14.3. Жаропрочные материалы

Критерии жаропрочности материалов.

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах.

Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры деталей превышают Многие детали современных паросиловых установок, металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других машин нагреваются до высоких температур и несут большие нагрузки. Условия работы деталей весьма разнообразны; решающее значение при выборе материала имеют температура, длительность работы под нагрузкой и величина напряжений. Например, паросиловые установки работают сотни тысяч часов, а ракетные двигатели - всего несколько минут. В одних случаях температуры участков деталей очень высоки и близки к температуре плавления сплава, в других - они лишь незначительно выше При высоких температурах ускоряются диффузионные процессы, изменяются исходная микроструктура и механические свойства материала.

Нагрев ослабляет межатомные связи, при высоких температурах уменьшаются модули упругости, временное сопротивление, предел текучести, твердость.

Рис. 14.12. Зависимость предела текучести металлов от температуры 1 - Al; 2 — Си; 3 - Ti; 4 - Ta; 5 - W

Рис. 14.13. Кривая ползучести: I неусгановившаяся стадия; II — установившаяся стадия; III — стадия разрушения

Чем ниже основы сплава, тем ниже оказываются его допустимые рабочие температуры (рис. 14.12).

При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Типичная зависимость деформации от времени нагружения представлена на рис. 14.13. Кривая ползучести состоит из трех участков, каждый из которых соответствует определенной стадии ползучести. Первая стадия так называемой неустановившейся ползучести отличается постепенным затуханием скорости деформации до определенной постоянной величины. Вторая стадия установившейся ползучести характеризуется постоянной скоростью деформации. На третьей стадии скорость деформации нарастает до момента разрушения. Третья стадия ползучести, как правило, непродолжительна и для деталей недопустима, так как в этом случае неминуемо быстрое разрушение.

Относительное развитие каждой стадии зависит от температуры и напряжения. При одном и том же напряжении повышение температуры испытания

Рис. 14.14. Зависимость ползучести от температуры (а) и напряжений (б)

сокращает продолжительность второй стадии и ускоряет разрушение (рис. 14.14, а). Аналогично влияет повышение напряжения при неизменной температуре испытания (рис. 14.14, б).

Предел текучести, определяемый при кратковременных испытаниях, не может быть критерием жаропрочности, так как он не учитывает поведение материала при длительном нагружении. Критериями жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом ползучести называется напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. В обозначении предела ползучести указывают температуру, величину деформации и время, за которое она возникает. Например, означает, что под действием напряжения за 100000 ч при температуре в материале появится пластическая деформация 1%.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. В обозначении предела длительной прочности указывают температуру и время до разрушения. Например, означает, что при температуре материал выдержит действие напряжения в течение Предел длительной прочности характеризует разупрочнение материала в процессе длительного нагружения при высоких температурах. Предел длительной прочности всегда меньше предела прочности, определяемого при кратковременных испытаниях при той же температуре.

Ползучесть металлов вызывает релаксацию напряжений в предварительно нагруженных деталях. При высокотемпературных условиях работы постепенно уменьшаются напряжения в болтах и других крепежных деталях, ослабляются натяги и т. п. Деформация нагруженной детали представляет собой сумму упругой и пластической деформации. В начале эксплуатации пластической деформации нет, и напряжение, например, в затянутой шпильке, равно а (где Е, — модуль упругости при температуре эксплуатации). Появление пластической деформации уменьшает долю упругой деформации до которая меньше Соответственно уменьшается напряжение до Возникающая пластическая деформация есть не что иное, как деформация ползучести под действием монотонно убывающего напряжения.

Критерием сопротивления релаксации является падение напряжения за время при заданной темперартре.

Большинство жаропрочных материалов поликристаллические. В таких материалах деформация ползучести развивается благодаря перемещению

Рис. 14.15. Схема диффузионной ползучести: заштрихованные области — удлинение зерна под влиянием направленной диффузии вдоль границ зерен

дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному переносу.

Перемещение дислокаций при температурах выше происходит двумя путями - скольжением и переползанием. При нагреве имевшиеся вокруг дислокаций скопления атомов легирующих элементов и примесей растворяются, и это облегчает скольжение. Переползание дислокаций обеспечивается их взаимодействием с вакансиями, благодаря этому отдельные участки дислокаций смещаются в соседние плоскости кристалла. Нагрев ускоряет диффузионный приток вакансий и облегчает переползание.

Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен друг относительно друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Скольжение развивается под действием касательных напряжений. Деформация скольжения тем больше, чем мельче зерна.

Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений уменьшается энергия образования вакансий. На границе между двумя растянутыми зернами (рис. 14.15) концентрация вакансий увеличивается и они перемещаются в зоны, где их концентрация меньше. Потоку вакансий соответствует встречный поток атомов, поэтому у растянутых границ количество атомов увеличивается и зерна удлиняются. Перенос атомов происходит и по объему зерен, однако вклад объемной диффузии незначителен и играет роль лишь при высоких температурах около а действие зерно - граничной диффузии существенно уже при температурах

Когда между перемещением дислокаций, зернограничным скольжением и диффузионным переносом нет соответствия, на границах зерен появляются поры и быстро наступает разрушение.

Для обеспечения жаропрочности требуется ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузию. Это достигается повышением прочности межатомных связей, созданием препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах, увеличением размеров зерен.

Основной путь повышения жаропрочности - создание в материалах крупнозернистой структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих фаз внутри зерен и на их границах.

Многофазная структура с мелкими частицами упрочняющих фаз в сталях получается при помощи закалки и отпуска, а во многих жаропрочных сплавах - после закалки и старения. Для получения оптимальной структуры в жаропрочных сталях и сплавах используют комплексное легирование, и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.

Прочность межатомных связей у большинства металлов недостаточная для обеспечения жаропрочности. Легирование твердого раствора увеличивает жаропрочность, но эффективность растворного упрочнения небольшая и сохраняется до температур около Материалы со структурой твердого раствора по жаропрочным свойствам уступают материалам, упрочненным дисперсными частицами.

Упрочняющими фазами служат карбиды в жаропрочных сталях, -фаза с ГЦК решеткой в никелевых сплавах,

оксиды или в никеле, фазы Лавеса и некоторые другие промежуточные фазы. Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем выше жаропрочность.

Крупнозернистость - характерная особенность структуры жаропрочных материалов. Чем крупнее зерна, тем меньше протяженность межзеренных границ и слабее зернограничное скольжение и диффузионный перенос. В этом отношении идеалом являются монокристаллы, у которых совсем нет границ зерен. Однако производство деталей со структурой монокристалла сложно, освоено лишь для отдельных деталей, и практически приходится иметь дело с поликристаллическими материалами. Для улучшения их жаропрочности требуется упрочнение границ зерен. С этой целью в жаропрочные стали и сплавы вводят малые добавки легирующих элементов, которые концентрируются на границах зерен. Эти элементы замедляют зернограничное скольжение и нейтрализуют действие вредных примесей. Особенно часто для упрочнения границ используют бор, церий и другие редкоземельные металлы. Границы зерен в никелевых жаропрочных сплавах упрочняют карбидами, добавляя с этой целью в сплавы около

Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат: 1) термомеханическая обработка; 2) увеличение прочности межатомной связи в сталях, когда благодаря легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой; 3) создание анизотропной структуры.

Термомеханическую обработку применяют для получения структуры полигонизации. Такая структура устойчива при нагреве в отличие от структуры наклепанного металла. Полигонизация повышает сопротивление ползучести, так как малоугловые границы в зернах мешают передвижению дислокаций. Однако такая обработка эффективна лишь в изделиях простой формы (например, трубы), где удается обеспечить однородную деформацию и одинаковые свойства во всем изделии.

У железа межатомные связи в ГЦК решетке прочнее, чем в ОЦК решетке. В частности, при температуре — 911 °С коэффициент самодиффузии железа в ОЦК решетке в 300 раз больше, чем в ГЦК решетке. Аустенитные стали имеют ГЦК решетку и по жаропрочности немного превосходят жаропрочные стали с ОЦК решеткой.

Анизотропную структуру в изделиях из жаропрочных сплавов получают направленной кристаллизацией или теми же способами, какими получают композиционные материалы.