20) Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течении определенного временит и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль уп-ругости, предел текучести и временное сопротивление. При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряже-нием даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой дли-тельное время, то он в течении всего времени действия температуры и нагрузки будет де-формироваться с определенной скоростью. Это явление получило называние ползучести. Развитие ползучести в конце концов может привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характе-ризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.

Под условным пределом ползучести принимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести (рис. 67).

Предел ползучести обозначают  с числовыми индексами, например 700 0,2/100 - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 7000С. при этом необходимо указать, как определялся предел - по суммарной и остаточной деформации. в случае определения по скорости ползучести предел ползучести определяют  с двумя числовыми индексами. нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верх-ний - температуру испытания, 0С ; например  600 10-5 - предел ползучести при скорости 10-5% /ч при температуре 6000С. Предел длительной прочности обозначается  с двумя чи-словыми индексами, например  7001000 - предел длительной прочности за 1000 ч при темпе-ратуре 7000С.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Тпл. Требуемые сроки службы изменяются от 1-2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины). При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается (умень-шается плотность дислокаций, растет число вакансий) и развиваются диффузионные процес-сы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избы-точных фаз).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто проходят по границам зерен, поэтому более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближе-нии можно сказать, чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов. С другой стороны повы-шение жаропрочности достигается легированием твердых раствора, приводящая к увеличе-нию энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специаль-ной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсионных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующим старением.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700-9500С) создают-ся на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах (до 1200- 15000С) - на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-7500С. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность.

Таблица 34

Химический состав (по легирующим элементам) и свойства

жаропрочных сталей при температуре 6000С

Сталь Содержание элементов, % Предел длительной прочности

C Cr Mo V Другие

элементы 600104 ,

МПа 600105

МПа

Стали перлитного класса

12Х1МФ 0,08-0,15 0,9-1,2 0,25-0,35 0,15-0,30 - 80 60

12Х1М1Ф 0,1-0,16 1,1-1,4 0,9-1,1 0,2-0,25 - 85 65

12Х2МФСР 0,08-0,15 1,6-1,9 0,5-0,7 0,2-0,35 0,4-0,7 Si;

< 0,005 B 85 65

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов

15Х11МФ 0,12-0,19 10-11,5 0,6-0,8 0,25- 0,40 - 97 -

18Х12ВМБФР 0,15-0,22 11-13 0,4-0,6 0,15-0,30 0,2-0,4 Nb;

0,4-0,7 W;

< 0,003 B 180 150

18Х12ВМБФР 0,15-0,22 11-13 0,4-0,6 0,15-0,30 0,15-0,3 Nb;

0,55-0,85 W;

0,5-1,0 Ni;

0,5-1,0 Mn;

< 0,08 B 180 140

Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических устано-вок, работающих длительное время (10000-200000 ч) при температурах не выше 500-5800С. используются стали перлитного класса. Если рабочая температура не выше 4000С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К, поступаю-щие в виде труб и листов. В марке "К" означает "котельная", а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

Таблица 35

Механические свойства сталей перлитного класса

 , МПа 2 , МПа ,%

360-490 220-280 24-19

Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Для более ответственных, паропроводных пароперегревательных труб с рабочей температурой 6000С применяют низколегированные стали, где тугоплавкие элементы образуют карбиды, тем самым вызывая дисперсионное упрочнение.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей узлов газо-вых турбин и паросиловых установок. Эти стали помимо высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома их относят или к мартенситному (10-11 %) или к мартенситно-ферритному (11-13 %) классу.

Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650-7500С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов аустените. Более высокие тем-пературы закалки приводят к образованию в структуре большого количества  -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей - сорбит.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. При нагреве выше 500-6000С прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Стали аустенитного класса. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаро-прочности их дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бо-ром. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500 - 7500С. Жаропрочность аусте-нитных сталей намного выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных, ферритных.

Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

• твердые растворы, не упрочняемые старением;

• твердые растворы с карбидным упрочнением;

• твердыне растворы с интерметаллидным упрочнением.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением. Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящих из двух последовательных операций, приведенных ниже:

1. Закалка от 1050-12000С в воде в масле или в воздухе. Такую закалку проводят для раство-рения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.

2.Старение при 600 - 8500С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна вызывать заметной коагу-ляции избыточных фаз. Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упрочняемых термообработкой приведены в таблице (см. приложение таблица 36).

К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолеги-рованных сталей. Основной упрочняющей фазой является Ni3Ti, а в присутствии алюминия Ni3(Al,Ti). При старении возможны образование карбидов типа МС. Содержание углерода должно быть не большим, так как образованные карбиды понижают жаропрочность аусте-нита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе. К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирую-щих элементов в железоникелевой основе Наилучшие жаропрочные свойства сплава после первой закалки от 10500С на воздухе и старении при 8300С 8ч.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Жаропрочные стали на основе никеля на-зывают нимониками. Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 8500С. Для получения высокой окалино-стойкости никель легируют хромом, а для повышения жаропрочности - титаном и алюмини-ем. Для дальнейшего повышения жаропрочности никелевые сплавы легируют молибденом и вольфрамом, а также кобальтом. Введение бора и циркония устраняет вредное влияние при-месей (серы, сурьмы, свинца и олова) на жаропрочность.

Наиболее широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР. После закалки от 1080-11200С сплав имеет структуру состоящую из перенасыщенного -раствора с ГЦК - ре-шеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Сплав удов-летворительно сваривается. После закалки и старения при 7000С получают высокую жаро-прочность.

Таблица 37

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства

некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 8000С

Сплав Содержание элементов1,%

Cr Ti Al C B

ХН77ТЮР

ХН70ВМТЮ

ХН55ВМТКЮ

ХН65ВМТЮ 19-20

13-16

9-12

15-17 2,4-2,8

1,8-2,3

1,4-2,0

2,0-2,8 0,6-1,0

1,7-2,3

3,6-4,5

1,0-1,5 0,02

0,02

-

0,025 0,01

0,02

0,02

0,01

Сплав Содержание элементов1,% Механические свойства

W Другие

элементы В, МПа 800100 ,МПа 

ХН77ТЮР

ХН70ВМТЮ

ХН55ВМТКЮ

ХН65ВМТЮ 5-7

5-7

4,5-6,5

8,5-10 -

2-4 Mo

0,1-0,5 V

4-6 Mo

0,2-0,8 V

3,5-4,5 Mo 550

680

850

- 200

230-270

450

300 10

8

10

-

1 Никель - основа

Никелевые сплавы широко применяются в литом виде. Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении и при выращивании монокристалла.

Таблица 38

Химический состав ( по легирующим элементам) и предел

длительной прочности литых никелевых сплавов

Сплав Содержаниеэлементов1, % 800100

МПа

Cr Ti Al Mo Другие

элементы

ЖС3

ЖС6К

ВЖЛ12У 14-18

10,5-12,5

8,5-10,5 1,6-2,3

2,5-3,0

5,0-5,7 1,6-2,2

5,0-6,0

4,2-4,7 3,0-4,0

3,5-4,5

2,7-3,4

4,5-6,5 W

4,5-6,5 W

4,5 Co

1,0-1,8 W

12-15Co

0,5-1,0 V

0,015 B 300

520

520

1 Содержание углерода 0,1 - 0,2 %

Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышает жаропрочность, однако технология получения сильно усложняется. Поэтому они применя-ются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергаются закалке от высоких температур и старению.

Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергаются алитированию.