержание углерода должно быть 0,08—0,2 %. При большом количестве углерода ухудшается свариваемость, ускоряются процессы коагуляции карбидов и твердый раствор обедняется молибденом, что снижает прочностные свойства. Ванадий (ниобий), образуя дисперсные карбиды, упрочняет матрицу. Наиболее высокие значения длительной прочности (см. табл. 12) достигаются после закалки и высокого отпуска. Температура отпуска должна быть выше рабочей, чаще 660—700 °С. В процессе эксплуатации сталей протекают процессы коагуляции карбидов М3С, образование карбидов типа М23С6 и М2С и твердый раствор обедняется молибденом. Все это снижает механические свойства. Для котельных установок, работающих при температуре 560 °С и давлении 25,5 МПа чаще применяется сталь 12Х1МФ, обладающая

хорошими технологическими свойствами и хорошей теплостойкостью (σ560104 = 140 МПа и σ560105 = 110 МПа).

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов.

Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, крепежные детали, трубы и т. д.) применяют высокохромистые (8—13 % Сr) стали, добавочно легированные W, Мо, V, Nb и В (см. табл. 12). Эти стали помимо более высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома они относятся или к мартен-ситному (до 10—11 % Сr) или к мартенситно-ферритному (11— 13 % Сr) классу. Структура этих сталей состоит из мартенсита, δ-феррита, карбидов типа М23С6, М6С, М2С, МС и фазы Лавеса — Fe2W (Fe2Mo). Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметал-лидных фаз. Наиболее сильно повышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 580—600 °С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит жаропрочность.

Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650—750 °С. Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин широко используется сталь мартенситного класса 15Х11МФ, которая проходит закалку на воздухе (масле) от 1050—1100°С и отпуск при 680—750 °С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М23С6 и М6С в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в струк-

305

туре большого количества δ-феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей — сорбит. Предел длительной прочности стали 15Х11МФ при 550 °С σ105 = 150÷170 МПа. Стали поступают в виде сортового проката — горячедеформирован-ного толстого листа и горячедеформированных или холодно-и теплодеформированных труб.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. Наиболее известны сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М (0,7—0,9 % Мо). Эти стали при нагреве и охлаждении испытывают полную фазовую перекристаллизацию α γ. Стали применяют после закалки в масле от 1000—1050 °С и отпуска при 720—780 °С (для стали 40Х10С2М) и при 800 °С (для стали 40X9C2) с охлаждением на воздухе или в воде. Нагрев под закалку до более высоких температур приводит к сильному росту зерна и грубому кристаллическому (нафталинистому) излому. Медленное охлаждение в интервале температур 450—600 °С вызывает охрупчивание сильхромов. Хрупкость может быть устранена повторным нагревом до 750—800 °С. При нагреве выше 500— 600 °C прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Стали аустенитного класса. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и В. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500—750 °С. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных.

Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными и мартенситными обработка их резанием затруднена. Сварной шов аустенитных сталей при наличии крупного зерна обладает повышенной хрупкостью. Полученное при перегреве крупное зерно вследствие отсутствия γα-превращения термической обработкой измельчено быть не может.

Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы: 1) твердые растворы, не упрочняемые старением; 2) твердые растворы с карбидным упрочнением; в этом случае упрочняющими фазами могут быть как первичные (TiC, VC, ZrC, NbC и др.), так и вторичные карбиды (М23С6, М6С, М7С3), выделяющиеся из твердого раствора; 3) твердые растворы с интерметал-лидным упрочнением. Чаще в этих сталях упрочняющей фазой является γ'-фаза типа Ni3Ti, Ni3Al, Ni3 (Ti, Al), Ni3Nb и др.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением.

Аустенитные жаропрочные стали со структурой твердых растворов, например 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР и 09Х14Н19В2БР, предназначенные для изготовления паропере-

306

гревателей и турбоприводов силовых установок высокого давления, работающих при 600—700 °С, применяют в закаленном состоянии. Закалку проводят от 1100—1160°С в воде или на воздухе. После закалки стали приобретают умеренную прочность и высокую пластичность (σ100 = 250÷260 МПа при 700 °С).

Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящей из двух последовательных операций, приведенных ниже:

1.Закалка от 1050—1200 °С в воде, масле или на воздухе.Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.

2.Старение при 600—850 °С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз.

Сувеличением легированности сплавов элементами, тормозящими процессы диффузии, температура старения возрастает. Для максимального и равномерного выделения интерметаллидных и карбидных фаз иногда применяют ступенчатое старение, например, двойное; сначала при более высокой температуре, а затем при более низкой (или наоборот).

Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упрочняемых термической обработкой, приведен в табл. 13.

Высокая жаропрочность и карбидное упрочнение сталей достигаются введением в хромоникелевый или хромоникелемарганцевый аустенит 0,3—0,5 % С и карбидообразующих элементов Mo, W, V, Nb и др. Такими сталями являются 45Х14Н14В2М и 40Х15Н7Г7Ф2МС. Сталь 45Х14Н14В2М применяют после отжига при 820 °С (охлаждение на воздухе) для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении для крепежа. После отжига структура стали — аустенит и карбиды типа

М23С6 иМ6С.

Для изготовления различных деталей газотурбинных установок, работающих при небольших нагрузках (турбовозы, газовые стационарные турбины), а также для крепежных деталей применяют сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично заменен марганцем. Упрочнение стали достигается закалкой от 1170— 1190°С в воде (на воздухе) и старением при 800 °С в течение 8— 10 ч. В процессе старения образуются дисперсные карбиды М23С6 и VC, которые повышают механические свойства при нормальной и высоких температурах.стойкость стали против окисления при температурах свыше 700 °С невелика, поэтому детали алитируют или подвергают электролитическому никелированию.

К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей (см. табл. 13). Основной упрочняющей фазой является γ', по составу отвечающая соединению

307

Ni3Ti, a в присутствии алюминия — соединению Ni3 (Al, Ti). При старении возможно образование также карбидов тина МС (TiC). Содержание углерода в этих сталях должно быть небольшим, так как он связывает молибден и вольфрам в карбиды, что понижает жаропрочность аусте-нита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.

Сталь 10Х11Н20ТЗР применяют в виде листов для изготовления сварных элементов высокопрочных конструкций, работающих при температуре до 700750°С. Эту же сталь с большим количеством титана и алюминия, без сварки, используют для изготовле-ния деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650 — 700 °С. Листовую сталь упрочняют закалкой oт 1060—1080 °С и старением при 700°С 3-8 ч (в

зависимости от толщины листа). Холодная деформация перед старением повышает временное сопротивление.

Сталь 10X11II23T3MP,

содержащая несколько больше никеля и добавочно легированная молибденом, имеет лучшую жаропрочность при 700— 750 °С по сравнению со сталью 10Х11Н20ТЗР. Режим термической обработки первой из них для получения максимальной жаропрочности: закалка oт 1100—

309

1130°C на воздухе (при крупных сечениях в масле) и двойное старение при 750—785 °С 16 ч и при 600—650 °С 10—16 ч.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (см. табл.

13). К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов (W, Ti и др.) в железоникелевой основе.

Сплавы на железоникелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин. Так, например, для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при 500—750 °С, применяют сплав ХН35ВТЮ. Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки от 1150—1180°C на воздухе, второй закалки от 1050 °С на воздухе и старении при 830 °С 8 ч.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Жаропрочные стали на основе никеля нередко называют нимониками. Эти сплавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т. д.). Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до

850 °С.

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20 %), а для повышения жаропрочности — титаном (1,0—2,8 %) и алюминием (0,55—5,5 %). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная γ'- фаза типа Ni3 (Ti, ΑΙ), когерентно связанная с основным γ- раствором, а также карбиды TiC и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов молибденом и вольфрамом, повышающими температуру рекристаллизации и затрудняющими процесс диффузии в твердом растворе, который необходим для коагуляции избыточных фаз и рекристаллизации. Добавление к сложнолегированным сплавам кобальта еще больше увеличивает жаропрочность и технологическую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зерен γ-раствора сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияние примесей, связывая их с тугоплавкими соединениями. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением. В связи с этим для повышения жаропрочности при выплавке жаропрочных сплавов необходимо применять возможно более чистые шихтовые материалы, свободные от вредных легкоплавких примесей.

Наиболее широко используют никелевый сплав ХН77ТЮР (ГОСТ 5632—72). После закалки от 1080—1120 °С сплав имеет структуру, состоящую из перенасыщенного γ-раствора с ГЦКрешеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, допускающей штамповку, гибку и профилирование. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и ста-

310