Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

разрушения при кавитации вследствие проявления хрупкости хромистой

стали.

Наиболее высокую стойкость против разрушения при кавитации имеет

мартенсит. Уровень его сопротивления определяется либо содержанием

углерода в стали, либо выделением интерметаллидов из малоуглеродистого

мартенсита (например, сталь 00Х15Н9Ю). Кавитационная стойкость зависит

от количества образовавшегося мартенсита, а в случае малоуглеродистой

стали – от эффекта его дисперсионного твердения. Мартенситные стали

имеют длительный инкубационный период до начала разрушения. Однако

мартенситные стали хрупкие, поэтому их не применяют в качестве

кавитационно-стойких.

Существенный интерес представляет класс нестабильных аустенитных

сталей, поскольку в них может регулироваться кинетика и объём

мартенситных превращений. В качестве основного критерия выбора

кавитационно-стойких сталей следует считать структуру. Так как наиболее

устойчивой является структура мартенсита, то эти стали должны иметь

мартенсит. Для формирования мартенситной структуры, обладающей

высокой кавитационной стойкостью при соблюдении технологичности,

используют два метода:

1. Получение нестабильных твёрдых растворов (аустенита) на

хромомарганцевой основе, способных упрочняться в процессе эксплуатации

(за счёт образования мартенсита).

2. Получение безуглеродистого мартенсита с последующим старением

его при отпуске, способствующим повышению свойств (мартенситно-

стареющие сплавы).

В связи с этим используют мартенситно-стареющие стали. Их

особенность – высокое содержание никеля и низкое содержание углерода, в

результате при закалке получают мягкий безуглеродистый мартенсит.

Легирующие элементы подбирают так, чтобы в процессе старения при

распаде мартенсита образовались интерметаллиды Ni

(Al, Ti),

способствующие упрочнению.

Кавитационно-стойкая сталь 30Х10Г10. Сталь 30Х10Г10 обладает

высоким сопротивлением кавитационному воздействию. Это свойство стали

проявляется тем в большей степени, чем сильнее кавитационное воздействие.

Причиной высокой стойкости является мартенситная структура,

образующаяся на поверхности стали под влиянием гидравлических ударов.

Разрушение протекает равномерно по всей поверхности стальных деталей,

подвергающихся кавитационному воздействию. По мере разрушения

поверхностного слоя начинают «работать» новые слои металла, находящиеся

под коркой и подвергающиеся в свою очередь упрочнению. Данные,

полученные при испытании стали 30Х10Г10 на ударно-эрозионном стенде,

показывают, что стойкость этой стали в десятки и сотни раз превосходит

стойкость всех применяемых в гидротурбостроении сталей.

Результаты испытаний, проведённых в институте электросварки им. Е.О.

Патона, также свидетельствуют о высокой стойкости стали 30Х10Г10.

Потери в массе за 12 ч испытаний на ударно-эрозионном стенде оказались

следующими:

Марка стали 1Х18Н9Т 1Х18Н3Г3Д2 1Х13 30Х10Г10

Потери массы, мг 665 580 41 7

То есть сталь марки 30Х10Г10 может являться своеобразным эталоном

кавитационной стойкости, т.к. она имеет минимальные потери массы.

Способы борьбы с кавитационным разрушением. Неоднородность

структуры и различия в свойствах отдельных структурных составляющих

обусловливают избирательное разрушение в наиболее слабых местах. В

случае, когда сплав имеет гетерофазную структуру, более подверженной

разрушению может оказаться менее твёрдая фаза.

Повысить сопротивление кавитационному разрушению и эрозии можно

переходом к гомогенным однофазным сплавам, имеющим одинаковую

стойкость к разрушению во всех точках поверхности и обладающим высоким

коэффициентом деформационного упрочнения.

Конструктивные пути борьбы с кавитационным и эрозионным

разрушением ограничены. Подбор соответствующих параметров машин и

профиля деталей, контактирующих с потоком, не позволяет полностью

избежать разрушения. Поэтому важнейшим фактором, дающим возможность

решить проблему долговечности деталей машин, является правильный выбор

материалов. Предпочтительно использовать материалы с гомогенной

структурой, обладающие повышенной прочностью. Также применяются

поверхностные покрытия из хрома, никеля, меди, вольфрама, наносимые

методом электролиза. С целью повышения контактной прочности широко

используется поверхностная закалка токами высокой частоты. Особо важное

значение имеет выбор смазок, защита от абразивных частиц, охлаждение

узлов трения. Наиболее сложными деталями являются металлоёмкие лопасти

гидротурбин: они имеют большие габариты и толщину сечения.

Новые кавитационно-стойкие стали

Новые кавитационно-стойкие стали – это стали с нестабильным

аустенитом. Из них можно выделить хромомарганцевые и хромоникелевые

стали.

Мартенситное превращение аустенитных хромомарганцевых сталей

начинается при температурах ниже 0

С, развивается, но очень слабо, даже

при сильном переохлаждении образуется 10–15 % мартенсита (в литом,

кованом состоянии). При пластической деформации распад γ → α

происходит значительно интенсивнее (рис. 29).

0 10 20 30 ε, %

, %

Рис. 29 Влияние степени деформации на протекание мартенситного превращения в

стали 30Х10Г10

Если при закалке стали 30Х10Г10 получается структура чисто

аустенитная, то сочетание прочностных и пластических характеристик

наиболее удачно. Процесс карбидообразования при замедленном охлаждении

от температуры закалки снижает свойства стали.

Благоприятно влияют на улучшение свойств стали Ni, Ti, Nb, Zr, Ca, Ce,

Al. Однако такая сталь относится к труднообрабатываемым.

Кавитационная стойкость аустенитной стали с понижением содержания

никеля увеличивается, изменяется способность к упрочнению при

микроударном воздействии. Чем больше содержание никеля, тем меньше

содержание марганца и выше стабильность аустенита (твердого раствора).

Никель влияет и на пластическую деформацию.

На примере двух аустенитных сталей – 12Х18Н9Т и 30Х10Г10 – видно,

что точка начала мартенситного превращения М

у них разная: –70 и –

С соответственно. Большую стойкость и склонность к упрочнению имеет

сталь 30Х10Г10. Стойкость марганцовистого аустенита выше, чем

никелевого.

В условиях эксплуатации стали должны сочетать в себе кавитационную

стойкость, коррозионную стойкость и другие важные характеристики. Лучше

применять для этого стали с неустойчивым аустенитом, который способен во

время работы превращаться в мартенсит.

Разработаны теплоустойчивые немагнитные и коррозионно-стойкие

сплавы Х17АГ14, Х14Г14Н3, Х18АГ14 с пониженным содержанием

углерода и повышенным содержанием хрома.

СТАЛИ ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ.

Условия эксплуатации.

Особенности легирования, марки сталей и сплавов.

Основные свойства и температуры применения

К криогенным относят стали, используемые при изготовлении машин и

оборудования для получения, хранения и транспортирования сжиженных

газов с температурой кипения от –80 до –269

С. В связи со спецификой

применения к этим сталям предъявляют следующие требования:

высокая вязкость при отрицательных температурах (высокий запас

пластичности и вязкости при рабочих температурах, низкий порог

хладноломкости);

хорошие механические свойства;

свариваемость;

наличие определенных эксплуатационных свойств (коэффициент

теплового расширения, теплопроводность, удельная теплоемкость,

электрическое сопротивление, модуль упругости Е = 186–207 кН/мм

, даже

при –196

С);

механическая прочность, гарантируемая при комнатной температуре, и

характеристики пластичности – при отрицательных температурах. Порог

хладноломкости должен быть ниже рабочих температур, чтобы не

происходило охрупчивание. С понижением температуры возрастает

прочность, а пластичность и вязкость уменьшаются за счет снижения порога

хладноломкости, поэтому прочность гарантируют при комнатной

температуре, а вязкие свойства – при отрицательных температурах.

Механические свойства и работоспособность сталей, используемых при

низких температурах, зависят от многих факторов. К ним, прежде всего,

относятся тип кристаллической решетки, размер зерна и состояние его

границ, содержание легирующих элементов и примесей, форма, размер,

состав и количество неметаллических включений. Насыщение металла

водородом способствует охрупчиванию стали. Сварка повышает склонность

стали к росту зерна и дополнительному наводораживанию, что увеличивает

хладноломкость сварных соединений. Кроме того, нагрев при сварке может

способствовать протеканию фазовых превращений и выделению примесей по

границам зерен, что также повышает хрупкость стали.

Вязкость стали при низких температурах зависит от технологии

выплавки. При использовании вакуумирования, обработки жидкими

шлаками (электрошлакового переплава) вязкость растет. Это связано с

уменьшением количества неметаллических включений, понижением

концентрации вредных примесей и газов. Полное раскисление и введение

малых добавок ниобия, ванадия и титана способствуют измельчению зерна,

понижению прочности и вязкости стали

По хладостойкости выделяют:

1. Стали северного исполнения, сохраняющие механические свойства при

низких температурах (до 210 К) – это углеродистые и низкоуглеродистые

стали ф- и П-классов с ОЦК решеткой.

2. Стали и сплавы, сохраняющие вязкость и пластичность до 170 К, – это

низкоуглеродистые (до 0,2–0,3 % С) стали, легированные Ni, Cr

V, Ti, Mo.

3. Сплавы, предназначенные для работы при температуре 77 К (Т

кип

жидкого азота):

стали Cr–Ni – 12Х18Н10Т, ОН9А;

сплавы на основе Al, Ti, Cu;

стали Cr–Mn и Cr–Ni–Mn – 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ИС36),

07Х21Г7АН5 (ЭП222).

4. Сплавы, предназначенные для работы при температуре ниже 77 К

(материалы для космической техники, производства и транспортировки

водорода, экспериментальной физики) – это высоколегированные коррозионно-

стойкие сплавы типа 03Х20Н16АГ6, 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), (МСС),

некоторые бронзы, никелевые, алюминиевые и титановые сплавы.

В качестве криогенных применяют аустенитные стали (Cr–Ni, Cr–Mn,

Cr–Ni–Mn) и ферритные никелевые стали.

Требования:

1) высокая вязкость при «-» температурах ;

2) хорошие механические свойства. Механическая прочность гарантируется

при Т

комн

, а характеристики пластичности при отрицательных температурах.

Порог хладноломкости должен быть ниже рабочих температур, чтобы не

происходило охрупчивание.

3) свариваемость;

4) эксплуатационные свойства: коэффициент теплового расширения,

теплопроводность, удельная теплоемкость, электросопротивление, модуль

упругости. Е=186-207 кН/мм

Применение: криогенные стали можно использовать для аппаратуры и

изделий, работающих при низких температурах в:

1) холодильной технике;

2) химической, пищевой промышленности, для установок по окислению

углеводородов, температура кипения которых находится в интервале

от -42 до -161 ºС, сжиженного О

≈ -200 ºС;

3) ракетной технике для космических полетов, в энергетике,

электротехнике, ядерной физике (с температурой до 1,8 К). В

материалах для сосудов, установок, накопителей, трубопроводов;

4) аппаратуры для хранения, перевозки, получения сжиженных газов с

температурой кипения от -80 до -269 ºС.

По хладостойкости стали делят:

1. стали северного использования до 210К (сохраняют механические

свойства до низких температур это углеродистые и низколегированные

стали ферритных и перлитных классов с ОЦК решеткой)

2. стали и сплавы, сохраняющие вязкость и пластичность до 170К. Это

низкоуглеродистые (до 0,2-2-0,3 %С), легированные Ni, Cr, V, Ti, Mo

3. сплавы, работающие до 77К (Т

кип

жидкого азота)

стали Cr-Ni 12Х18Н10Т, 0Н9А,

сплавы на основе Al, Ti, Cu,

стали Cr-Mn и Cr-Ni-Mn : 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ЧС36),

07Х21Г7АН5 (ЭП222)

4. Сплавы, для работы ниже 77К, материалы для космической техники,

производства и транспортировки водорода, экспериментальной физике.

Это высоколегированные коррозионностойкие стали типа

03Х20Н16АГ6, 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), (МСС), некоторые бронзы, Ni,

Al сплавы, Тi сплавы.

Рассмотрим каждую из этих групп отдельно.

1 Группа. Малоперлитные стали.

Стали марок 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 14Г2ДСФ, 14Г2АФ и др.

Свойств сталей некоторых марок приведены в таблице 15.

Таблица 15

Механические свойства

Марка Вид

термической

обработки

МПа

0,2

МПа

δ,

KCU, при Т,К

293 233 203

09Г2С Состояние

поставки

480 330 21 0,6 0,4 0,3

14Г2АФ Нормализация

930°С

600 460 28 1,9 1,8 0,6

Механические свойства ограниченны толщиной проката.

Влияние легирующих элементов заключается в повышении

температуры хрупкости при увеличении содержания Cr > 1,5 %; повышении

прочности при введении Cu, Cr. Введение Ti, Nb способствует упрочнению и

уменьшению размера зерна. При введении Mn до 2 % и Si до 0,8%

происходит упрочнение феррита. Содержание С (0,1%) способствует

увеличению температуры хрупкости на 20°С, что не желательно. V, Al

способствуют упрочнению за счет образования нитридов, уменьшают размер

зерна и увеличивают прочность. Ni упрочняет феррит и увеличивает его

вязкость. Мо до 0,5% уменьшает температуру хрупкости.

Отрицательно влияют на свойства примеси: Р способствует

охрупчиванию, S усиливает концентрацию напряжений.

2 Группа. Ферритные стали.

Это стали с малым содержанием 0,06% С, и содержанием до 9% Ni и

небольшими добавками других легирующих элементов. Такие стали дешевы,

технологичны. Изменяя содержание никеля можно влиять на порог

хладостойкости.

Расчет ведут по порогу хладостойкости Т

(50% вязкой составляющей

и 50% хрупкой составляющей). В таблице 16 приведены температуры

применения ферритных сталей.

Таблица 16

Температуры применения ферритных сталей, °С

Вид нагружения Марки

НЗА

ОН6А

ОН9А

статическое 150 90 77

динаммческое

220

170

140

Термическая обработка идет по двум режимам:

1. Нормализация 900°С и 800°С, отпуск 600°С с охлаждением на

воздухе.

2. Закалка 830°С с охлаждением в воде, отпуск 580°С с охлаждением в

воде или на воздухе.

После термической обработки стали имеют структуру (феррит +

остаточный аустенит + карбиды).

Механические свойства некоторых сталей приведены в таблице 17.

Таблица 17

Механические свойства

Марка Т, °К

, МПа σ

0,2

, МПа

δ,% Ψ, % KCU,

МДж/м

ОН3А

293

550

450

1,5

0,4

ОН6А 293-77 600-900 450-750 25-22 70-60 1,5-0,8

ОН9А

293

650

1000

480

850

1,8

1,0

3 Группа. Аустенитные стали – стабильные.

Эти стали хорошо деформируются, обладают высокой вязкостью в

условиях повышенных, комнатных, при отрицательных температурах. Для

получения стабильной структуры стали необходимо легировать элементами,

понижающими температуру М

. В этих сталях α→γ превращение протекает в

2 стадии. При содержании Cr > 15,5%, Ni= 9 %, и небольшом содержании

Mn, при температуре -10°С идет превращение γ→ α через образование

ε-мартенсита (γ→ ε→ α), оно протекает тем полнее, чем ниже содержание С

и N в твердом растворе, т.е. чем ниже температура М

; тем выше степень

пластической деформации и ниже ее температура.

ε-мартенсит изоморфен. Деформация стали в этом состоянии

способствует понижению предела текучести и повышению ударной вязкости.

Считают, что ε-мартенсит присутствует в закаленном состоянии и

деформация в интервале температур М

-М

способствуют проявлению

эффекта сверхпластичности. Часть никеля можно заменять азотом, что

способствует снижению стоимости стали и повышению вязкости

разрушения.

Стали с нестабильным аустенитом имеют предел текучести выше, чем

у стали со стабильным аустенитом.

4 Группа. Железоникелевые сплавы.

Для изготовления узлов криогенных установок, размеры которых не

должны меняться при изменении температуры, применяют сплавы типа

инвар (Н36). Жесткозакрепленные трубопроводы сложной формы имеют

малую величину коэффициента линейного расширения (α), что позволяет

снизить предел прочности и предотвратить разрушение труб при рабочих

температурах до 20°К.

Инвары – это ферромагнитные сплавы, которые не упрочняются

термической обработкой и мало упрочняются пластической деформацией.

Инвар имеет низкую теплопроводность.

Прочностные свойства инвара небольшие: σ

≈420 МПа, σ

≈240 МПа.

При охлаждении до 20°К, σ

0,2

увеличивается в 3 раза, σ

увеличивается в 2

раза. Модуль упругости при 293°К равен Е=1,45*10

МПа. Ударная вязкость

уменьшается с понижением температуры, но остается достаточно высокой до

температуры 4°К. Дополнительное легирование инвара Nb, Ta, Ti, Mo

повышает коэффициент линейного расширения.

По сравнению с аустенитной сталью инвар имеет пониженную

коррозионную стойкость, но скорость коррозии, в 5-6 раз меньше, чем у

углеродистых сталей.

Термическая обработка инвара заключается в:

- закалке от 840°С с охлаждением в воде,

- отпуске при 315°С,

- старении при 100°С (50-100 часов).

Свариваются сплавы удовлетворительно.

Таким образом, рассмотренные сплавы используют как износостойкие

и материалы для нужд низкотемпературной техники.

Лекция № 11.

План лекции:

Стали повышенной обрабатываемости.

Рельсовые стали.

СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ.

Легирование и влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Термическая обработка для получения необходимой структуры.

Обработка резанием — основной способ изготовления большинства

деталей машин и приборов. С улучшением обрабатываемости сталей

возрастает производительность их обработки. Особое значение это имеет для

массового производства, где широко применяются автоматические линии.

Обрабатываемость оценивают по интенсивности изнашивания

режущего инструмента. Количественная характеристика этого показателя —

максимально допустимая скорость резания, соответствующая определенной

степени износа или данной стойкости инструмента. К дополнительным

показателям относят чистоту поверхности резания, форму стружки и

легкость ее отвода. Обрабатываемость стали зависит от ее

механических свойств, теплопроводности, микроструктуры и химического

состава.

Связь между обрабатываемостью и механическими свойствами

неоднозначная. Допустимая скорость резания снижается с увеличением

твердости и прочности стали, поскольку возрастают усилия резания и

температура нагрева инструмента, вызывающая разупрочнение его режущей

кромки и снижение стойкости. Обработка слишком пластичных сталей

затруднена, вследствие образования сплошной трудноломающейся стружки,

которая, непрерывно скользя по передней поверхности инструмента,

нагревает и интенсивно изнашивает ее. Кроме того, на режущей кромке

инструмента из-за налипания металла возникает нарост, в результате чего

поверхность получается шероховатой с задирами.

Особенно плохой обрабатываемостью отличаются аустенитные стали,

которые кроме высокой пластичности и вязкости имеют пониженную

теплопроводность. Выделяющаяся при их обработке теплота

концентрируется в зоне резания, снижая стойкость инструмента.

Повышение обрабатываемости резанием достигается

технологическими и металлургическими приемами. К технологическим

относятся термическая обработка и наклеп. Заготовки среднеуглеродистых

сталей подвергают нормализации, так как при этом формируется наиболее

благоприятная для обработки структура, состоящая из феррита и