Жаропрочность металлов

Жаростойкие и жаропрочные материалы

1. Жаропрочность

Жаропрочные стали и сплавы предназначены для изготовления деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и др., работающих при высоких температурах.

Повышение температуры сильно понижает механические свойства. При этом следует иметь в виду, что если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением, даже ниже предела текучести при этой температуре, и оставить его под нагрузкой длительное время, то металл в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет формироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа. Развитие ползучести может привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Жаропрочность характеризуется условным приделом ползучести и пределом длительной прочности.

Явление ползучести наблюдается тогда, когда рабочая температура выше температура рекристаллизации, действующее напряжение выше предела упругости.

Жаропрочность в первую очередь зависит от температуры плавления металла. Чем выше температура плавления металла, тем выше его температура рекристаллизации. Между названными температурами существует следующая зависимость:

Т_р = αТ_пл К,

где α = 0,3…0,4 для технически чистых металлов, α = 0,6 …0,8 для сплавов.

Под условным приделом ползучести понимают напряжение, которое за установленное время испытания при данной температуре вызывает заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести. Типичная зависимость деформации от времени нагружения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Кривая ползучести: I – неустановившаяся стадия; II – установившаяся стадия; III – стадия разрушения

Кривая ползучести состоит из трех участков. Стадия I так называемой неустановившейся ползучести отличается постепенным затуханием скорости деформации до определенного постоянного значения. Стадия II – установившейся ползучести – характеризуются постоянной скоростью деформации. На стадии III– стадии разрушения – скорость деформации нарастает до момента разрушения. Как правило, она непродолжительна и для деталей недопустима.

Предел ползучести обозначают через σ и числовыми индексами. Так, σ⁷⁰⁰ _0,2/100 означает предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 700^О С. В случае определения предела ползучести его обозначают буквой σ с двумя числовыми индексами. Нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний индекс – температуру испытания, ^О С; так, σ⁶⁰⁰ ₁₀ ^-5 – предел ползучести при скорости ползучести 1* 10^-5% /ч при 600 ^О С.

Предел длительной прочности, т.е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре, обозначают σ с двумя числовыми индексами. Так σ⁷⁰⁰ ₁₀₀₀ означает придел длительной прочности за 1000 ч. при 700^О С.

Повышения жаропрочности достигают легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает, созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных и особенно интерметаллидных фаз. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах. Чем крупнее зерно, тем выше жаропрочность.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700 – 950 ^О С) создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при еще более высоких температурах (до 1200–1500^О С) – на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.

Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500 – 750^О С. При температурах до 600 ^О С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах – на основе γ-твердого раствора с гранецентрированной кубической решеткой.

2. Стали перлитного класса (ГОСТ 20072–79)

Для изготовления малонагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах не выше 500 – 580 ^О С, используют низкоуглеродистые стали перлитного класса, содержащие не менее 1% хрома, молибдена и ванадия. Эти элементы, повышая температуру рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процесс, повышают жаропрочность стали.

Для изготовления деталей котельных установок, работающих при 510 ^О С и давлении 1000–1100 МПа, применяют сталь 15ХМ или более жаропрочную 12Х1МФ. Сталь 12Х1МФ удовлетворительно обрабатывается давлением и сваривается. После нормализации 960 – 980 ^О С и отпуска при 740 ^О С предел ползучести этой стали σ⁵⁶⁰ ₁₀ ^-4 = 85 МПа; предел длительн