Специальные стали и сплавы ММ4 2018/19 Лекция 8

Жаропрочные стали и сплавы

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.

Теплоустойчивые стали.

Применяются в энергетическом, химическом, нефтяном машиностроении. Основным требованием является заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации (100000…200000 ч).

В качестве теплоустойчивых используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали. Структура их 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.

Основными легирующими элементами являются Cr, W, Mo, V, Nb. Содержание этих элементов не превышает 1%, кроме Cr. Содержание углерода ограничивается 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.

Термическая обработка проводится с целью получения стабильной структуры, которая не менялась бы в процессе эксплуатации. Обычно 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.

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.

Эти стали 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.

Термическая обработка этих сталей (слева) 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.

Жаропрочные стали.

К жаропрочным относят стали аустенитного класса на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах. Их подразделяют на гомогенные (однофазные) аустенитные стали, стали с карбидным упрочнением и стали с интерметаллидным упрочнением.

Гомогенные стали.

10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР.

К этой группе относят низкоуглеродистые хромоникелевые стали.

Используются в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов и рассчитаны на длительную (до 100000 ч) эксплуатацию при 650…700⁰С

Жаропрочность этих сталей обеспечивается легированностью твердого раствора.

Основная цель легирования этих сталей – 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).

Стали с карбидным упрочнением.

37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481), 40Х15Н7ГФ2МС (ЭП388).

Эти стали 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.

Уровень жаропрочности зависит от температуры старения (рисунок слева: 1 – 37Х12Н8Г8, 2 – 37Х12Н8Г8МФБ). 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.

Обычная термообработка состоит из закалки с температур аустенизации 1140…1220⁰С и длительного (16 ч) старения при 660…800⁰С (рисунок слева).

После низкотемпературного старения сталь 40Х15Н7ГФ2МС приобретает высокую твердость, высокую чувствительность к надрезу и нестабильность жаропрочных свойств. Поэтому для этой стали применяется двойное старение (рисунок справа): 660⁰С – 16 ч и 800⁰С – 16 ч. Старение при повышенной температуре способствует снятию напряжений, возникающих при низкотемпературном старении.

Стали с интерметаллидным упрочнением.

10Х11Н20Т3Р (ЭП686), 08Х11Н35МТЮР.

Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением и сплавы с высоким содержанием никеля (до 38%) применяются при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750…800⁰С.

Легирование этих сталей проводят для создания высоколегированного железоникелевого аустенита и образования фаз-упрочнителей: интерметаллидных фаз типа  - (Nb, Fe)₃(Ti, Al) и фаз Лавеса [Fe₂Mo, Fe₂W, Fe(Mo, W)]. Они содержат повышенное количество Ni, Ti и Al. Содержание С<0,1%.

Интерметаллидные фазы выделяются преимущественно по границам зерен, но могут выделяться и внутри зерен по плоскостям скольжения.