Жаростійкі і жароміцні матеріали
1. Жароміцність
Жароміцні сталі і сплави призначені длявиготовлення деталей котлів, газових турбін, реактивних двигунів, ракет,атомних пристроїв та ін, що працюють при високих температурах.
Підвищення температури сильно знижуємеханічні властивості. При цьому слід мати на увазі, що якщо при високійтемпературі навантажити метал постійно діючим напругою, навіть нижчемежі текучості при цій температурі, і залишити його під навантаженням тривалийчас, то метал протягом всього часу дії температури і навантаження будеформуватися з певною швидкістю. Це явище отримало назвуповзучості або Крип. Розвиток повзучості може призвести до руйнування металу.
Опір металу повзучості й руйнування вобласті високих температур при тривалій дії навантаження називаютьжароміцністю. Жароміцність характеризується умовним боковим вівтарем повзучості імежею тривалої міцності.
Явище повзучості спостерігається тоді, колиробоча температура вище температура рекристалізації, чинне напругавище межі пружності.
Жароміцність в першу чергу залежить відтемператури плавлення металу. Чим вище температура плавлення металу, тим вищейого температура рекристалізації. Між названими температурами існуєнаступна залежність:
Т р = О±Т пл К,
де О± = 0,3 ... 0,4 для технічно чистихметалів, О± = 0,6 ... 0,8 для сплавів.
Під умовною боковим вівтарем повзучості розуміютьнапругу, яка за встановлений час випробування при даній температурівикликає задане подовження зразка або задану швидкість деформації(Повзучості).
Повзучість являє собою повільненаростання пластичної деформації під дією напружень, менших межіплинності. Типова залежність деформації від часу вантаження представленана рис. 1.
Рис. 1. Крива повзучості: I -нестала стадія; II - усталена стадія; III - стадія руйнування
Крива повзучості складається з трьох ділянок.Стадія I так званої несталої повзучості відрізняється поступовимзагасанням швидкості деформації до певного постійного значення. Стадія II -усталеною повзучості - характеризуються постійною швидкістю деформації. Настадії III - стадії руйнування -швидкість деформації наростає до моменту руйнування. Як правило, вонанетривала і для деталей неприпустима.
Межа повзучості позначають через Пѓ ічисловими індексами. Так, Пѓ 700 0,2/100 означаємежа повзучості при допуску на деформацію 0,2% за 100 ч. випробування при700 Про С. У разі визначення границі повзучості його позначають буквоюПѓ з двома числовими індексами. Нижній індекс означає задану швидкістьповзучості (%/год), верхній індекс - температуру випробування, Про С; так, Пѓ 600 10 -5 - межа повзучості при швидкості повзучості 1 * 10 -5% /год при 600 Про С.
Межа тривалої міцності, тобто найбільшунапруга, що викликає руйнування металу за певний час при постійнійтемпературі, позначають Пѓ з двома числовими індексами. Так Пѓ 700 1000 означає боковий вівтар тривалої міцності за 1000 год при 700 Про С.
Підвищення жароміцності досягають легуваннямтвердого розчину, що призводить до збільшення енергії зв'язку між атомами, ввнаслідок чого процеси дифузії та самодифузії затримуються, а температурарекристалізації зростає, створенням у сплаву спеціальної структури,складається з вкраплених в основний твердий розчин і по границях зерендисперсних карбідних і особливо інтерметаллідним фаз. Така структуравиходить в результаті загартування з високих температур і подальшого старіння.Наявність рівномірно розподілених дисперсних надлишкових фаз ускладнюєпластичну деформацію при високих температурах. Чим крупніше зерно, тим вищежароміцність.
Жароміцні сплави для роботи при високихтемпературах (до 700 - 950 Про С) створюються на основі заліза, нікелю такобальту, а для роботи при ще більш високих температурах (до 1200-1500 Про С)- На основі хрому, молібдену та інших тугоплавких металів.
Робочі температури жароміцних сталейскладають 500 - 750 Про С. При температурах до 600 Про С частішевикористовують стали на основі О±-твердого розчину, а при більш високихтемпературах - на основі Оі-твердого розчину з гранецентричнійкубічної гратами.
2. Сталі перлітного класу(ГОСТ 20072-79)
Для виготовлення малонавантажених деталей івузлів енергетичних установок, що працюють при температурах не вище 500- 580 Про С, використовують низьковуглецевих сталі перлітного класу,що містять не менш 1% хрому, молібдену і ванадію. Ці елементи, підвищуючитемпературу рекристалізації фериту і утруднюючи дифузійні процес, підвищуютьжароміцність стали.
Для виготовлення деталей котельних установок,працюючих при 510 Про С і тиску 1000-1100 МПа, застосовують сталь 15ХМабо більш жароміцну 12Х1МФ. Сталь 12Х1МФ задовільно обробляєтьсятиском і зварюється. Після нормалізації 960 - 980 Про С і відпусткипри 740 Про С межа повзучості цієї сталі Пѓ 560 10 -4 = 85 МПа; межа тривалої міцності Пѓ 560 10 4 = 140 МПа.
3. Сталимартенситно-феритного класу
Деталі й вузли газових турбін і паросиловихустановок виготовляють з мартенситних сложнолегірованних сталей 18Х12ВМБФР і15Х12ВНМФ, до складу яких входять Mo, W, V, Nb, B. Ці елементи підвищують температуру рекристалізації. Вониутворюють карбіди типу М 23 З 6 , М 7 З 3 ,М 2 С, МС і з'єднання Fe 2 Mo, в результаті підвищується жароміцність стали.
Робочі температури цих сталей можуть досягати600 - 620 Про С.
Для отримання оптимальної жароміцностівисокохромистого сталі гартують на мартенсит. Структура сталей після відпустки -сорбіт і троостит. Для сталі 18Х12ВМБФР при 550 Про С Пѓ 10 5 = 250 Г· 300, а для сталі 15Х12ВНМФ - 200 МПа.
4. Сталі аустенітногокласу (ГОСТ 5632-72)
Для отримання структури аустеніту ці сталиповинні містити велику кількості хрому, нікелю і марганцю. Для досягненнявисокої жароміцності їх додатково легують Mo, W, V, Nb і B. Ці сталийдуть для виготовлення деталей, що працюють при 500-750 Про С.Жароміцність аустенітних сталей вище, ніж перлітних і мартенситно-феритних.Сталей.
Аустенітні стали пластичні і добрезварюються, однак обробка їх різанням утруднена.
Аустенітні стали за способом зміцнення ділятьна три групи:
1.тверді розчини, що містятьпорівняно мало легуючих елементів;
2.тверді розчини з карбіднимзміцненням. У цьому випадку зміцнюючих фазами можуть бути як первинні (TiC, VC, ZrC, NbC та ін), такі вторинні карбіди (М 23 З 6 , М 7 З 3 , М 6 З),виділяються з твердого розчину;
3.тверді розчини з інтерметаллідним зміцненням.Зміцнюючої фазою в цих сталях є Оі-фаза типу Ni 3 Ti, Ni 3 Al, Ni 3 Nb і ін
Стали з інтеметаллідним зміцненням більшжароміцних, ніж сталі з карбідним зміцненням.
Аустенітні жароміцні сталі зі структуроютвердих розчинів (наприклад, 09Х14Н16Б і 09Х14Н18В2БР) призначені для роботипри 600-700 Про С, їх застосовують після гарту з 1100-1160 Про С вводі або на повітрі.
Для досягнення високої жароміцності аустенітністалі з карбідним і інтерметаллідним зміцненням піддають гарту з 1050-1200 Про Су воді, маслі або на повітрі для розчинення карбідних і інтерметаллідним фаз утвердому розчині - аустеніті - і одержання після охолодження однорідноговисоколегованого твердого розчину і старіння при 600-850 ...
