16. ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т. д., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцеплений), 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 течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете 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.

Рис. 165. Характеристики жаропрочности металла: а — первичная кривая ползучести; б - схема диаграммы напряжение—скорость ползучести; в — зависимость между временем до разрушения и напряжением

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 соответствующий упругой и пластической деформации, вызванной мгновенным приложением нагрузки; затем следует участок на котором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся скоростью (стадия неустановившейся ползучести), и участок 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).

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

Предел ползучести обозначают (ГОСТ 3248-81) а с числовыми индексами, например — предел ползучести при допуске на деформацию за испытания при температуре При этом необходимо указать, как определялся предел ползучести — по суммарной или остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести обозначают а с двумя числовыми индексами. Нижний индекс означает заданную скорость ползучести , верхний — температуру испытания, например — предел ползучести при скорости ползучести при температуре

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 а с двумя числовыми индексами, например — предел длительной прочности за 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 Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

При температурах ниже 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,

особенно 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 вилы 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 -твердого раствора, а при более высоких температурах — стали на основе аустенитной структуры, обладающие более высокой жаропрочностью. Чем сложнее по составу стали, тем выше

Таблица 12 (см. скан) Химический состав (по легирующим элементам) и свойства жаропрочных сталей при температуре 600 °С

легированность 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 применяют нормализованные углеродистые стали поступающие в виде листов и труб. В марке буква означает «котельная», а цифра — содержание углерода в десятых долях процента. Механические свойства сталей: Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность.

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

низколегированные стали, содержащие

Легирующие элементы, находясь в твердомрастворе феррита, затрудняют диффузионные процессы, повышают температуру рекристаллизации, вызывают дисперсионное твердение, формирует в процессе превращения субструктуру и стабилизируют карбидную фазу. Все эти процессы повышают жаропрочность стали.

Содержание углерода должно быть 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 образование карбидов типа и твердый раствор обедняется молибденом. Все это снижает механические свойства. Для котельных установок, работающих при температуре и давлении чаще применяется сталь обладающая хорошими технологическими свойствами и хорошей теплостойкостью

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, крепежные детали, трубы и т. д.) применяют высокохромистые стали, добавочно легированные 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 мартенситному (до или к мартенситно-ферритному классу. Структура этих сталей состоит из мартенсита, -феррита, карбидов типа и фазы Лавеса — Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметаллидных 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 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 Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин широко используется сталь мартенситного класса которая проходит закалку на воздухе (масле) от и отпуск при Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в

структуре большого количества -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей — сорбит. Предел длительной прочности стали при Стали поступают в виде сортового проката — горячедеформированного толстого листа и горячедеформированных или холодно- и теплодеформированных труб.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенеитного класса, получившие название сильхромов. Наиболее известны сильхромы Эти стали при нагреве и охлаждении испытывают полную фазовую перекристаллизацию Стали применяют после закалки в масле от 1000-1050 °С и отпуска при 720-780 °С (для стали и при (для стали о 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 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 и В. Эти стали применяют для деталей, работающих при 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 аустенитных сталей при наличии крупного зерна обладает повышенной хрупкостью. Полученное при перегреве крупное зерно вследствие отсутствия -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 , так и вторичные карбиды выделяющиеся из твердого раствора; 3) твердые растворы с интерметаллидным упрочнением. Чаще в этих сталях упрочняющей фазой является -фаза типа и др.

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

Аустенитные жаропрочные стали со структурой твердых растворов, например предназначенные для изготовления

пароперегревателей 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 при

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

1. Закалка от 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 Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз.

С увеличением 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 и др. Такими сталями являются Сталь применяют после отжига при (охлаждение на воздухе) для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении для крепежа. После отжига структура стали — аустенит и карбиды типа и

Для изготовления различных деталей газотурбинных установок, работающих при небольших нагрузках (турбовозы, газовые стационарные турбины), а также для крепежных деталей применяют сталь в которой никель частично заменен марганцем. Упрочнение стали достигается закалкой от 1170— 1190 °С в воде (на воздухе) и старением при в течение 8- 10 ч. В процессе старения образуются дисперсные карбиды и 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 у, по составу отвечающая соединению

(кликните для просмотра скана)

продолжение табл. 13. (см. скан)

а в присутствии алюминия — соединению При старении возможно образование также карбидов типа Содержание углерода в этих сталях должно быть небольшим, так как он связывает молибден и вольфрам в карбиды, что понижает жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.

Сталь применяют в виде листов для изготовления сварных элементов высокопрочных конструкций, работающих при температуре до Эту же сталь с большим количеством титана и алюминия, без сварки, используют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650— 700 °С. Листовую сталь упрочняют закалкой от и старением при (в зависимости от толщины листа). Холодная деформация перед старением повышает временное сопротивление.

Сталь содержащая несколько больше никеля и добавочно легированная молибденом, имеет лучшую жаропрочность при по сравнению со сталью Режим термической обработки первой из них для получения максимальной жаропрочности: закалка от 1100

1130 °С на воздухе (при крупных сечениях в масле) и двойное старение при и при

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 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 применяют сплав Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки от 1150—1180°С на воздухе, второй закалки от на воздухе и старении при

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

Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом а для повышения жаропрочности — титаном и алюминием В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная у-фаза типа когерентно связанная с основным -раствором, а также карбиды и нитриды 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 -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 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 После закалки от 1080—1120°С сплав имеет структуру, состоящую из перенасыщенного -раствора с ГЦК-решеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, допускающей штамповку, гибку и профилирование. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и

Таблица 14 (см. скан) Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 800 °С

старения при 700 °С сплав получает высокую жаропрочность (табл. 14).

Часто используют также сплав , обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700— 800 °С (см. табл. 14).

Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности у сплава Этот сплав получил широкое применение как материал лопаточного аппарата стационарных газовых турбин и крепежных деталей турбин.

После двойной закалки от 1220 и 1050 °С на воздухе и старения при 850 °С сплав имеет высокую жаропрочность. Объясняется это большим количеством основной упрочняющей у-фазы, выделяющейся из твердого раствора в процессе старения.

Никелевые сплавы широко применяют в литом виде (табл. 15).

Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении (зерна располагаются параллельно приложенному усилию) и при выращивании монокристалла. Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышают жаропрочность, однако технология получения деталей сильно усложняется. Поэтому они

Таблица 15 (см. скан) Химический состав (по легирующим элементам) и предел длительной прочности литых никелевых сплавов

применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергают закалке от высоких температур и старению. Применяют сплавы и без термической обработки, тогда старение протекает в процессе эксплуатации при высоких температурах.

Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитированию.

Вопросы для самопроверки

(см. скан)

(см. скан)