Повышение жаростойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки окислов (Сr, Fe)2O3, (Al, Fe) 2O. Введение в сталь 5-8 % Cr повышает окалиностойкость до 700-750оС; увеличение содержания Сr до 15-17 % делает сталь окалиностойкой до 950-1000оС, а при введении 25%Сr сталь остается окалиностойкой до 1100оС. Легирование сталей с 25%Сr алюминием в количестве 5% повышает жаростойкость до 1300оС. Жаростойкость зависит от состава стали и в меньшей степени от ее структуры. В связи с этим жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.
Нержавеющие стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10%) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10%) структуру.
Хромистые стали (20Х13, 30Х13, 40Х13 - мартенситного класса, 12Х13 - мартенситно-ферритного класса, 08Х13, 08Х25Т - ферритного класса). При введении в сталь 12-14 % Сr ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосферных условиях, слабых растворах кислот и солей и других агрессивных средах.
Аустенитные стали. Эти стали, обычно легированные 18%Сr и 9-12%Ni, после ( охлаждения до комнатной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.
Высокие коррозионностойкие свойства стали сообщает хром, пассивируя поверхность. Типичными представителями аустенитных хромоникелевых сталей являются 12Х18Н9 и 17Х18Н9. После медленного охлаждения стали имеют структуру аустенит (g), феррит (a) и карбиды М23С6. Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают до 1000-1070оС (для растворения карбидов), и закаливают в воде (на воздухе). Механические свойства стали 12Х18Н9 в закаленном состоянии: (sв = 520-600 МПа, s0,2 = 200-230 МПа, d = 50% и y = 50-60%. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклепывается. После холодной деформации (60-70 %) sв = 1200-1300 МПа, при этом d снижается до 4-5%. Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклепом и мартенситным превращением.
Стали хорошо свариваются точечной сваркой и штампуются. Сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (например, азотной кислоте).
Коррозионностойкие сплавы на никелевой основе. Сплавы никеля с медью (например, НМЖМц 28-2,5-1,5 (монель-металл)), содержат в среднем 28%Сu; 2,5%Fe и 1,5%Мn; они обладают высокой коррозионной стойкостью на воздухе, в морской и пресной воде, неорганических кислотах и т. д., сравнительно высокой прочностью (sв= 450-650 МПа) и хорошей пластичностью (d = 25-30 %). Этот сплав применяют в судостроении, в нефтеобрабатывающей и фармацевтической промышленности. Наиболее высокой коррозионной стойкостью обладают сплавы Ni-Mo, Ni-Cr и Ni-Mo-Cr.
Для изготовления сварных емкостей, работающих при повышенных температурах в соляно-кислых средах, концентрированных растворах серной и фосфорной кислот, применяют никелевый сплав Н70МФ (0,02%С, 25-27%Мо и 1,4-1,7%V). Механические свойства сплава: sв ³ 800 МПа, s0,2 ³ 370 МПа и d ³ 40%.
Никелевые сплавы должны содержать возможно меньше углерода (0,006-0,015 %), образующего с молибденом и хромом карбиды. Выделение из g-раствора карбидов обедняет пограничные области молибденом и хромом, что может явиться причиной охрупчивания сплава после сварки.
Жаропрочные стали и сплавы.
Жаропрочные стали и сплавы применяют для многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет, атомных устройств и др., работающих при высоких температурах.
Повышение температуры сильно влияет на все механические свойства; оно понижает пределы текучести и прочности и особенно склонность к упрочнению в процессе пластической деформации.
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 деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.
Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и длительной прочности.
Условный предел ползучести - это напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца.
Предел ползучести обозначают числовыми индексами, например, s7000,2/100 - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при 700оС.
Предел длительной прочности - это. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре. Предел длительной прочности обозначают s с двумя числовыми индексами, например: s7001000 - предел длительной прочности за 1000 ч при 700оС.
Рабочие температуры жаропрочных сплавов составляют примерно 0,45-0,8Tпл. Требуемые сроки службы изменяются от 1-2 часов (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).
Деформация и разрушение при высоких температурах часто происходят по границам зерен. Это объясняется тем, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций и др.) при повышенных температурах легко происходят элементарные акты скольжения при наличии напряжений, т. е. при высоких температурах границы зерен помогают ускоренному разупрочнению поликристаллических металлов. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя пластичность при этом снижается.
Повышение жаропрочности достигается 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, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего старения. Наличие равномерно распределенных дисперсных избыточных фаз затрудняет пластическую деформацию при высоких температурах.
Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700-950°С) создают на основе Fe, Ni и Co, а для работы при очень высоких температурах (до 1200-1500°С) - на основе молибдена и других тугоплавких металлов.
Жаропрочные стали: Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750оС. При температурах до 600оС используют стали на основе a-твердого раствора, а при более высоких температурах - на основе аустенитной структуры, обладающих более высокой жаропрочностью.
Жаропрочные сплавы : Сплавы на железоникелевой основе содержат Fe + Ni не менее 65 %. Структура сплавов твердый раствор хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе.
Сплавы обычно делят на две группы: 1) с содержанием 14-16%Сr и 32-38%Ni (ХНЗ5ВТЮ, ХНЗ8ВТ и др.). Эти сплавы дополнительно легированные вольфрамом, титаном и алюминием, после закалки и старения характеризуются высокой жаропрочностью; 2) с содержанием 20-25%Сr и 25-45%Ni (ХН28ВМАБ, 06ХН28МДТ и др.). Сплавы этой группы, благодаря высокому содержанию хрома, обладают хорошей коррозионной стойкостью, жаростойкостью, но жаропрочность их ниже.
Сплавы на никелевой основе (содержание никеля более 30-50%) нередко называют нимониками. Эти сплавы предназначены для рабочих лопаток, турбинных дисков и других деталей газовых турбин, работающих при 650-850°С.
Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20%), а для повышения жаропрочности - титаном (1,0-2,8%) и алюминием (0,55-5,5%). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная g'-фаза типа Ni3(Ti, Аl), когерентно связанная с основным g-раствором, а также карбиды TiC, Сr23С6 и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Чем больше объемная доля g'-фазы, тем выше рабочая температура сплава. Предельная температура работы сплавов на никелевой основе составляет ~0.8Tпл. При более высоких температурах происходит коагуляция и растворение g' -фазы в g - растворе, что сопровождается сильным снижением жаропрочности. Хром и кобальт понижают, а вольфрам повышает температуру полного растворения g'-фазы.
Для обеспечения высокой жаропрочности никелевые сплавы должны иметь структуру крупнозернистого g-твердого раствора и равномерно распределенную g'-фазу. Разнозернистость, выделения g' -фазы преимущественно по границам зерна матрицы, сохранение наклепа после обработки резанием - все это снижает жаропрочность.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (НRС 60-65), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Их структура после закалки и низкого отпуска - мартенсит + избыточные карбиды.
Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры тростита и даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже, чем заэвтектоидных.
Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т. е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
Основные порталы (построено редакторами)