Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ко

те

де

по

пр

по

кр

со

мг

ко

ск

ха

ус

за

на

пр

За

пр

ко сцисс

определяется температурой испытания

(рис. 165, б).

301

Под условным пределом ползучести понимают напряжение,

торое вызывает за установленное время испытания при данной

мпературе заданное удлинение образца или заданную скорость

фор ести

мации (ползуч ).

Для определения предела ползучести испытуемый образец

течение длительного времени подвергают воздействию

сто

янного растягивающего усилия и постоянной температуры

и фиксировании деформации образца во времени.

Процесс испытания представляют в виде первичной кривой

лзучести в координатах удлинение — время (рис. 165). На

ивых ползучести (рис. 165, а) можно отметить участок оа,

ответствующий упругой и пластической деформации, вызванной

нов т

енным приложением нагрузки; затем следуе участок ab, на

тором металл деформируется с неравномерной и замедляющейся

оростью (стадия неустановившейся ползучести), и участок bc,

рактеризующий

равномерную скорость ползучести (стадия

тановившейся ползучести).

На основании полученных кривых ползучести строят

висимость между напряжением и удлинением или между

пряжением и средней равномерной скоростью ползучести на

ямолинейном участке в логарифмической системе координат.

висимость между средней равномерной скоростью ползучести и

иложенным напряжением в логарифмической системе

ординат имеет вид прямой, угол наклона которой к оси аб

По заданной скорости деформации в период равномерной

ползучести можно по диаграмме определить условный предел

ползучести.

Предел ползучести обозначают (ГОСТ 3248—81) σ

числовыми индексами, например σ

700

0,2/100

— предел ползучести

при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания

температуре 700 °С. При этом необходимо указать,

определялся предел ползучести — по суммарной или остаточн

деформации. В случае определения по скорости ползучести предел

ползучести обозначают σ с двумя числовыми индексами. Ниж

индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний

температуру испытания, °

С; например σ

600

-5

— предел ползучест

при скорости ползучести 10

-5

%/ч при температуре 600 °С.

Испытание на длительную прочность отличается от испытан

на ползучесть тем, что испытуемый образец доводят при данной

температуре и напряжении до разрушения. В результате

испытания определяют предел длительной прочности, т.

наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла

определенное время при постоянной температуре (ГОСТ 10145—

81). Предел длительной прочности обозначается σ с дву

числовыми

индексами, например σ

700

1000

— предел длительной

прочности за 1000 ч при температуре 700 °С. В логарифмическ

координатах зависимость между напряжением и временем

при

как

ой

ний

—

ия

е.

за

мя

их

до

разрушения представляет собой прямую линию (рис. 165, в). Это

позволяет для ряда сплавов экспериментально построенные

кривые олж

л у

для прод ительности 700—1000 ч экстраполировать на

значительно большую длительность (10 000—100 000 ч).

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов

составляют примерно (0,45—0,8) Т

. Требуемые сроки службы

жаропрочных сплавов изменяются от 1—2 ч (ракеты) до сотен

( виационные газовые турбины) и многих тысяч часов

(стационарные газовые и паровые турбины).

При температурах ниже (0,45—0,5) Т

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

(ваканс аций, дислок ий и т. д.) егко протекают дифф зионные

процессы. Когда напряжения отсутствуют, диффузионные

перемещения пограничных атомов не имеют направленного

характера. При наличии даже небольших напряжений эти

перемещения атомов

, осо-

— температура плавления.

302

бен ета

п оисходят перемещения одного зерна относительно

дру е

д п с

(

выс

с с

температура

обладающие

ы р м

т сплавы на основе железа, если содержание его

303

но на границах зерен, приобр ют направленный

арактер, что способствует ползучести металла. В процессе

олзучести пр

гого вдоль поверхности их раздела, так называемо

роскальзывание. Такой механизм пластической деформации

азывают диффузионной пластичностью в отличие от сдвиговой по

бъему зерна, описанной ранее.

Таким образом, если при низких температурах границы зерен

ормозят движение дислокаций и упрочняют сплав, то при

ысоких температурах, наоборот, способствуют ускоренному

азупрочнению поликристаллических металлов. Более крупное

ерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом

ластичность часто снижается.

Жаропрочность стали и других металлических сплавов в

ильной степени зависит от величины межатомной связи, а

акже от их структурного состояния. Жаропрочность тем выше,

ем выше межатомные силы связи в кристаллической решетке

еталла, на базе которого построен сплав. В первом

риближении можно считать, что чем выше температура плавления

еталла, тем больше сила

межатомных связей и выше

емпературный уровень применения этих сплавов.

Повышение жаропрочности достигается легированием

вердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи

ежду атомами, в результате чего процессы диффузии и

амодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации

озрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей

з вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен

исп к ерсных арбидных, и особенно интерметаллидных, фаз,

огерентно связанных с матрицей

длительное время. Такая

труктура получается в результате закалки с высоких температур

последующего старения. Наличие равномерно распределенных

исперсных избыточных фаз затрудняет ластиче кую

еформацию при высоких температурах.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах

до 700—950 °С) создают на основе железа, никеля и кобальта,

для работы при очень высоких температурах (до 1200—1500 °С)—

а основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря

равнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью

ругих жаропрочных сплавов) широко применяют в

окотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных

талей 500—750 °С. При температурах до 600 °С чаще используют

тали на основе α-твердого ра твора, а при более высоких

х — стали на основе аустенитной структуры,

более

в сокой жароп очностью

. Че сложнее по

оставу стали, тем выше леги-

К жаропрочным сталям относя

ревышает 50 %.

ую е ги е т

ых долях процента. Механические

МПа, σ

0,2

= 220÷280 МПа, δ =

= 24÷19 %. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и

ни

тветственных, паропроводных и пароперегре-

вательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют

304

рованность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем

выше их жаропрочность.

Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и

узлов энергетических установок, работающих длительное

вр 0 не 50емя (10 000—20 000 ч) при температурах выше 0—580 °С,

подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных,

использ т углеродисты и низколе рованны еплоустойчивые

стали перлитного класса (табл. 12).

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 десят

свойства сталей: σ

= 360÷490

же пластичность.

Для более о

низколегированные стали, содержащие Сr, V, Мо и Nb (ГОСТ

20072—74).

Легирующие элементы, находясь в твердом растворе феррита

трудняют диффузионные процессы, повышают температуру

екристаллизации, вызывают дисперсионное твердение

формируют в процессе γ

за

р ,

⇔

α превращения субструктуру

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 (см. табл. 12)

достигаются после закалки и высокого отпуска. Температур

отпуска должна быть выше рабочей, чаще 660—700 °

С. В процессе

эксплуатации сталей протекают процессы коагуляции карбидов

С, образование карбидов типа М

и М

С и твердый раствор

обедняется молибденом. Все это снижает механические свойства

Для котельных установок, работающих при температуре 560 °С

давлении 25,5 МПа чаще применяется сталь 12Х1МФ, обладающая

орошими технологическими свойствами и хорошей

теплостойкостью (σ

560

= 140 МПа и σ

560

= 110 МПа).

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов

Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установо

лопатки, крепежные детали, трубы и т. д.) применяю

высокохромистые (8—13 % Сr) стали, добавочно

легированные W, Мо, V, Nb и В (см. табл. 12). Эти стали

помимо более высокого значения длительной прочности

обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержани

хрома

они относятся или к мартен-ситному (до 10—11 % Сr) или

( .

( т

мартенситно-ферритному (11— 13 % Сr) классу. Структура этих

сталей состоит из мартенсита, δ-феррита, карбидов типа М

С , М С,

д ения твердого раствора, образования

карб

к элементов должно быть

огра

н ения карбидов М

С и М С в аустените.

Бол

305

23 6 6

С, МС и фазы Лавеса — Fe

W (Fe

Mo). Высокая жаропрочность

остигается за счет упрочн

идов и интерметал-лидных фаз. Наиболее сильно повышают

аропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом.

егирование стали бором, цирконием, церием и азотом

ополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие

емпературы этих сталей могут достигать 580—600 °С. Однако

оличество ферритообразующих

ничено, в

противном случае сталь может стать

олуферритной, что снизит жаропрочность.

Стали применяются после закалки и последующего отпуска

ри 650—750 °С. Для изготовления рабочих лопаток паровых

турбин широко используется сталь мартенситного класса 15Х11МФ,

которая проходит закалку на воздухе (масле) от 1050—1100°С

отпуск при 680—750 °С. Высокие температуры закалки

еобходимы для раствор

23 6 6

ее высокие температуры закалки приводят к образованию в

трук-

туре большого количества δ-феррита, снижающего прочность.

После отпуска структура сталей — сорбит. Предел длительной

в горячедеформ

и ор и

уб.

емнистые стали мартенситного класса,

рочности стали 15Х11МФ при 550 °С σ

= 150÷170 МПа. Стали

поступают виде сортового проката — ирован-ного

толстого листа горячедеф мированных ил холодно-и

теплодеформированных тр

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания

применяют хромокр

олучившие название сильхромов. Наиболее известны

сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М (0,7—0,9 % Мо). Эти стали при

нагреве и охлаждении испытывают полную фазовую

перекристаллизаци α

⇔

γ Стали приме яют после закалки в

масле от 1000—1050 °С и отпуска при 720—780 °С для стали

40Х10С2М) и при 800 °С (для стали 40X9C2) с охлаждением на

воздухе или в воде. Нагрев под закалку до более высоких

температур приводит к сильному росту зерна и грубому

кристаллическому (нафталинистому) излому. Медленное

охлаждение в

интервале температур 450—600 °С вызывает

охрупчивание сильхромов. Хрупкость может быть устранена

повторным нагревом до 750—800 °С. При нагреве выше 500—

600 °C прочность сильхромов резко падает. Поэтому в

форсирова х двигателях и дизелях вм о льхромов

применяют жаропрочные аустенитные стали.

. н

(

нны ест си

В ли

й м н

н л е а

) тв оры е ст

ь ы C

.),

С ,

твердые растворы с

ин

Н18В2БР и 09Х14Н19В2БР, предназначенные для

изготовления паропере-

306

Стали аустенитного класса. Для получения структуры

аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома,

никеля и марганца. Для достижения высокой аропрочности их

дополнительно легируют Mo, W, V, Nb и . Эти ста применяют

для деталей, работающих при 500—750 °С. Жаропрочность ау-

стенитных стале выше, че жаропрочность перлит ых, мартен-

ситных, мартенситно-ферритных и ферритных.

Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, однако

по сравнению с перлитными и мартенситными обработка их

резанием затруднена. Сварной шов аустенитных сталей при

наличии крупного зерна обладает повышенной хрупкостью.

Полученное при перегреве крупное зерно вследствие отсутствия γ

⇔ α-превращения термической обработкой измельчено быть не

может.

Аустенит ые ста и по способу упрочн ния подр зделяют на

три группы: 1 ердые раств , не упрочняемы арением;

2) твердые растворы с карбидным упрочнением; в этом случае

упрочняющими фазами могут быт как первичн е (TiC, V , ZrC,

NbC и др так и вторичные карбиды (М

23 6

, М

С М

выделяющиеся из твердого раствора; 3)

терметал-лидным упрочнением. Чаще в этих сталях

упрочняющей фазой является γ'-фаза типа Ni

Ti, Ni

Al, Ni

(Ti,

Al), Ni

Nb и др.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны,

чем стали с карбидным упрочнением.

Аустенитные жаропрочные стали со структурой твердых

растворов, например 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР,

09Х14

ропрочности аустенитные стали

с к

т о е д е

о е

с а ь

в и я

интерметаллидных д х и

с ачала при более

высо п к

M Х14Н14В2М и

40Х

у , работающих при небольших нагрузках (турбовозы,

газо

е д

н и ст

с п

д т или подвергают электролитическому

нике

ением относится большая

груп с

у ф

307

ревателей и турбоприводов силовых установок высокого

авления, работающих при 600—700 °С, применяют в закаленном

остоянии. Закалку проводят от 1100—1160°С в воде или на

оздухе. После закалки стали приобретают умеренную прочность и

ысокую пластичность (σ

100

= 250÷260 МПа при 700 °С).

Для достижения высокой жа

арбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают

ермической бработке, состоящ й из вух последоват льных

пераций, приведенных ниж :

1. Закалка от 1050—1200 °С в воде, масле или на

оздухе.Такую закалку проводят для растворения карбидных и

нтерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и

олучения после охлаждения высоколегированного твердого

аствора.

2. Старение при 600—850 °С. Оно предназначено для

ыделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих

таль. Температура старения не должн вызыват

заметной

оагуляции избыточных фаз.

С увеличением легированности сплавов элементами,

ормозящими процессы диффузии, температура старения

озрастает. Для максимального равномерного выделени

и карби ны фаз ногда применяют

тупенчатое старение, например, двойное; сн

кой тем ературе, а затем при более низ ой (или наоборот).

Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей,

прочняемых термической обработкой, приведен в табл. 13.

Высокая жаропрочность и карбидное упрочнение сталей

остигаются введением в хромоникелевый или хромоникелемарган-

евый аустенит 0,3—0,5 % С и карбидообразующих элементов

o, W, V, Nb и др. Такими сталями являются 45

15Н7Г7Ф2МС. Сталь 45Х14Н14В2М применяют после отжига

ри 820 °С (охлаждение на воздухе) для изготовления клапанов

виационных двигателей и в газотурбостроении для крепежа.

осле отжига структура стали — аустенит и карбиды типа

и М

С.

ля изготовления различных деталей газотурбинных

становок

вые стационарные турбины), а также для крепежных деталей

рименяют сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично

аменен марганцем. Упрочнение стали достигается закалкой от

170— 1190°С в воде (на воздухе) и старением при 800 °С в

ечение 8— 10 ч.

В процессе стар ния образуются исперсные

арбиды М

и VC, которые повышают механические свойства при

ормальной и высок х температурах.стойко ь

тали ротив

кисления при температурах свыше 700 °С невелика, поэтому

етали алитирую

лированию.

К сталям с интерметаллидным упрочн

па сложнолегированных сталей (см. табл. 13). О новной

прочняющей азой является γ', по составу отвечающая

оединению

Ti, a в присутствии

алюминия — соединению

(Al, Ti). При старении

возможно образование

также карбидов тина МС

(TiC). Содержание

углерода в этих сталях

должно быть небольшим,

так как он связывает

молибден и вольфрам в

карбиды, что понижает

жаропрочность аусте-нита.

Бор упрочняет границы

зерен аустенита в

результате образования

боридов.

Сталь 10Х11Н20ТЗР

применяют в виде листов

для изготовления сварных

элементов высокопрочных

конструкций, работающих

при температуре до 700-

750°С. Эту же сталь с

большим количеством

титана и алюминия, без

сварки, используют для

изготовле-ния деталей

газотурбинных

двигателей, работающих

при температуре 650 —

700 °С. Листовую сталь

упрочняют закалкой oт

1060—1080 °С и старением

при 700°С 3-8 ч (в

зависимости от толщины

листа). Холодная

деформация перед

старением повышает

временное сопротивление.

Сталь 10X11II23T3MP,

содержащая несколько

больше никеля и добавочно

легированная молибденом,

имеет лучшую

жаропрочность при 700—

750 °С по сравнению со

сталью 10Х11Н20ТЗР.

Режим термической

обработки первой из них

для получения

максимальной

жаропрочности: закалка oт

1100—

309

1130°C на воздухе (при крупных сеч

старение при 750—785 °С 16 ч и при

Жаропрочные сплавы на железон

13). К этой группе сплавов отн лав

структура которых является твердым

легирующих элементов (W, Ti и в жел

основе.

Сплавы на железоникелевой

изготовления деталей паровых и газо т . ,

для изготовления турбинных лопаток

аппарата и других деталей, работ и 0

применяют сплав ХН35ВТЮ. Наилуч

сплав получает после первой закалки о

второй закалки от 1050 °С на воздухе

ени С 8

Жаропрочные сплавы на никелевой оп

на основе никеля нередко называют ами. Эти сплавы

находят широкое применение в разли

(авиационные двигатели, стацион

химическое аппаратостроение и т. д.).

изготовления рабочих лопаток, ту

крепежа с длительным сроком слу

других деталей газовых турбин, рабо

850 °С.

Для получения высокой окалинос нике

хромом (~20 %), а для повышения а

(1,0—2,8 %) и алюминием (0,55—5

старении закаленного сплава образу

фаза типа Ni

(Ti, ΑΙ), когерентно новным γ-

раствором, а также карбиды TiC и ни в

прочность при высоких температура

жаропрочности достигается легирован

вольфрамом, повышающими темпер

затрудняющими процесс диффузии в

необходим для коагуляции избыточны

Добавление к сложнолегированным сп щ

увеличивает жаропрочность и технологическую пл

сплавов. Для упрочнения границ зерен ле

бором и цирконием. Они устраняют ияние

связывая их с тугоплавкими соед ,

сурьмы, свинца и олова понижают жа

затрудняют их обработку давлени с

повышения жаропрочности при выпл

необходимо применять возможно

материалы, свободные от вредных легк примесе

Наиболее широко используют н

(ГОСТ 5632—72). После закалки от

структуру, состоящую из перенасыщ

решеткой, и поэтому обладает неболь чност

пластичностью, допускающей

профилирование. Сплав удовлетворительно сварива

закалки и ста-

310

ениях в масле) и двойное

600—650 °С 10—16 ч.

икелевой основе (см. табл.

осятся сп ы, основная

раствором хрома и других

др.) езоникелевой

основе применяют для

вых урбин Так например,

и дисков, колец соплового

ающих пр 50 —750 °С,

шие жаропрочные свойства

т 1150—1180°C на воздухе,

стар и при 830 ° ч.

основе. Жар рочные стали

нимоник

чных областях техники

арные газовые турбины,

Сплавы предназначены для

рбинных дисков, колец,

жбы, сопловых лопаток

тающих при температуре до

тойкости ль легируют

жаропрочности — тит ном

,5 %). В этом случае при

ется интерметаллидная γ'-

связанная с ос

триды TiN, у еличивающие

х. Дальнейшее увеличение

ием сплавов молибденом и

атуру рекристаллизации и

твердом растворе, который

х фаз и рекристаллизации.

лавам кобальта е е

больше

астичность

γ-раствора сплав гируют

вредное вл примесей,

инениями. Примеси серы

ропрочность сплавов и

ем. В связи этим для

авке

жаропрочных сплавов

более чистые шихтовые

оплавких й.

икелевый сплав ХН77ТЮР

1080—1120 °С сплав имеет

енного γ-раствора с ГЦК-

шой про ью и высокой

штамповку, гибку и

ется. После