11.15. Криогенные стали

11.16. Жаропрочные стали и сплавы

        Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течении определенного временит и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.         Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль упругости, предел текучести и временное сопротивление При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях.         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 течении всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило называние ползучести. Развитие ползучести в конце концов может 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 принимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации( ползучести).По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести (рис. 67).         Предел ползучести обозначают  с числовыми индексами, например ⁷⁰⁰ _0,2/100 - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 700⁰С. при этом необходимо указать, как определялся предел - по суммарной и остаточной деформации. в случае определения по скорости ползучести предел ползучести определяют  с двумя числовыми индексами. нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний - температуру испытания, ⁰С ; например  ⁶⁰⁰ ₁₀^-5 - предел ползучести т при скорости 10^-5% /ч при температуре 600⁰С . предел длительной прочности обозначается  с двумя числовыми индексами, например  ⁷⁰⁰₁₀₀₀ - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700⁰С.         Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Т_пл. Требуемые сроки службы изменяются от 1-2 ч (ракеты) до сотен ( авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов стационарные газовые и паровые турбины). При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается( уменьшается плотность дислокаций, растет число вакансий) и развиваются диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избыточных фаз)         Деформация и разрушение при высоких температурах часто проходят по границам зерен, поэтому более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно сказать, чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов. С другой стороны повышение жаропрочности достигается легированием твердых раствора, приводящая 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 дисперсионных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующим старением.         Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700-950⁰С) создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах ( до 1200- 1500⁰С) - на основе молибдена и других тугоплавких металлов.         Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750⁰С.Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность.

 Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время ( 10000-200000 ч) при температурах не выше 500-580⁰С. используются стали перлитного класса. Если рабочая температура не выше 400⁰С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К, поступающие в виде труб и листов. В марке "К" означает "котельная", а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

_{ ,} МПа

_2 , МПа

,%

360-490

220-280

24-19

                 Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Для более ответственных, паропроводных пароперегревательных труб с рабочей температурой 600⁰С применяют низколегированные стали, где тугоплавкие элементы образуют карбиды, тем самым вызывая дисперсионное упрочнение.         Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей узлов газовых турбин и паросиловых установок. Эти стали помимо высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома их относят или к мартенситному ( 10-11 %) или к мартенситно-ферритному (11-13 %) классу.         Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650-750⁰С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества  -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей - сорбит.         Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. При нагреве выше 500-600⁰С 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 молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500 - 750⁰С. Жаропрочность аустенитных сталей намного выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных, ферритных. Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

• твердые растворы, не упрочняемые старением;

• твердые растворы с карбидным упрочнением;

• твердыне растворы с интерметаллидным упрочнением.

        Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением. Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящих из двух последовательных операций, приведенных ниже: 1. Закалка от 1050-1200⁰С в воде в масле или в воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора. 2.Старение при 60-85⁰С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь, Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз

Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упрочняемых термообработкой приведены в таблице.         К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей. Основной упрочняющей фазой является Ni3Ti, а в присутствии алюминия Ni3 (Al,Ti). При старении возможны образование карбидов типа МС. Содержание углерода должно быть не большим, так как образованные карбиды понижают жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов. Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе. К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе Наилучшие жаропрочные свойства сплава после первой закалки от 1050⁰С на воздухе и старении при 830⁰С 8ч.         Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Жаропрочные стали на основе никеля называют нимониками. 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 850⁰С. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом , а для повышения жаропрочности - титаном и алюминием. Для дальнейшего повышения жаропрочности никелевые сплавы легируют молибденом и вольфрамом, а также кобальтом. Введение бора и циркония устраняет вредное влияние примесей ( серы, сурьмы, свинца и олова) на жаропрочность. Наиболее широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР. После закалки от 1080-1120⁰С сплав имеет структуру состоящую из перенасыщенного -раствора с ГЦК - решеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и старения при 700⁰С получают высокую жаропрочность.

Сплав

Содержание элементов¹,%

Cr

Ti

Al

C

B

ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ ХН55ВМТКЮ ХН65ВМТЮ

19-20 13-16 9-12 15-17

2,4-2,8 1,8-2,3 1,4-2,0 2,0-2,8

0,6-1,0 1,7-2,3 3,6-4,5 1,0-1,5

0,02 0,02 - 0,025

0,01 0,02 0,02 0,01

Сплав

Содержание элементов¹,%

Механические свойства

W

Другие элементы

В, МПа

⁸⁰⁰₁₀₀ ,МПа



ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ ХН55ВМТКЮ ХН65ВМТЮ

5-7 5-7 4,5-6,5 8,5-10

- 2-4 Mo 0,1-0,5 V 4-6 Mo 0,2-0,8 V 3,5-4,5 Mo

550 680 850 -

200 230-270 450 300

10 8 10 -

¹ Никель - основа        

        Никелевые сплавы широко применяются в литом виде. Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении и при выращивании монокристалла.

Сплав

Содержание элементов¹, %

⁸⁰⁰₁₀₀ МПа

Cr

Ti

Al

Mo

Другие элементы

ЖС3 ЖС6К   ВЖЛ12У      

14-18 10,5-12,5   8,5-10,5      

1,6-2,3 2,5-3,0   5,0-5,7      

1,6-2,2 5,0-6,0   4,2-4,7      

3,0-4,0 3,5-4,5   2,7-3,4      

4,5-6,5 W 4,5-6,5 W 4,5 Co 1,0-1,8 W 12-15Co 0,5-1,0 V 0,015 B

300 520   520      

¹ Содержание углерода 0,1 - 0,2 %        

        Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышает жаропрочность, однако технология получения сильно усложняется. Поэтому они применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергаются закалке от высоких температур и старению. Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергаются алитированию.