1. Поведение сталей при высоких температурах

При повышении температуры предел текучести сталей падает, поэтому допускаемые напряжения должны быть меньше, чем при нормальных услови­ях.

В напряженном состоянии сталь реагирует на высокие температуры зна­чительно сильнее; возникают ползучесть и релаксация, а также может нару­шаться стабильность ее структуры. Интенсивность ползучести, релаксации и характер нарушения стабильности сталей зависят от их химического состава, структуры, а также от напряжений и температур, которым они подвержены в процессе эксплуатации.

С повышением температуры сталь переходит из упругого состояния в упругопластическое и под влиянием нагрузки непрерывно деформируется. Способность стали медленно, непрерывно пластически деформироваться при неизменной нагрузке называют ползучестью.

У обычных углеродистых сталей ползучесть наступает при температурах выше 375 °С, у низколегированных конструкционных сталей при температурах выше 420 °С, у нержавеющих аустенитных сплавов – выше 525 °С. О теплоус­тойчивости сталей судят по ее сопротивлению ползучести. Путем продолжи­тельных испытаний (3000 ч и более) определяют зависимость абсолютной деформации образца от времени выдержки при данной нагрузке и температуре и вычисляют скорость ползучести:

(9)

где – скорость ползучести;

Δl – абсолютная деформация образца;

l – первоначальная длина образца;

τ - время.

Условным пределом ползучести называется такое напряжение, которое соответствует скорости ползучести, равной 10^-6 или 10^-7 мм/(мм»ч), т.е. вызы­вает деформацию ползучести, равную 1%, за время соответственно 10000 или 100000 ч. В зависимости от времени деформации условный предел ползуче­сти обозначается σ_П10^-б или σ_П10^-7. Он определяется опытным путем для каж­дой марки стали и используется тогда, когда важно ограничить общую дефор­мацию детали.

Для расчетов на прочность, когда необходимо определить допускаемое напряжение стали, пользуется пределом длительной прочности, т.е. напряже­нием, под действием которого за определенный промежуток времени при оп­ределенной (высокой) температуре образец разрывается. Условный предел ползучести и предел длительной прочности стали значительно повышаются при добавлении молибдена, вольфрама, ванадия, никеля. Различные напряжен­ные соединения, пружины, болты, работающие при высоких температурах, подвержены релаксации, т.е. самопроизвольному снижению напряжения в де­тали при неизменной их деформации, приобретенной первоначально. Релаксация является результатом перерастания упругой деформации в пластическую под влиянием продолжительного воздействия высокой температуры. Умень­шение первоначального напряжения (например, затяжки болтов, пружин) при­водит к разгерметизации оборудования или к расстройству его работы. Чтобы уменьшить влияние релаксации, прибегают к постепенным двух-трехкратным подтягиваниям соединений при рабочей температуре до первоначального напряжения. В условиях высоких температур некоторые стали склонны к нару­шению стабильности структуры, главным образом, к графитизации, межкристаллитной коррозии и тепловой хрупкости.

Явление графитизации, наблюдаемое при температуре выше 475 °С, свя­зано с разрушением карбида углерода и образованием в зоне сварных швов це­почек свободного графита. Особенно склонны к графитизации углеродомолибденовые стали и серый чугун. Для того чтобы предотвратить графитизацию, в сталь добавляют некоторое количество хрома.

Хромоникелевые аустенитные стали при температурах выше 400 °С склонны к межкристаллитной коррозии, суть которой заключается в выпаде­нии по границам зерен карбида хрома. Обеднение границ зерен хромом приво­дит к потере коррозионной стойкости стали и к ухудшение ее механических свойств. Особенно сильно подвержена межкристаллитной коррозии сталь мар­ки 1Х18Н9Т, широко применяемая для изготовления аппаратов нефтеперера­батывающих заводов, поэтому если аппараты работают при высоких темпера­турах, то сталь необходимо подвергнуть стабилизирующему отжигу. Сопро­тивление стали межкристаллитной коррозии еще больше увеличивается при добавлении титана. Некоторые стали в результате длительной работы при тем­пературах выше 450 °С значительно теряют ударную вязкость, при этом другие механические свойства сохраняются. Это явление, называемое тепловой хрупкостью, часто наблюдается у низколегированных сталей. Поэтому последние стабилизируют добавлением молибдена, вольфрама, ванадия.