ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ
1
Жаропрочность – способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного времени.
Жаростойкость – сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах.
Стали и сплавы, предназначенные для работы при
повышенных и высоких температурах, подразделяют на группы: Теплоустойчивые стали, работающие в нагруженном
состоянии при температурах до 6000С в течение длительного
времени;
Жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного
времени и обладающие остаточной теплостойкостью;
Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 5500С и обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах.
2
Теплоустойчивые стали.
Применяются в энергетическом, химическом, нефтяном машиностроении.
Основное требование: заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации (100000… 200000 ч).
Используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали. Структура зависит от степени легирования и режима термической обработки. После нормализации образуется феррит или феррито-
карбидная смесь разной дисперсности (перлит, троостит, бейнит).
Углеродистые и низколегированные стали. Ст2, Ст3, 12К, 16К, 12Х1МФ.
Применяют для работы при температурах до 1200С.
ЛЭ: Cr, W, Mo, V, Nb. Содержание этих элементов не превышает 1%, кроме Cr. Содержание углерода 0,08…0,2%, т.к. при более высоком его содержании ускоряется коагуляция карбидных фаз и перераспределение легирующих элементов между твердым раствором и карбидами.
С повышением температуры эксплуатации состав сталей
усложняется. |
3 |
Термическая обработка проводится с целью получения стабильной структуры, которая не менялась бы в процессе эксплуатации.
Углеродистые стали подвергают нормализации. Низколегированные стали подвергают улучшению (закалка+
высокий отпуск). При этом температура отпуска должна быть выше эксплуатационной температуры на 100…1200С (рисунок слева).
Структура после термообработки представляет собой феррит+карбиды цементитного типа и МеС.
880…9000С |
640…6600С |
4 |
Хромистые стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов.
15Х5, 15Х5МФ, 12Х8ВМ1БФР.
Применяют в основном в энергетическом машиностроении для деталей, работающих длительное время при температурах 600… 6500С.
Содержат от 5 до 13% Cr и дополнительно легированы Mo, W, Nb, V. Содержание углерода в них 0,08…0,22%.
В их структуре в зависимости от состава и термообработки могут быть следующие составляющие:
мартенсит, -феррит, карбиды (Ме23С6, Ме7С6, МеС) и интерметаллиды.
5
Термическая обработка этих сталей включает нормализацию при температурах 850…10500С (чем более легирована сталь, тем выше температура) и высокий отпуск.
Прочность и теплоустойчивость этих сталей обеспечивает упрочнением вследствие фазового наклепа при мартенситном превращении и последующем дисперсионном твердении при отпуске.
850… |
10500С |
700…8000С |
6
Жаропрочные стали.
К жаропрочным относят стали аустенитного класса на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах. Подразделяют на гомогенные (однофазные) аустенитные стали, стали с карбидным упрочнением и
стали с интерметаллидным упрочнением.
Гомогенные стали.
10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР. Низкоуглеродистые хромоникелевые стали.
Рассчитаны на длительную (до 100000 ч) эксплуатацию при 650-7000С
Жаропрочность обеспечивается легированностью твердого раствора. Основная цель легирования – получение максимально стабильной аустенитной структуры, исключение или замедление выделения вторых фаз – карбидов, карбонитридов, интерметаллидов. Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей проводится для получения более однородного твердого раствора, заданной величины зерна и стабильной структуры. Термообработка состоит из закалки (аустенизации) от высоких температур 1050…12000С или аустенизации и стабилизирующего отпуска (700…7500С).
7
Стали с карбидным упрочнением.
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481), 40Х15Н7ГФ2МС (ЭП388). Предназначены для работы при температурах 650…7500С и используются для ответственных деталей энергомашиностроение (диски и лопатки турбин, крепежные детали).
Основу этих сталей составляет Cr-Ni или Cr-Ni-Mn аустенит, содержащий 0,25…0,5% С.
Карбидообразующие элементы V, Nb, W, Mo связывают часть углерода в специальные карбиды и упрочняют матрицу. Упрочняющими карбидными фазами являются VC и NbC, а также карбиды хрома типа Ме23С6 и Ме7С3.
Карбиды ванадия выделяются при старении.
Другие карбиды МеС в процессах старения не участвуют, т.к. температура их растворения выше 12500С, а присутствуют в сталях в виде первичных. Они препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве.
8
1 – 37Х12Н8Г8,
2 – 37Х12Н8Г8МФБ
Уровень жаропрочности зависит от температуры старения. При низких температурах (500…6000С)
выделение карбидных фаз протекает медленно, образуются высокодисперсные частицы, прочностные свойства при выдержке возрастают. С повышением температуры старения скорость процессов выделения и коагуляции возрастает, достигается максимум упрочнения, положение которого зависит от состава стали. Чем сложнее карбидные фазы, чем легированнее аустенит, тем больше эффект упрочнения при старении.
9
1140… |
12200С |
660… |
8000С |
1180… |
8000С |
12200С |
|
|
6600С |
Обычная термообработка состоит из закалки с температур аустенизации 1140…12200С и длительного (16 ч) старения при 660…8000С
После низкотемпературного старения сталь 40Х15Н7ГФ2МС приобретает высокую твердость, высокую чувствительность к надрезу и нестабильность жаропрочных свойств. Поэтому для этой стали применяется двойное старение: 6600С – 16 ч и 8000С – 16 ч. Старение при повышенной температуре способствует снятию напряжений, возникающих при низкотемпературном старении.
10