3. Жароміцні сталі й сплави

   1. Теоретичні основи жароміцності і класифікація жароміцних сталей і сплавів

Жароміцністю називають здатність матеріалу тривалий час чинити опір деформуванню і руйнуванню в умовах підвищених температур.

Жароміцність важлива при виборі матеріалу, коли робочі температури деталей перевищують 0,ЗТпл. Багато деталей сучасних паросилових установок, металургійних печей, двигунів внутрішнього згорання, газових турбін і других машин нагріваються до високих температур і несуть великі навантаження. Вирішальне значення при виборі матеріалу мають температура, тривалість роботи під навантаженням і величина напружень, виникаючих при цьому. Природно, що жароміцні сталі і сплави відповідатимуть своєму призначенню тільки в тому разі, якщо вони будуть володіти при підвищених температурах одночасно високими характеристиками міцності й пластичності, а також високою жаростійкістю (окалиностійкістю).

Умови експлуатації жароміцних сталей можуть значно відрізнятися за тривалістю строків служби, за величиною і складністю напруженого стану і за робочими температурами. Наприклад, в парогенераторах і парових турбінах параметри пари можуть доходити до 300 ат/см² і більше при 600-650°С. При цьому необхідна тривалість служби деталей без зупинок лічиться десятками і сотнями тисяч годин. В авіаційних газових турбінах і реактивних двигунах лопатки, диски, труби та інші деталі працюють при температурах 700-1000°С у складионавантаженому стані, але час їх експлуатації обмежується декількома сотнями годин. В залежності від умов експлуатації вимоги до сталей і сплавів пред'являються різні. Основною вимогою до сталей для котлотурбінних установ являється високий опір повзучості, тобто опір накопичуванню пластичної деформації металу в часі під впливрм постійного напруження. Деталі турбореактивних двигунів повинні мати високу тривалу міцність, тобто протистояти руйнуванню під впливом постійно діючого механічного навантаження, а також високий опір корозійному руйнуванню. До технічних вимог, які пред'являються жароміцним сталям і сплавам, відносяться також і хороші технологічні якості (деформаційна здатність, добра зварюваність, відсутність схильності до тріщиноутворення тощо).

Жароміцність металічних матеріалів дуже залежить від величини сил міжатомного зв'язку, тобто жароміцність тим вища , чим вищим є модуль пружності металу, на базі якого створено сплав, і чим вища температура плавлення металу. Крім того, жароміцність залежить від структурного стану сплаву, тому підвищення жароміцності досягається комплексним легуванням сталі і створенням складнолеговапих сплавів на залізонікелевій і нікелевій основах, які містять певну кількість титану, алюмінію, вольфраму і молібдену.

Підвищення температури впливає на всі механічні властивості металу: знижується модуль пружності (внаслідок зменшення

міжатомних сил зчеплення), границя текучості (00,2) і тимчасовий опір (о„).

На рис. 272 показано залежності нормальних модулей пружності різних металів від температури, з яких можна зробити висновок, що жароміцність сталі 12Х18Н10Т вища, ніж сталі СтЗсп, титану і алюмінієвого сплаву.

На рис. 273 представлені графіки залежності границі текучості (00.2) різних металів від температури з яких видно, що, наприклад, при 600°С жароміцність сталі 12Х18Н12Т буде набагато вища порівняно з іншими металами. Але границя текучості, яку визначають при короткочасних випробуваннях, не може бути критерієм жароміцності, бо вона не враховує поведінку металу під час тривалого навантаження.

Якщо при високій температурі навантажити метал постійно діючим напруженням (навіть нижчим границі текучості при цій температурі) і залишити його під навантаженням тривалий час, то цей метал буде деформуватись протягом всього часу з певною швидкістю. Це явище називається повзучістю.

П

О 200 400 600 Т,°С

Рис. 272. Змінювання нормального модуля пружності від температури:

1-сталь 12Х18Н10Т; 2-сталь СтЗсп; 3-технічний титан; 4-сплав АМгб.

X
						Д
					х
	Ь	\		рс.	[\ N.
					N

480

400

320

240

160

80

О

а_т, МН/м^г

0

200

400 600

800

Т,°С

Рис 273. Залежність границі текучості від температури: 1-сталь 12Х18НІ0Т; 2-сталь СтЗсп; 3-технічний титан; 4-сплав АМгб.

овзучість представляє собою повільне нарощування пластичної деформації під дією напружень, менших границі текучості. Типова крива повзучості показана на рис. 274. Вона характеризується трьома стадіями:

1. - стадія неусталеної повзучості; відрізняється поступовим згасанням швидкості деформації;

2. - стадія усталеної повзучості; відрізняється постійною швидкістю деформації;

3. - стадія, коли зростає швидкість деформації до моменту руйнування; ця стадія недовга і недопустима, бо в даному випадку

с

час, т

Рис. 274. Типова крива повзучості.

тає неминучим швидке руй- ><* нування.

Тривалість другої стадії залежить від температури і напруження. Наприклад, при одному і тому ж напруженні підвищення температури випробування скорочує її тривалість і прискорює руйнування (рис. 275а).

Аналогічно впливає підвищення напружень при постійній температурі випробування (рис. 2756).

К

Рис. 275. Залежність повзучості від температури (а) і напружень (б): а) о-сопьі; і|<І2<Із<І4<*5<1б; б) (=сопз(; 0|<0₂<0з<с₄<а5<а₆.

ритеріями жароміцності являються границя повзучості і границя тривалої міцності.

Границею повзучості називається напруження, під діянням якого метал деформується на певну величину за визначений час при заданій температурі. В позначенні границі повзучості вказують температуру, величину деформації і час, за який вона виникає.

Наприклад, (т⁵шооооо~ЮО МПа означає, що через 100000 годин при температурі 550°С і напруженні 100 МПа в матеріалі заявиться плас¹ тична деформація 1%.

Границею тривалої міцності називають напруження, що викликає зруйнування матеріалу при заданій температурі за певний час

до зруйнування. Наприклад, (Тш%о=130 МПа означає, що при температурі 600°С матеріал витримує напруження 130 МПа на протязі 10000 годин. Ця характеристика дає уявлення про знеміцнення матеріалу в процесі тривалого навантаження при високих температурах. Границя тривалої міцності завжди менша границі міцності (о«), що визначається при тій же самій температурі.

Виходячи з уявлень про дислокаційну природу процесів зміцнення і знеміцнення металічних матеріалів (див. глави 6-7 частини І), слід визначити, що жароміцність також залежить від дислокаційної структури матеріалу. При температурах нижче (0,4- 0,5)Тпл міцність сплавів визначається стабільністю їх дислокаційної структури. При більш високих температурах стабільність дислокаційної структури порушується (зменшується щільність дислокацій і зростає кількість вакансій), і розвиваються дифузійні процеси зне-

міцнення (зворот і рекристалізація, сфероїдизація і коагуляція частинок надлишкових фаз). Деформація і руйнування при високих температурах часто відбуваються на межах зерен. Це пояснюється тим, що поблизу меж збирається велика кількість дефектів (вакансій, дислокацій), які полегшують дифузійні процеси. При відсутності напружень дифузійні переміщення примежних атомів не мають направленого характеру. При наявності хоч невеликих напружень ці переміщення, особливо по межах зерен, набувають направленого характеру, що сприяє повзучості. В процесі повзучості відбувається зміщення одного зерна відносно другого уздовж поверхні їх розділення, так зване проковзування. Такий механізм пластичної деформації називають дифузійною пластичністю у відмінності від зсувного механізму, що здійснюється по об'єму зерна.

Таким чином, якщо при звичайних температурах межі зерен гальмують рух дислокацій і зміцнюють сплави, то при високих температурах, навпаки, вони прискорюють знеміциення полікристаліч- них металів. Більш велике зерно сприяє підвищенню жароміцності, хоча при цьому пластичність часто знижується.

Жароміцність сталей і других металічних сплавів сильно залежить від величини міжатомних зв’язків, а також від структурного стану, який обмежує рухливість дислокацій і сповільнює дифузію, підвищуючи температуру рекристалізації.

Легування жароміцних сталей спрямовується на те, щоб в основному твердому розчині і на межах зерен були розподілені дрібні частинки зміцнюючих фаз у вигляді дисперсних карбідів і, особливо, іптерметалідів, когерентно пов'язаних з матрицею тривалий час. Присутність таких фаз гальмує деформацію повзучості, обумовлену спочатку переміщеннями дислокацій, а потім дифузією атомів вздовж меж зерен.

Для роботи при температурах 500-580°С використовують теплостійкі сталі перлітного класу і нержавіючі сталі фернтпо- мартенситного і мартенситпого класів. Для роботи при температурах 600-750°С використовують жароміцні сталі аустенітного класу.

Жароміцні сплави для роботи при високих температурах 700- 950°С створюють на основі заліза, нікелю і кобальту, а для роботи при дуже високих температурах (до 1200-1500°С) — на основі молібдену та інших тугоплавких металів. Для роботи при ще більш високих температурах використовуються керамічні матеріали. Під-

нищення жароміцності сплавів досягається після загартування з високих температур (з метою одержання гомогенного твердого розчину) і старіння при температурах 700-850°С, коли виділяються дисперсні надлишкові фази.

Жароміцність матеріалів можна визначити, аналізуючи криві (рис. 276), які показують залежність короткочасної механічної міцності (о«) сплавів від температур випробування. Нижче температури 300°С найбільшу міцність мають прості конструкційні сталі (1),

о

	7			—		ТіТ
						! 1-
				2		! ! і і і і .
						І ! 1
ТІ
					уК*;
				Г~^	V !\ X
	|				кКД \
	г гг
			1 І І І—

і№'

5 лк

5 Я'

5 *СС

) 200 то ьоо

Температура «апробування, °С

Рис. 276. Границя міцності (короткочасної) різних сплавів в залежності від температури випробування (А. П. Гуляєв): 1-хромонікелева конструкційна сталь; 2-феритна (теплостійка) сталь; 3-аустенітиа жароміцна сталь; 4-нікелевий жароміцний сплав.

броблені на високу міцність. Явище повзучості при температурах нижче 350-300°С не спостерігається, тому при робочих температурах нижче 350°С немає необхідності в застосуванні якихось спеціальних жароміцних сталей. Для роботи в інтервалі 350- 500°С оптимальними за міцністю є сталі перлітного і феритного класів (2). З підвищенням температури до 500-650°С міцність сталей цього типу різко падає, і міцнішими стають сталі аустенітного класу (3), при 650-900°С міцність сталей аустенітного класу значно знижується, і на'перше місце виходять високолеговані сплави па основі нікелю і кобальту (4). При температурах вище 900°С па першому місці - сплави тугоплавких металів (молібдену, хрому, ніобію тощо).

Вказані границі обмеження робочих температур тієї чи іншої групи сталей і сплавів являються орієнтовними. Знижуючи робоче напруження деталей, можна розширювати області застосування сталей до більш високих температур, шо інколи вигідно з технологічних і економічних причин.