2.8.6. Жаропрочность

Для деталей, работающих под нагрузкой при повышенных температурах, главным свойством является жаропрочность.

Жаропрочность – свойство материала сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению при одновременном воздействии приложенной нагрузки, высоких температур (выше 0,3 t_пл) и времени.

Жаропрочные стали используются в энергомашиностроении – в конструкциях двигателей (газотурбинных, ракетных, поршневых и др.), в котлотурбостроении, в агрегатах металлургической промышленности.

Жаропрочные стали, детали из которых эксплуатируются при температурах до 650ºС, иногда называют теплоустойчивыми.

Характеристики жаропрочности включают три параметра, показывающие внешнее воздействие на материал, температуру, нагрузку, время, и один параметр – результат развития ползучести – удлинение.

Характеристиками жаропрочности являются: предел ползучести, предел длительной прочности.

Предел длительной прочности – это напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Предел длительной прочности обозначается как напряжение с двумя числовыми индексами σ^t_τ: верхний t – температура, а нижний τ – длительность (или база) испытания в часах. Предел длительной прочности определяют на длительной базе (τ): 10², 10³ ч, 10⁵ ч.

Например, σ⁷⁰⁰₁₀₀ означает, что данное значение разрушающего напряжения получено во время испытания в течение 100 часов при температуре 700ºС.

Предел ползучести – напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. Предел ползучести обозначается как напряжение с тремя числовыми индексами σ^t_ε/τ: верхний t указывает температуру испытания в ºС, а в нижнем указана заданная суммарная деформация ε в %, которая должна быть получена за определенное время τ, в часах.

В металлах и сплавах под влиянием температуры происходит снижение характеристик прочности и повышение пластичности.

Наиболее интенсивно сплавы разупрочняются после нагрева до температур, превышающих температуру рекристаллизации. Поэтому чем выше температура рекристаллизации сплава, тем выше его жаропрочность. Так например, хромистая сталь со структурой ОЦК - Fe разупрочняется при температурах выше 400ºС, а хромоникелевые со структурой ГЦК - Fe – выше 500ºС.

Когда сплав длительно выдерживается под нагрузкой при повышенной температуре, то процесс пластического деформирования происходит произвольно при напряжениях, более низких, чем предел текучести при заданной температуре. Этот процесс медленно протекающей непрерывной деформации при температуре t_раб > 0,3 t_пл и напряжении σ_раб <σ_0,2 ^t называется процессом ползучести. Причиной развития ползучести является постепенное накопление изменений микроструктуры материала под влиянием диффузии, которая протекает при повышенных температурах: перемещение атомов, перемещение дислокаций в зернах; сдвиг зерен относительно друг – друга вдоль общих границ в узкой пограничной области (зернограничное скольжение).

Для обеспечения жаропрочности сплавов применяют следующие способы:

1. Легирование тугоплавкими элементами, которые повышают температуру рекристаллизации.

2. Использование упрочняющей термической обработки, в основном закалки и старения, когда образуются высокодисперсные частицы, упрочняющие сплав.

Обеспечение жаропрочности может быть достигнуто при использовании композиционных порошковых материалов, в которых упрочняющей фазой являются частицы тугоплавких оксидов.