Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 33 )

Крім нержавіючих сталей у промисловості застосовують корозійностійкі сплави – це сплави на нікелевій основі. Сплави типу хастеллой містять до 80 % нікелю, іншим елементом є молібден у кількості до 15...30 % Сплави є корозійностійкими в особливо агресивних середовищах (кипляча фосфорна або соляна кислота), мають високі механічні властивості. Після термічної обробки – загартування й старіння при температурі 800oС – сплави мають межа міцності МПа, і твердість . Недоліком є схильність до міжкристалічної корозії, тому зміст вуглецю в цих сплавах повинне бути мінімальним.

Жаростійкість, жаростійкі сталі й сплави

Жаростійкість (окалиностійкість) – це здатність металів і сплавів пручатися газової корозії при високих температурах протягом тривалого часу.

Якщо виріб працює в окисному газовому середовищі при температурі 500..550oC без більших навантажень, те досить, щоб вони були тільки жаростійкими (наприклад, деталі нагрівальних печей).

Сплави на основі заліза при температурах вище 570oC інтенсивно окисляються, тому що, що утвориться в цих умовах на поверхні металу оксид заліза (вюстит) із простою решіткою, що має дефіцит атомів кисню (твердий розчин вирахування), не перешкоджає дифузії кисню й металу. Відбувається інтенсивне утворення тендітної окалини.

Вплив хрому на жаростійкість хромистої сталі

Для підвищення жаростійкості до складу стали вводять елементи, які утворять із киснем оксиди із щільною будовою кристалічної решітки (хром, кремній, алюміній).

Ступінь легованості стали, для запобігання окислювання, залежить від температури. Вплив хрому на жаростійкість хромистої сталі показане на мал.

Чим вище зміст хрому, тим більше окалиностійкі сталі (наприклад, сталь 15Х25Т є окалиностійкою до температури 1100…1150oC).

Високою жаростійкістю володіють сильхроми, сплави на основі нікелю - ніхроми, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6ЦЮ.

Жароміцність, жароміцні сталі й сплави

Жароміцність – це здатність металу пручатися пластичній деформації й руйнуванню при високих температурах.

Жароміцні матеріали використовуються для виготовлення деталей, що працюють при високих температурах, коли має місце явище повзучості.

Критеріями оцінки жароміцності є короткочасна й тривала міцності, повзучість.

Короткочасна міцність визначається за допомогою випробувань на розтягання розривних зразків. Зразки поміщають у піч і випробовують при заданій температурі. Позначають короткочасну міцність =, наприклад 300oС= 300МПа.

Міцність залежить від тривалості випробувань.

Межею тривалої міцності називається максимальна напруга , що викликає руйнування зразка при заданій температурі за певний час.

Наприклад = 200 МПа, верхній індекс означає температуру випробувань, а нижній – задану тривалість випробування в годинниках. Для котельних установок потрібне невисоке значення міцності, але протягом декількох років.

Повзучість – властивість металу повільно пластично деформуватися під дією постійного навантаження при постійній температурі.

При випробуваннях зразки поміщають у піч із заданою температурою й прикладають постійне навантаження. Вимірюють деформацію індикаторами.

При звичайній температурі й напругах вище межі пружності повзучість не спостерігається, а при температурі вище 0,6Тпл, коли протікають процеси розупрочнения, і при напругах вище межі пружності спостерігається повзучість.

Залежно від температури швидкість деформації при постійному навантаженні виражається кривий складається із трьох ділянок (мал.):

Рис. Крива повзучості

1.  ОА - пружна деформація зразка в момент додатка навантаження;

2.  АВ - ділянка, що відповідає початкової швидкості повзучості;

3.  ВР - ділянка сталої швидкості повзучості, коли подовження має постійну швидкість.

Якщо напруги досить великі, то протікає третя стадія (ділянка СД), пов'язана з початком руйнування зразка (утворення шейки).

Для вуглецевих сталей повзучість спостерігається при нагріванні вище 400oС.

Межа повзучості – напруга, що за певний час при заданій температурі викликає задане сумарне подовження або задану швидкість деформації .

НаприкладМПа, де верхній індекс – температура випробування в oС, перший нижній індекс – задане сумарне подовження у відсотках, другий – задана тривалість випробування в годинниках.

Класифікація жароміцних сталей і сплавів

У якості сучасних жароміцних матеріалів можна відзначити перлітні, мартенситні й аустенітні жароміцні сталі, нікелеві й кобальтові жароміцні сплави, тугоплавкі метали.

При температурах до 300oC звичайні конструкційні сталі мають високу міцність, немає необхідності використовувати високолеговані сталі.

Для роботи в інтервалі температур 350…500oCзастосовують леговані сталі перлітного, феритного й мартенситного класів.

Перлітні жароміцні сталі. До цієї групи ставляться котельні сталі й сильхроми. Ці сталі застосовуються для виготовлення деталей котельних агрегатів, парових турбін, двигунів внутрішнього згоряння. Стали містять відносно мало вуглецю. Легування сталей хромом, молібденом і ванадієм виробляється для підвищення температури рекристалізації (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ). Використовуються в загартованому й високовідпущеному стані. Іноді загартування заміняють нормалізацією. У результаті цього утворяться пластинчасті продукти перетворення аустеніту, які забезпечують більше високу жароміцність. Межа повзучості цих сталей повинен забезпечити залишкову деформацію в межах 1 % за час 10000...100000 років роботи.

Перлітні сталі мають задовільну зварюваність, тому використовуються для зварених конструкцій (наприклад, труби пароперегрівників).

Для деталей газових турбін застосовують складно леговані сталі мартенситного класу 12Х2МФСР, 12Х2МФБ, 15Х12ВНМФ. Збільшення змісту хрому підвищує жаростійкість сталей. Хром, вольфрам, молібден і ванадій підвищують температуру рекристалізації, утворяться карбіди, що підвищують міцність після термічної обробки. Термічна обробка складається із загартування від температур вище 1000oС у маслі або на повітрі й високій відпустці при температурах вище температури експлуатації.

Для виготовлення жароміцних деталей, не потребуючі зварювання (клапани двигунів внутрішнього згоряння), застосовуються хромокремнисті стали – сильхроми: 40Х10С2М, 40Х9С2, Х6С.

Жароміцні властивості ростуть зі збільшенням ступеня легованості. Сильхроми піддаються загартуванню від температури близько 1000oС і відпустці при температурі 720…780oС.

При робочих температурах 500…700oC застосовуються сталі аустенітного класу. Із цих сталей виготовляють клапани двигунів, лопатки газових турбін, соплові апарати реактивних двигунів і т. д.

Основними жароміцними аустенітними сталями є хромонікелеві сталі, додатково леговані вольфрамом, молібденом, ванадієм і іншими елементами. Стали містять 15...20 % хрому й 10...20 % нікелю. Мають жароміцність і жаростійкістю, пластичні, добре зварюються, але утруднена обробка різанням і тиском, стають крихкими в інтервалі температур близько 600oС, через виділення по границях різних фаз.

За структурою стали підрозділяються на дві групи:

1. Аустенітні сталі з гомогенною структурою 17Х18Н9, 09Х14Н19У2БР1,12Х18Н12Т. Зміст вуглецю в цих сталях мінімальне. Для створення більшої однорідності аустеніту стали піддаються загартуванню з 1050…1100oС у воді, потім для стабілізації структури – відпустці при 750oС.

2. Аустенітні сталі з гетерогенною структурою 37Х12Н8Г8МФБ, 10Х11Н20Т3Р.

Термічна обробка сталей включає загартування з 1050…1100oС. Після загартування старіння при температурі вище експлуатаційної (600…750oС). У процесі витримки при цих температурах у дисперсному виді виділяються карбіди, карбонітриди, внаслідок чого міцність стали підвищується.

Деталі, що працюють при температурах 700…900oC, виготовляють зі сплавів на основі нікелю й кобальту (наприклад, турбіни реактивних двигунів).

Нікелеві сплави переважно застосовують у деформованому виді. Вони містять більше 55 % нікелю й мінімальна кількість вуглецю (0,06...0,12 %). По жароміцних властивостях перевершують кращі жароміцні сталі.

За структурою нікелеві сплави розділяють на гомогенні (ніхроми) і гетерогенні (нимоники).

Ніхроми. Основою цих сплавів є нікель, а основним легуючим елементом - хром (ХН60Ю, ХН78Т).

Ніхроми не мають високу жароміцність, але вони дуже жаростійкі. Їх застосовують для мало навантажених деталей, що працюють в окисних середовищах, у тому числі й для нагрівальних елементів.