118)Жаропрочные сплавы и стали.

339 лахтин (297)

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напря­жением при температурах выше 500 С 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, атомных устройств и т. д., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры влияет на все механические свойства, пони­жает модуль упругости (вследствие уменьшения межатомных сил сцепле­ний), пределы текучести и прочности. 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 II оставить ею 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 длительной прочности метала.

Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре за­данное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползуче-ста).

Для определения предела ползучести испытуемый образец в течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягиваю­щего усилия и постоянной температуре при фиксировании деформации образца во времени.

Для определения предела ползучести испытуемый образец в течение длительного времени подвергают воздействию постоянного растягиваю­щего усилия и постоянной температуре при фиксировании деформации образца во времени.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно 0,45 — 0,8 Тпл- Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов из­меняются от одного-двух часов (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые тур­бины).

При температурах ниже 0,45-0,5 Тпл прочность сплавов определяется стабильностью их дислокационной структуры.

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) и 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 а-твердого раствора, а при более высоких

температурах — стали на основе аустенитной структуры, обладающие бо­лее высокой жаропрочностью

1 Перлитные стали. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000—100000 ч) при: темпера­турах не выше 500-580 С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют низкоуглеродистые стали перлитного клас­са , содержащие хром, молибден и ванадий в количестве > 1,0% каждого элемента. Эти элементы, повышая температуру рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процессы, улучшают жаропрочность стали. После нормализации низкоуглеродистые стали имеют структуру — легированный феррит и перлит (16М, 15ХМ) или феррит и бейнит, а после закалки — мартенсит или мартенсит с бейнитом. При большей степени ле­гирования ванадием возможно образование карбидов УС. Перлитные ста­ли чаще подвергают нормализации и отпуску при 600—750С'С. После такой обработки сталь имеет структуру тонкопластинчатого перлита (сорбита) и обладает более высокой длительной жаропрочностью, чем после закалки и высокого отпуска, когда структура — зернистый сорбит.

Наиболее сильно по­вышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность.

Мартенситно-ферритные стали 10-25% феррита, используют для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок. рабочая теипература 500-600 С.

Мартенситные стали. для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания

Аустенитные стали. Для до­стижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют Мо, W, V, NЬ и В. Эти стали применяют для деталей,, работающих при 500-750'С. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе. К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих

Сплавы на железоникелевой основе применяют для изготовления дета­лей паровых и газовых турбин.

Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки при 1150— 1180°С на воздухе, второй закалки при 1050°С на воздухе и старении при 830Х 8ч.,

«Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Эти сплавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т. д.).

Сплавы предназначены для рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей га­зовых турбин, работающих до 850°С.