книги из ГПНТБ / Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие

при перегреве, например при сварке, крупнозернистость не мо­ жет быть устранена термической обработкой, так как в этих сталях отсутствуют структурные превращения. Крупнозерни­ стость обусловливает повышенную хрупкость сталей. Рост зер­ на несколько сдерживается при добавке в них титана и азота вследствие образования карбидов и нитридов титана по грани­ цам зерен, что положительно отражается на механических свойствах.

Явление охрупчивания наблюдается в сталях с 17% Сг и при мелкозернистой структуре после длительных выдержек при температуре 450—700° (т. е. ниже температурного порога роста зерна), в результате значительного выделения карбидов по гра­ ницам зерен при 450° или образования хрупкой S-фазы при 700°. Присадка никеля к сталям с 17% Сг и повышение в них содер­ жания углерода расширяют у-область и приводят к структурно­ му превращению у—а. Однако подобное превращение в этой стали проходит не до конца, но тем не менее это дает замет­ ное упрочнение. В группе сталей с 17% Сг сталь 1Х17Н2 яв­ ляется высокопрочной (см. табл. 9.7) и применяется там, где требуется повышенная прочность при коррозионных свойствах, присущих сталям с 17% Сг. Еще более высокой прочностью об­ ладает сталь 2Х17Н2.

Физические свойства хромистых нержавеющих сталей, со­ держащих 13—28% Сг:

в которых имеет место структурное превращение аустенита в феррит, склонны к воздушной закалке, при нагревах во время производственных операций и при сварке, что резко снижает их пластичность. Хромистые стали свариваются труднее, чем низ­ колегированные или хромоникелевые стали. Лучше свариваются хромистые стали с более низким содержанием углерода и хро­ ма, т. е. стали типа Х13 и, в частности, сталь 1X13. Сталь Х17 с более низким содержанием углерода по сравнению со сталью Х18 сваривается лучше. Не рекомендуется сваривать хромистые стали с содержанием углерода более 0,12%.

Сварочная проволока применяется из того же материала или из аустенитной хромоникелевой нержавеющей стали. Вследст­ вие закалки при охлаждении на воздухе сталей мартенситного

в сварном шве и в смежных зонах. Поэтому рекомендуется от­ пуск сварного изделия при температуре 750—800° в течение 1 ч

споследующим медленным охлаждением.

Ввысокохромистых сталях ферритного класса при сварке может иметь место рост зерна, а также появление высокотем­ пературной хрупкости вследствие образования ст-фазы. В отож­ женном состоянии хромистые стали обрабатывают резанием, почти как низколегированные.

Для сталей типа Х13, имеющих несколько повышенную вяз­ кость, наблюдается наволакивание металла на режущий ин­ струмент. Присадки серы и молибдена улучшают резание этих сталей.

Хромистые стали в отожженном состоянии удовлетворитель­

но подвергаются обработке давлением: прокатке, штамповке. Мелкозернистые стали с содержанием хрома 17—27% хорошо обрабатываются давлением. Особенно хорошо обрабатываются хромистые стали давлением при подогреве до температуры 150—200°.

Радиационная стойкость. Облучение увеличивает прочность и снижает пластичность хромистых нержавеющих сталей. Так, механические свойства отожженной стали 1Х12МС (12% Сг, 1% Мо и 1% Si) после облучения в интегральном потоке нейт­ ронов ІО21 нейтрон!см2 при температуре 450—500° изменились следующим образом: предел прочности с 66,5 до 80 кГ/мм2, пре­ дел текучести с 43,5 до 62 кГ/мм2 и относительное удлинение с 28 до 16%. Аналогично изменяются при облучении в области температуры 500—600° свойства сталей 2X13 и 1Х17ІТ2. В то же время свойства стали 1X17 с ниобием, не претерпевающей структурных превращений, после облучения остаются практи­ чески неизменными.

Коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость хромистых сталей непосредственно связана со способностью их пассивиро­ ваться. Хром, находящийся в твердом растворе, облегчает пас­ сивацию железа. Так, при pH, равном нулю, фляде-потенциал железа равен 0,58 в. Легирование железа хромом в количестве 17% сдвигает фляде-потенциал в отрицательную сторону до зна­ чения 0,06 в, т. е. пассивация облегчается, так как она проис­ ходит при более отрицательных потенциалах. Хромистые нер­ жавеющие стали пассивируются при стационарном потенциале

Еокислительных средах.

Всталях с содержанием хрома 11,8% 1/8 всех атомов в

кристаллической решетке приходится на долю хрома. Тамманом был сформулирован закон «1/8», который определяет первую границу устойчивости. Действительно, резкое снижение скоро­ сти коррозии сплавов Fe—Сг в ряде сред наступает при кон­

центрации хрома 12%. При содержании хрома 24%, что соот­ ветствует 2І8 атомным долям хрома в сплаве, появляется вторая

При наличии углерода в стали часть хрома связывается в карбиды и содержание его в твердом растворе снижается. В свя­ зи с этим уменьшается и коррозионная стойкость стали. В зака­ ленном состоянии, когда весь хром находится в твердом раство­ ре, высокохромистые стали с повышенным содержанием углеро­ да более стойки, чем в отожженном состоянии, когда часть хро­ ма связана в карбиды.

В деаэрированной воде с содержанием хлоридов менее 0,1 мг/л хромистые нержавеющие стали при стационарном по­ тенциале находятся в пассивном состоянии и близки по стой­ кости к аустенитным хромоникелевым нержавеющим сталям. В присутствии кислорода и хлоридов стойкость хромистых не­ ржавеющих сталей существенно снижается. Коррозия стано­ вится язвенной. Хлориды существенно уменьшают пассивную об­ ласть хромистых нержавеющих сталей. Последнее обстоятель­ ство связано с тем, что при наличии кислорода стационарный потенциал хромистых сталей в среде, содержащей хлориды, бо­ лее положителен, чем потенциал пробоя.

С увеличением содержания хрома в стали потенциал про­ боя смещается в область положительных значений. В связи с этим стали с содержанием хрома 25—28% менее склонны к яз­ венной коррозии. Высокое содержание углерода, например 1%, в стали XI8 интенсифицирует язвенную коррозию. В речной воде,.насыщенной воздухом, хромистые стали подвержены щеле­ вой коррозии. Высокое качество обработки поверхности повы­ шает стойкость хромистых сталей. Контакт со сталью 1Х18Н10Т, наличие щелей увеличивают коррозию хромистых сталей. В этом случае продукты коррозии могут затруднить движение сопряженных деталей.

Ферритные хромистые стали подвержены межкристаллитной

зерен. При этом границы зерен обедняются хромом и становятся менее устойчивыми. Медленное охлаждение или длительный на­ грев при температуре 550—700° способствует коагуляции кар­ бидов и выравниванию концентрации хрома по границам зерен за счет диффузии его из глубины зерна. Для предотвращения межкристаллитной коррозии нержавеющие хромистые стали либо подвергают стабилизирующему отжигу, либо стабилизи­ руют титаном. Соотношение титана к углероду должно состав­ лять 8:1.

В паровоздушной среде хромистые стали, особенно мартен­ ситного класса, подвержены коррозии под напряжением. В от­ личие от аустенитных нержавеющих сталей катодная поляриза­ ция интенсифицирует коррозионное растрескивание хромистых сталей. Последнее обстоятельство связывают с наводороживанием сталей.

Рассмотрим, как указанное обстоятельство может влиять на коррозию под напряжением. В хромистых сталях с объемноцен­ трированной кубической решеткой поперечное скольжение ди­ слокаций облегчено по сравнению'с гранецентрированной куби­ ческой решеткой. В связи с этим в хромистых сталях менее ве­ роятно скопление дислокаций и зарождение трещин. Водород способствует образованию вблизи дислокаций атмосфер Котт­ релла, которые тормозят движение дислокаций и приводят к их скоплению и зарождению трещин. Кроме того, водород, внед­ ряясь в кристаллическую решетку, деформирует ее, вызывая локальные напряжения. В сумме с остаточными напряжениями в закаленной стали эти напряжения являются причиной разви­ тия трещин. Снятие внутренних напряжений при отпуске увели­ чивает стойкость хромистых сталей к коррозионному растрески­ ванию. Лучше всего снимает напряжения отпуск с высокой тем­ пературы, в меньшей степени напряжения снимает низкотемпе­ ратурный отпуск.

§ 9. 3

Медные сплавы

Состав и структура. В теплообменной аппаратуре, в конден­ саторах, подогревателях применяют трубы из медных сплавов. Существенное значение имеет их высокая теплопроводность. При охлаждении конденсаторов морской водой медные сплавы не подвергаются обрастанию морскими организмами, поскольку соединения меди токсичны для них. Наибольшее распростране­ ние в качестве материалов для конденсаторов имеют латуни, медноникелевые сплавы. К отрицательным последствиям приме­ нения медных сплавов следует отнести опасность образования медьсодержащих накипей на поверхности твэлов и загрязнения теплоносителя и оборудования радиоактивными изотопами цин­ ка, являющимися продуктами коррозии латуней. Состав ряда медных сплавов представлен в табл. 9.8 и 9.9. Медь можно при­ менять также в качестве материала для прокладок, например, для уплотнения крышки реактора.

Цинк образует с медью ряд твердых растворов. Богатая медью a-фаза (с содержанием цинка <39% ) представляет со­ бой твердый раствор с гранецентрированной кубической решет-

со

<У>

то

X

X

ч

о

то

медных сплавов в подогревателях низкого давления. При охлаж­ дении конденсатора пресной водой трубчатку делают из лату­ ней типа Л68, а при охлаждении морской5водой более предпо­ чтительны коррозионностойкие сплавы типа МНЖ-

Трубы конденсатора, кроме того, подвергаются струйной кор­ розии. Последняя связана с эрозионным действием струи, пре­ пятствующим образованию защитных слоев продуктов корро­ зии. Предполагается, что при входе воды в трубку происходит сужение струи и образование вихрей. Защитная пленка на по­ верхности латуни разрушается совместным ударным действием струи воды и пузырьков воздуха. Струйная коррозия латуней имеет место при скорости потока более 2 м/сек. Борьба со струй­ ной коррозией ведется путем создания оптимальных гидродина­ мических условий и легирования латуней максимально возмож­ ным количеством железа и никеля. Более стойки к струйной кор­ розии «адмиралтейская» латунь, содержащая 29% Zn и 1% Sn.

При охлаждении конденсаторов морской водой имеет место разрушение латуней вследствие избирательного растворения пинка (обесцинкования). Атомы меди и цинка из твердого ра­ створа в результате анодного процесса переходят в коррозион­ ную среду. Однако ионы меди высаживаются на поверхности ла­ туни в виде рыхлых образований, а ионы цинка остаются в ра­ створе. При обесцинковании на поверхности латунных труб может образоваться сплошной слой высадившейся меди. В дру­ гих случаях образуются язвы, заполненные рыхлой медью. Этот вид коррозии приводит к сквозному разрушению трубок кон­ денсатора и крайне опасен. Введение в латунь 0,001—0,08% As снижает обесцинкованне. Предполагается, что мышьяк увели­ чивает перенапряжение катодного процесса восстановления меди. Латуни, содержащие не менее 85% Си (томпак), не под­ вержены обесцинкованию. Более стойки в морской воде мель­ хиор и купроникель (60% Си и 40% Ni).

§ 9. 4

*

Титан и его сплавы

Малый удельный вес, высокая прочность и коррозионная стойкость делают сплавы титана перспективным материалом для изготовления парогенераторов и других узлов ядерных энер­