HomeЛегированная сталь › Жаропрочная сталь

Жаропрочная сталь

Жаропрочная стальЖаропрочной называется сталь, обладающая повышенной механической прочностью при высоких температурах.

 

Механическая прочность металлов, нагретых выше некоторой, всегда определенной для данного металла, температуры, зависит от скорости, с которой производится нагружение. При больших скоростях нагружения сопротивление разрушению всегда выше, чем при малых скоростях деформирования.

 

С другой стороны, сталь и другие металлы, нагретые до определенной для каждого металла температуры (для нелегированной стали выше 350-440°), обнаруживают способность постепенно пластически деформироваться («течь» или «ползти») при длительных постоянных нагрузках, несмотря на то, что эти нагрузки значительно ниже показателей сопротивления деформированию при кратковременных испытаниях. Это явление называется ползучестью металлов.

 

Особенности поведения металлов в области высоких температур вызывают необходимость применения специальных методов испытаний и установления особых критериев механической прочности в нагретом состоянии. В большинстве случаев жаропрочность оценивается с помощью определения следующих характеристик:

 

а) предела ползучести — напряжения, при котором через определенный промежуток времени деформация ползучести при данной температуре получит заранее заданную величину (например, удлинение 1% за 100 000 час. при температуре 500°);

б) длительной прочности — напряжения, вызывающего разрушение металла при заданной температуре за определенный отрезок времени;

в) кратковременной прочности, представляющей предел прочности (временное сопротивление) при данной температуре, в случае испытания на растяжение с обычной скоростью деформирования.

 

Так как эксплуатируемые при повышенных температурах детали машин, как правило, рассчитываются на длительные периоды работы в нагретом состоянии, основными критериями их качества являются показатели не кратковременной, а длительной прочности.

 

Особое значение имеют предел ползучести и предел длительной прочности, поскольку именно они в большинстве случаев лимитируют возможность дальнейшего повышения напряжений в этих деталях.

 

Исследования показывают, что предел ползучести теснейшим образом связан с температурой интенсивного течения процессов отдыха и рекристаллизации стали: чем выше значение последних, тем больше предел ползучести. Это в первом приближении объясняется следующими соображениями.

 

Возникающее при нагружении стали, работающей при повышенных температурах, упрочнение (наклеп) сохраняется, если не происходит интенсивного возврата (отдыха) и температура начала рекристаллизации (порог рекристаллизации) расположена выше рабочей температуры стали. В результате упрочнения (наклепа) стали сопротивление ее деформированию увеличивается, и ползучесть стали замедляется.

 

Наоборот, если температура начала интенсивного отдыха и рекристаллизации расположена ниже рабочей температуры стали, то, очевидно, возникает рекристаллизация, сопровождающаяся разупрочнением стали, и сопротивление ползучести окажется пониженным.

 

Соответственно для увеличения предела ползучести жаропрочные стали легируются элементами, энергично повышающими температуры заметного разупрочнения стали при нагреве, — Мо, W, V. Замечено, что стали аустенитного класса имеют более высокие температуры начала интенсивного течения процессов отдыха и рекристаллизации. Поэтому в тех случаях, когда необходимо достижение значительной жаропрочности, . обычно находят применение аустенитные стали.

 

В зависимости от конкретных условий работы к жаропрочным сталям предъявляются различные требования в отношении их механических свойств при повышенных температурах нагрева. Последнее определяет целесообразность существования большого числа марок стали с разным уровнем жаропрочности.

 

ъСледует заметить, что от жаропрочных сталей, работающих при высоких нагревах, требуется, чтобы они проявляли и жаростойкость (т. е. сопротивление окалинообразованию). Для этого в марки жаропрочных сталей добавляют значительное количество хрома и они являются одновременно и жаростойкими.

Марки М и ХМ представляют типичные малолегированные стали с повышенным сопротивлением ползучести, применяемые в котлотурбостроении. Эти стали назначаются для котельных труб и труб пароперегревателей, котельных барабанов и других деталей, работающих при температурах 350-450°. Марка стали Х6М применяется главным образом для различного рода трубопроводов, работающих при температурах до 500°.

 

Приведенная в табл. 17 марка стали Х8СМ является типичным представителем целой группы жаростойких сталей — сильхромов, нагревающихся при работе до 500°.

Снльхром Х8СМ находит применение в качестве материала для клапанов двигателей внутреннего сгорания. Клапаны из сильхрома Х8СМ подвергаются закалке с 1000° в масле и последующему отпуску при 750° с охлаждением в масле.

 

Для клапанов, работающих при температурах 500-650°, в частности, клапанов выпуска авиамоторов, применяется одна из качественных марок жаростойкой и жаропрочной стали Х14Н14В2. Эта сталь относится к аустенитному классу.

 

После закалки от 1100-1200° и последующего отпуска при 750° сталь Х14Н14В2 приобретает структуру аустенита, в массе которого располагаются легированные карбиды. В таком состоянии эта сталь и применяется для выхлопных клапанов, а также различного рода крепежных деталей, работающих при высоких температурах.

 

Следует, однако, указать, что современные жаростойкие стали часто не удовлетворяют возросшим к ним требованиям, в связи с развитием производства реактивных двигателей и газовых турбин. Для этих целей обычно используются еще более высоколегированные марки специальных жаропрочных и жаростойких сплавов.

 

Первые два сплава в равновесном состоянии представляют твердые растворы с некоторым количеством избыточной фазы. Например, сплав «нимоник» имеет структуру никелевого Т-раствора плюс интер-металлид типа Ni3Ti.

 

Еще более сложна структура «виталлиума». Здесь наблюдается эвтектическое и эвтектоидное строение при наличии трех типов хромистых и молибденовых карбидов.

В целях улучшения свойств жаропрочные сплавы могут подвергаться термической обработке, состоящей в закалке и последующем отпуске при высоких температурах порядка 600-700°.

 

В процессе-нагрева под закалку в этих сплавах происходит частичное растворение избыточных фаз и закалкой фиксируется пересыщенное по отношению к комнатным температурам состояние твердого раствора. Нагрев при отпуске вызывает выделение из пересыщенного раствора избыточных фаз в дисперсной форме, т. е. фактически здесь наблюдается явление дисперсионного твердения. Присутствие в структуре-дисперсных фаз приводит к улучшению показателей жаропрочности.

 

Сплавы «тинидур» и «нимоник» применяются в практике в деформированном, термически обработанном состоянии. Сплав «виталлиум» плохо поддается горячей обработке давлению, поэтому используется главным образом в литом состоянии; лопатки из этого сплава изготовляются методами прецизионного литья (по выплавляемым, моделям).

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.