Перспективные материалы для нефтегазовых объектов (стр. 8 )

а – первичная кривая ползучести; б – схема диаграммы «напряжение–скорость ползучести»; в – зависимость между временем до разрушения и напряжением

Предел ползучести согласно ГОСТ 3248–81, обозначают, например, σ - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С. При этом необходимо указать, как определялся предел ползучести - по суммарной или остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести обозначают σ с двумя числовыми индексами: нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний - температуру испытания, °С; например, - предел ползучести при скорости ползучести 10 -5 %/ч при температуре 600 °С.

Испытание на длительную прочность отличается от испытания на ползучесть тем, что испытуемый образец доводят при данных температуре и напряжении до разрушения. В результате испытания определяют предел длительной прочности, т. е. наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре (ГОСТ 10145–81). Предел длительной прочности обозначается, например, – предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С. В логарифмических координатах зависимость между напряжением и временем до разрушения представляет собой прямую линию (рис. 1.4в). Это позволяет для ряда сплавов экспериментально построенные кривые для продолжительности 700–1000 ч экстраполировать на значительно большую длительность (10 000–100 000 ч).

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Тпл , где Тпл - температура плавления. Требуемые сроки службы жаропрочных сплавов изменяются от 1–2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

При температурах ниже (0,45–0,5) Тпл прочность сплавов определяется стабильностью их дислокационной структуры. При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается (уменьшается плотность дислокаций, растет число вакансий и т. д.) и развиваются диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избыточных фаз и т. д.).

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 т. д.), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже небольших напряжений эти перемещения атомов, особенно на границах зерен, приобретают направленный характер, что способствует ползучести металла. В процессе ползучести происходят перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела, так называемое проскальзывание.

Таким образом, если при низких температурах границы зерен тормозят движение дислокаций и упрочняют сплав, то при высоких температурах наоборот, способствуют ускоренному разупрочнению поликристаллических металлов. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается.

Жаропрочность стали и других металлических сплавов в сильной степени зависит от величины межатомной связи, а также от их структурного состояния. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные силы связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно считать, что чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов.

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 железа, никеля и кобальта, а для работы при более высоких температурах (до 1200–1500 °С)– на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

1.4.3. Жаропрочные стали

Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С. При температурах до 600 °С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах –стали на основе аустенитной структуры, обладающие более высокой жаропрочностью. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз и выше их жаропрочность. К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание его превышает 50 %.

Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10 000 - 200 000 ч) при температурах не выше 500 - 580 °С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют углеродистые и низколегированные теплоустойчивые стали перлитного класса (табл. 1.6).

Если рабочая температура не превышает 400 °С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К (ГОСТ 5520-79), поступающие в виде листов и труб. В марке буква «К» означает «котельная», а цифра – содержание углерода в сотых долях процента. Механические свойства сталей: σв = 360–490 МПа, σ0,2 = 220–280 МПа, δ =24–19 %. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность.

Для более ответственных, паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют низколегированные стали, содержащие Сr, V, Mo и Nb (ГОСТ 20072–74).

Легирующие элементы, находясь в твердом растворе феррита, затрудняют диффузионные процессы, повышают температуру рекристаллизации, вызывают дисперсионное твердение, формируют в процессе γ ↔ α-превращения субструктуру и стабилизируют карбидную фазу. Все эти процессы повышают жаропрочность стали.

Содержание углерода должно быть 0,08–0,2 %. При большом количестве углерода ухудшается свариваемость, ускоряются процессы коагуляции карбидов и твердый раствор обедняется молибденом, что снижает прочностные свойства. Ванадий (ниобий), образуя дисперсные карбиды, упрочняет матрицу. Наиболее высокие значения длительной прочности достигаются после закалки и высокого отпуска. Температура отпуска должна быть выше рабочей, чаще 660 - 700 °С. В процессе эксплуатации сталей протекают процессы коагуляции карбидов М3С, образование карбидов типа M23C6 и M2C, и твердый раствор обедняется молибденом. Все это снижает механические свойства. Для котельных установок, работающих при температуре 560 °С и давлении 25,5 МПа чаще применяется сталь 12Х1МФ, обладающая хорошими технологическими свойствами и хорошей теплостойкостью ( = 140 МПа и = 110 МПа).

Таблица 1.6

Химический состав (по легирующим элементам) и свойства жаропрочных сталей при температуре 600 °С

Сталь	Содержание элементов, %	Предел длительной прочности, МПа
С	Сr	Mo	V	другие элементы
Стали перлитного класса
12Х1МФ	0,08-0,15	0,9–1,2	0,25–0,35	0,15–0,30	–	80	60
15Х1М1Ф	0,1-0,16	1,1–1,4	0,9–11	0,2–0,25	–	85	65
12Х2МФСР	0,08–0,15	1,6–1,9	0,5–0,7	02–0,35	0,4–0,7 Si; <0,005 % В	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 % В	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 Мn; ≤0,08 В	180	140

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, крепежные детали, трубы и т. д.) применяют высокохромистые (8–13 % Сr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и В (см. табл. 1.6). Эти стали помимо более высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома они относятся или к мартенситному (до 10–11 % Сr) или к мартенситно-ферритному (11– 13 % Сr) классу. Структура этих сталей состоит из мартенсита, δ-феррита, карбидов типа М23С6, М6С, M2C, МС и интерметаллидов Fe2W (Fe2Mo). Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметаллидных фаз. Наиболее сильно повышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 580–600 °С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит жаропрочность.