Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция № 9.

План лекции:

Износостойкие стали.

Графитизированная сталь.

ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ.

Определение.

Виды износа материалов.

Сталь Гадфильда. Сопротивление износу в зависимости от условий

эксплуатации.

Структура стали. Термическая обработка.

Изменение свойств при эксплуатации.

Износостойкие аустенитные стали применяют для деталей,

работающих на износ в условиях абразивного трения, высоких давлений и

ударов (например, для траков некоторых гусеничных машин, щек дробилок,

черпаков землечерпальных машин, крестовин железнодорожных и

трамвайных путей).

Износ деталей машин и аппаратов может осуществляться трением

металлических деталей друг о друга и воздействием внешней среды –

потоком жидкости или газа, царапаньем твердых частиц о поверхность

детали.

Существуют следующие виды износа: абразивный, ударный,

кавитационный и эрозионный.

Механизм износа различен и зависит от условий износа. При обычном

трении металл наклепывается, и сопротивляемость его истиранию

возрастает. При абразивном износе, когда твердые частицы абразива

вырывают мельчайшие кусочки металла, стойкость против износа будет

определяться сопротивлением металла хрупкому разрушению и его

твердостью. В агрессивных средах износостойкость стали зависит от

коррозионной стойкости материала.

Стойкость против абразивного износа возрастает с увеличением

твердости изнашиваемого материала. Повышает износостойкость

поверхностная термическая и химико-термическая обработка: поверхностная

закалка, цементация, азотирование и т.д. Максимальная износостойкость

отличается у сталей со структурой М + К (карбиды).

При одинаковой твердости сталь с крупнозернистой структурой менее

износостойка, чем мелкозернистая.

Включения графита снижают механические свойства, повышают

износостойкость, а при трении выполняют роль смазки: выходят на

поверхность трения, образуя тонкие пластинки, которые заполняют

неровности трущихся поверхностей, т.е. предотвращают сухое трение

металла о металл.

Для изготовления многих изделий, работающих в условиях истирания

(для ряда деталей металлургического оборудования), применяют сталь

Гадфильда (110Г13Л). Главным достоинством стали является то, что в ней

сочетаются износостойкость при ударном нагружении с высокой

пластичностью и вязкостью, свойственной аустениту. Отливки нагревают

до 950

С (при содержании 1 % С) или до 1 000–1 050

С (при – 1,2 % С), а

затем охлаждают в воде. Цель закалки – перевести в твердый раствор

карбиды и получить чисто аустенитную структуру, тем самым устранив

охрупчивание стали. Охлаждение должно быть ускоренным в интервале 850–

800

С. Перегрев при термической обработке ведет к укрупнению зерна, что

понижает вязкость и износостойкость стали. Отпуск при 300–400

вызывает частичный распад аустенита и выделение из него карбидов. Чем

выше температура отпуска стали, тем больше ее твердость, а следовательно,

хрупкость стали восстанавливается (рис. 26).

Рис. 26 Влияние режима отпуска на твердость стали

Высокая износоустойчивость стали 110Г13Л объясняется тем, что на

работающей поверхности происходит пластическая деформация, вызывая

упрочнение поверхности за счет образования мартенсита. Как показывают

исследования, причиной упрочения также являются выделяющиеся из

аустенита упрочняющие фазы. При температуре деформации 170–200

С из

аустенита выпадают карбиды цементитного типа, которым приписывается

упрочняющее действие.

Высокомарганцовистая сталь аустенитного класса 110Г13Л содержит 13

% Mn и 1,2 % С. Применяют эту сталь в литом и реже в деформированном

состоянии.

Структура стали 110Г13Л в литом состоянии состоит из аустенита и

избыточных карбидов (Fe,Mn)

C. Выделение карбидов по границам зерен

снижает прочность и вязкость стали. После закалки от 1 050–1 100

С в воде в

стали образуется структура устойчивого аустенита. Этот аустенит обладает

HRC

следующими механическими свойствами: σ

= 800–1 000 ΜПа, σ

0,2

= 260–390

ΜПа, δ = 50–40 %, ψ = 50–40 %, твердость – 180–220 HB.

Сталь 110Г13Л сильно упрочняется под действием холодной

деформации (рис. 27), за счет образования в поверхностном слое мартенсита.

По мере изнашивания мартенсита в поверхностном слое он образуется в

нижних слоях.

Рис. 27. Влияние степени металлической деформации

на твердость

Высокая упрочняемость стали Гадфильда при пластической деформации

обусловлена тем, что деформация осуществляется путем механического

двойникования аустенита. Двойники являются барьерами при движении

дислокаций, но они приводят к релаксации внутренних напряжений σ,

предотвращая локализацию пластической деформации и образование

трещин.

Если эксплуатация стали происходит в условиях значительных давлений

и ударных нагрузок, то твердость стали повышается в результате наклепа

аустенита и превращения γ → α, что увеличивает износостойкость.

Главный недостаток стали 110Г13Л – плохая обрабатываемость

резанием. Сталь Гадфильда не рекомендуется применять как строительную,

т.к. она имеет низкий предел текучести.

Сталь 110Г13Л используют для изготовления черпаков землеройных

машин, щек дробилок, траков гусеничных машин и крестовин рельсов.

При выборе сталей и сплавов в конструкциях, деталях машин и

механизмов необходимо учитывать условия эксплуатации, нагрузки,

экономическую целесообразность и их свойства.

ГРАФИТИЗИРОВАННАЯ СТАЛЬ.

Легирование для получения необходимой структуры. Марки. Свойства.

Термическая обработка. ГОСТ 9045-80. Применение.

Одним из материалов, обладающих устойчивостью против износа. Стали

содержат большое количество углерода и кремния, легирование которым

способствует графитизации. Графит образуется при частичном разложении

цементита. Химический состав некоторых сталей приведен в таблице 13.

Таблица 13

Состав графитизированных сталей, %

Марка стали С

Мп

Другие

элементы

ЭИ293

1,5

1,75

0,75

0,95

0,2

0,4

ЭИ336

1,5

1,70

0,70

1,0

0,15

0,4

0,7Си

ЭИ366

1,3

1,45

1,60

1,25

0,4

0,5

0,2

0,4Т1

В литом горячекатаном состоянии стали имеют структуру

пластинчатого перлита с избыточными карбидами. Для получения графита

проводят графитизирующий отжиг. При этом пластичатый перлит переводят в

зернистый для улучшения обрабатываемости. Режим обработки в общем

аналогичен режиму графитизирующего отжига ковкого чугуна и заключается в

нагреве до 820-840°С с выдержкой около 5ч, охлаждения до 700-720 °С,

выдержке 5-15ч при этой температуре для частичной графитизации

избыточного цементита. Дальнейшее охлаждение до 600 °С - с печью, а от 600

°С — на воздухе.

После такой обработки структура стали состоит из зернистого перлита с

некоторым количеством мелких округлых (точечных) графитных включений.

Детали из графитизируемой стали можно применять в отожженном

состоянии и после закалки с отпуском.

Отожженная графитизированная сталь превосходит по прочности

высокопрочный чугун и обычную конструкционную углеродистую сталь (в

нормализированном состоянии), уступая последней по пластичности, как

видно из таблицы сравнения свойств сталей и чугуна (таблица 14).

Таблица 14

Сравнение свойств сталей и чугуна

материал а в, Мпа а, %

Графитизированная сталь 850 6

Сталь 50

600

Высокопрочный чугун 400 10

Термически обработанную графитизированную сталь применяют для

холодных штампов, калибров, траков и других деталей, подвергающихся в работе

большим давлениям и износу. В отожженном состоянии

графитизированнзпю сталь применяют как заменитель цветных металлов —

латуни и бронзы.

Из графитизированной стали изготавливают литые коленчатые валы.

Наличие графита повышает склонность стали к затуханию колебаний. А ее

недостаточная прочность может быть компенсирована конструктивно- более

выгодной формой отливок, чем поковки.

Лекция № 10.

План лекции:

Кавитационно-стойкие стали.

Стали для криогенной техники.

КАВИТАЦИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ.

Понятие и виды кавитации. Способы ее определения. Условия работы.

Упрочнения при кавитации.

Основные классы сталей (по структуре), применяемые в качестве

кавитационно-стойких. Марки сталей.

Новейшие кавитационно-стойкие стали.

Многие детали машин, работающие в контакте с быстротекущим

потоком жидкостей (например, судовые гребные винты, лопасти насосов,

системы охлаждения различных агрегатов и т.п.), подвергаются

кавитационной эрозии. Под воздействием многократных гидравлических

ударов, локализованных в микрообъемах поверхности, происходит

пластическая деформация, а затем и разрушение, эрозия металла.

Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному

упрочнению использована при разработке хромомарганцевых нестабильных

аустенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью.

Кавитационная стойкость находится в прямой зависимости от

способности стали к упрочнению в процессе внешнего воздействия рабочей

среды. Роль мартенситных превращений в повышении кавитационной

стойкости заключается не только в том, что кристаллы мартенсита создают

высокий уровень упрочнения и обладают значительным сопротивлением

разрушению, но и в том, что в процессе мартенситного превращения

происходит релаксация напряжений. Мартенсит деформации отличается от

мартенсита закалки большей дисперсностью и прочностью кристаллов.

Кавитацию можно определить несколькими методами:

акустическим – по появлению кавитационного шума;

оптическим – при помощи съемки;

электрическим – по изменению проводимости;

гидродинамическим – по изменению обтекания, сопротивления

обтеканию;

химическим – по усилению реакций;

механическим – по разрушению.

Механическим методом пользуются для определения стойкости

материалов, работающих в условиях разрушения. Степень разрушения в

лабораторных условиях устанавливают по изменению массы образца на

ударно-эрозионном стенде. Здесь происходит соударение металла и струи

воды. Глубина разрушенного слоя может изменяться в зависимости от класса

стали, например, для стабильного аустенита (сталь марки 0Х18Н9Т) она

меньше, чем для стали переходного класса (сталь марки 30Х10Г10).

Обычно при кавитационном воздействии на поверхности всегда

обнаруживают упрочнение. Характер упрочнения зависит от времени

нагружения, многократности действия и глубины проникновения. Кинетика

упрочнения для разных материалов различна: для одних – интенсивное

упрочнение и резкое насыщение, для других – вялая кинетика и небольшое

постоянное упрочнение.

Механизм кавитационного разрушения

Процесс кавитации можно представить как возникновение пузырьков

пара или газа в тех областях потока, где давление паров жидкости ниже

соответствующего данной температуре, и их уничтожение (аннигиляция) в

областях повышенного давления. Таким образом, в скоростном потоке

жидкости происходит непрерывный процесс образования газовых пузырьков

и их дальнейшее исчезновение. Кавитационное разрушение – это следствие

механического нагружения микроударного типа, химического, теплового и

электрического воздействия кавитационной зоны на металлическую

поверхность.

Существенную роль в возникновении и развитии кавитации играет

состояние поверхности твёрдого тела, контактирующего с жидкостью.

Конфигурация и шероховатость поверхности твёрдого тела определяют

завихрённость потока жидкости, прилипание пузырей к поверхности,

смывание и замыкание их. Поэтому обычно стремятся к получению более

гладких поверхностей, для чего проводят шлифование и полировку деталей,

контактирующих с потоком.

Газовый поток, контактирующий с металлом, может вызвать эрозию его

поверхности. В этом случае разница в воздействии скоростного газового

потока на металл, по сравнению с жидкостью, будет определяться разницей

плотностей сред. Плотность газа значительно меньше плотности жидкости,

поэтому для разрушения поверхности металла требуются более высокие

скорости газа и более длительное воздействие среды.

Кавитация наблюдается не только в воде и растворах электролитов, но и

в расплавах легкоплавких металлов, причем механизм и кинетика

разрушения в этом случае существенно меняются, что связано с физико-

химическими свойствами среды и высокой температурой. При смыкании

кавитационных пузырьков в расплавах выделяется в несколько раз больше

энергии, чем в воде, соответственно, возрастает разрушающее действие

кавитационной зоны. Так кавитационное разрушение в ртути происходит в

10–20 раз быстрее, чем в воде. Поверхностно-активные вещества (ПАВ)

двояко влияют на кинетику кавитационного разрушения, а именно:

уменьшают микроударное воздействие, создавая на поверхности

гидрофобный слой-буфер;

облегчают деформацию и разрушение за счет проявления эффекта

адсорбционного понижения прочности и пластичности (эффект Ребиндера).

Установлено, что влияние ПАВ зависит от интенсивности

кавитационного воздействия: при высокой интенсивности добавки ПАВ

ускоряют разрушение, а при невысокой – несколько уменьшают скорость

разрушения.

Испытания на кавитационную стойкость

Поскольку кавитационное разрушение имеет специфический характер и

природа этого явления очень сложна и многообразна, оценить сопротивление

металлов и сплавов кавитационному воздействию можно лишь с помощью

сравнительных испытаний.

В зависимости от условий возникновения кавитационной эрозии при

эксплуатации желательно проводить испытания с возможно более полной

имитацией реальных параметров работы деталей: свойств среды,

температуры и ресурса испытаний. Кавитационную стойкость оценивают по

потерям массы ∆m, г, образцов после определенного времени испытания,

отнесенным к единице площади поверхности S, мм

, т.е. ∆m/S, или при

сравнительных испытаниях однотипных образцов – просто по весовым

показателям ∆m.

При определении сопротивления материалов кавитационному

воздействию исследуют внешний вид разрушения и проводят

микроструктурное изучение испытуемой поверхности (желательно в местах

разрушения). Для оценки применяют и такие показатели, как глубина

разрушения и глубина упрочнения, которые устанавливают при изучении

поперечного сечения образцов или методами поэтапного стравливания.

Кавитационную стойкость деталей, работающих под действием внешней

нагрузки или при ползучести, характеризуют с помощью скорости

ползучести в условиях кавитационного воздействия, времени до разрушения

и пластичности. Для оценки влияния кавитационных повреждений на уровне

механических свойств последние определяют либо после некоторого

времени кавитационного воздействия на рабочую зону образца, либо

непосредственно в процессе кавитационного нагружения.

Требования к кавитационно-стойким сплавам

К сталям, применяемым для гидротурбин, насосов, гребных винтов,

предъявляют примерно одинаковые требования по кавитационной стойкости.

Поскольку гидротурбостроение является главным потребителем

кавитационных сталей, целесообразно рассмотреть стали, используемые для

изготовления лопастей гидротурбин.

Наибольшее распространение в ХХ в. получила углеродистая сталь 30Л.

Эта сталь технологична, но имеет низкие кавитационную стойкость и

механические свойства, а также плохо сопротивляется коррозии.

Эксплуатация показала, что уже после 2–4 тыс. ч на лопастях

обнаруживается разрушение, очень быстро прогрессирующее. Это

обусловлено гетерогенностью структуры (феррит, перлит). Были

исследованы низколегированные стали, которые, конечно, не смогли

превысить кавитационную стойкость углеродистых сталей. Плохая

кавитационная стойкость углеродистых и низколегированных сталей

заставила искать новые материалы, обладающие значительно более высоким

сопротивлением кавитационной эрозии.

Были созданы нержавеющие стали, т.к. считалось, что главным

фактором, способствующим разрушению сталей, работающих в данных

условиях, является коррозия. Исследовали стали типа 25Х14НЛ, 20Х13НЛ,

0Х12НДЛ. Все эти стали обладали примерно одинаковой кавитационной

стойкостью и технологичностью. Попытка улучшить их путём повышения

содержания никеля до 2, а затем и до 3 % не дала положительных

результатов, как с точки зрения коррозионной стойкости, так и

сопротивления кавитации. Кавитационная стойкость не повышается

вследствие того, что увеличение содержания никеля не выводит хромистую

сталь из феррито-мартенситного класса, к которому она принадлежит.

Оптимальные результаты могут быть получены только при структуре,

отвечающей мартенситному или мартенситно-стареющему классу стали. В

хромистых же сталях типа 0Х12НДЛ сложная термическая обработка

приводит к структурам ферритокарбидной смеси, не обладающей

кавитационно-стойкими свойствами.

Кроме этих сталей, в настоящее время для защиты проточной части

гидротурбин от кавитационного воздействия широко применяется

аустенитная хромоникелевая сталь 1Х18Н9Т. По сопротивлению

кавитационной эрозии она практически не отличается от хромистой

нержавеющей стали. Можно сделать вывод, что углеродистые стали в

последнее время заменяются нержавеющими, которые имеют большую

долговечность, чем простые углеродистые.

При выборе нержавеющих сталей считают, что более высокое

сопротивление их коррозии должно обеспечить и высокое сопротивление

кавитационной эрозии. Однако опыт показывает, что применяемые стали не

обладают высоким сопротивлением кавитационному разрушению.

Высокая способность марганцевого аустенита к деформационному

упрочнению была использована при разработке хромомарганцевых

нестабильных аустенитных сталей с высокой кавитационной стойкостью.

И.Н. Богачёв с сотрудниками показали, что наибольшим сопротивлением

кавитационному воздействию обладают метастабильные аустенитные стали

на хромомарганцевой основе (30Х10Г10, 0Х14АГ12), которые под влиянием

внешней нагрузки претерпевают мартенситное превращение.

Равномерная деформация и разрушение поверхностного слоя сталей с

метастабильным аустенитом приводят к тому, что на поверхность выступает

новый слой, в котором под действием гидравлических ударов снова

образуется мартенсит. Многократное повторение этого процесса

обусловливает очень медленное развитие разрушения, т.е. высокую

эксплуатационную стойкость. Повышенная способность к упрочнению

хромомарганцевых метастабильных аустенитных сталей предопределяет

значительно более высокую кавитационную стойкость этих сталей по

сравнению со сталью 08Х18Н8, стабильной в данных условиях воздействия

(рис. 28).

∆m НВ, МПа h, мкм

0 1 2 3 4 5 τ, ч 0 30 90 150 τ, мин 0 15 30 45 τ, мин

а б в

Рис. 28. Потеря массы (а), измерений твёрдости поверхности (б) и глубины наклёпанного

слоя (в) образцов сталей 30Х10Г10 (1) и 08Х18Н8 (2) в процессе кавитационного

воздействия

Принцип метастабильного аустенита лежит в основе повышения

стойкости при абразивно-ударном воздействии.

Выбор кавитационно-стойких сплавов

При кавитационном воздействии приложение нагрузки является

локальным. Поверхность, на которую приходится гидравлический удар,

составляет 10

-5

мм

. Поскольку кавитационное разрушение имеет

микроударный характер, важнейшую роль играет изучение особенностей

упрочнения, пластической деформации и разрушения поверхностных слоёв

металла при кавитации. Наименьшая способность к упрочнению, а

следовательно, и низкая стойкость при кавитационном воздействии

отмечается у α-железа (феррита). Присутствие феррита в стали, которая

должна быть кавитационно-стойкой, является нежелательным.

Сопротивление микроударным разрушениям феррита может быть в

некоторой степени повышено дисперсионным твердением, однако оно не

может в значительной степени изменить стойкость феррита против