Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Жаропрочные стали и сплавы

Под жаропрочностью понимают способность металлов и сплавов выдерживать нагрузки при высокой температуре в течение длительного времени.

Фактор времени работы деталей для жаропрочных сплавов имеет большое значение, т.к. чем дольше должна работать деталь при данной температуре, тем меньше допустимое напряжение, которое она может выдержать. Поэтому основной характеристикой, которая показывает возможность применения данного сплава, является длительная прочность ( σ^t_τ).Например предел длительной прочности σ⁷⁵⁰₁₀₀= 50 МПа означает, что данный сплав выдерживает нагрузку 50 МПа при температуре 750°С без разрушения в течении 100 ч.

Вторым основным показателем, по которому определяется выбор сплава, является предел ползучести.

Ползучест - медленная пластическая деформация, которая протекает при нагрузках меньше чем предел текучести, но при температуре большей порога рекристаллизации (рис.29).

Рис. 29.Кривая ползучести: I –стадия неустановившейся ползучести;

II – стадия установившейся ползучести; III – стадия разрушения

Предел ползучести σ⁷⁵⁰_0,1/1000= 50 МПа означает, напряжение 50 МПа при температуре 750°С за 1000 часов не должно вызвать остаточной деформации более 0,1%.

Рис.30.Влияние температуры на скорость протекания ползучести

Степень жаропрочности сплава определяется- во-первых, его природой, т.е. металлической основой, а - во-вторых, его структурой, которая создается термообработкой.

Прочность металла при повышенной температуре зависит, прежде всего, от сил связи атомов в кристаллической решетке, чем выше силы связи, тем больше прочность и жаропрочность металла. Показателем сил связи атомов в кристаллической решетке является температура плавления. Для технических металлов температуры плавления сильно отличаются (рис.31).

Рис.31.Температуры плавления металлов

От температуры плавления зависит и температура рекристаллизации t_р=0,4Т_пл.°К при которой происходит разупрочнение сплава. Легированием можно увеличить температуру рекристаллизации до 0,6-0,8Т_пл.°К.

Следует учитывать, что в таких металлах, как Fe и Ti есть полиморфные превращения, при которых один тип кристаллической решетки меняется на др. В этот момент силы межатомного взаимодействия резко падают и металл разупрочняется, поэтому жаропрочные сплавы можно создавать только на базе высокотемпературных полиморфных модификаций данных металлов. Окончательный выбор металлической основы, определяется не только его температурой плавления, но и его удельным весом. Именно поэтому Mo и W редко используется в авиации, т.к. он очень тяжелые.

Вторым фактором повышения жаропрочности является легирование металлической основы. Основными легирующими элементами являются такие, которые повышают силы межатомных связей в кристаллической решетке – это элементы, температура плавления, которых больше, чем у металла основы. Совершенно недопустимо загрязнение жаропрочных металлов легкоплавкими примесями. Легирующие элементы, которые вводятся в металл - основу должны образовать с этим металлом упрочняющие фазы – карбиды, интерметаллиды, бориды, которые располагаясь на плоскостях скольжения, препятствуют перемещению дислокаций, т.е. увеличивают сопротивление ползучести. Образуя жесткий каркас, карбидов на границах зерен они препятствуют зернограничной деформации.

Третий фактор, обеспечивающий высокую жаропрочность это структура сплава. При высокой температуре прочность границ зерен становится меньше чем самого зерна. Поэтому для повышения жаропрочности необходимо иметь в сплаве крупнозернистое строения. Чем меньше в структуре границ зерен, тем выше жаропрочность. Уменьшить зернограничную деформацию может выделение карбидов по границам зерен.

Рис.32. Влияние размера зерна на жаропрочность:

а-предел длительной прочности; б-относительное удлинение

Для получения необходимой структуры жаропрочных сплавов применяют термообработку - высокотемпературную закалку и последующее старение. В процессе нагрева под закалку происходит рост зерна и растворение легирующих элементов твердом растворе. Быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор. Последующее старение после закалки формирует необходимую структуру, обеспечивающую высокую жаропрочность.

Рис.33.микроструктура жаропрочного сплава

Для этого сначала проводят высокотемпературное старение, при котором происходит выделение карбидов или боридов по границам зерен, а затем проводят низкотемпературное старение. При этом происходит распад твердого раствора и выделение упрочняющих интерметаллидных фаз внутри зерен.

По рабочей температуре жаропрочные сплавы разделяют на цветные, на основе магния, алюминия, титана, а также сплавы на основе железа и никеля.

Сплавы на основе железа подразделяют на:

-теплоустойчивые стали на основе α-Fe с рабочей температурой до 500-600°С;

-жаропрочные стали на основе γ-Fe с рабочей температурой до 600-700°С.

Сплавы на основе никеля подразделяют на сплавы системы Fe-Ni (700-800°С) и сплавы системы Ni-Cr (800-900°С).

Теплоустойчивые стали предназначены для длительной работы, в течение 100000 – 200000 час при температуре до 600°С. Основой этих сплавов является α-Fe (ОЦК). Это стали применяемые в теплоэнергетических установках (паровые котлы, трубы теплообмен.). Их разделяют на три группы.

1. Углеродистые стали 15К, 18К, 20К с рабочей температурой до 500°С. Они обладают высокой свариваемостью. Термообработка: отжиг или нормализация.

2. Низколегированные 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1ВМФ. Они обладают высокой прочностью и жаростойкостью до 550°С. Термообработка - закалка и высокий отпуск.

3. Хромистые стали 15Х5М, 25Х5ВМФ, 14Х12В2МФ. Термообработка - закалка и высокий отпуск (до 700-730°С) 12Х13, 20Х13. Рабочая температура до 600°С.

Жаропрочные стали на основе γ-Fe (ГЦК) предназначены для изготовления печной арматуры, а также конструкционных деталей авиационных и ракетных двигателей. Их подразделяют на несколько групп.

1. Аустенитные типа 12Х18Н12Т. Они обладают хорошей свариваемостью (сварные корпусные конструкции). Термообработка -смягчающая операция закалка или отжиг.

2. Стали с карбидным упрочнением типа 40Х14Н14В2М (ЭИ 69) (валы, диски турбин). Термообработка - закалка и высокий отпуск.

3. Стали с карбидоинтерметаллидным упрочнением типа 10Х11Н20Т3Р.

Они упрочняются за счет выделения γ^'- ^.фазы Ni₃Ti. Термообработка - закалка и старение.

4. Сплавы на основе Fe-Ni (рабочая температура - 700-800°С) типа ХН32Т, ХН35ВТЮ. Термообработка - закалка и старение

5. Сплавы на основе никеля (Ni-Cr-Ti-Al) (нимоники). Деформируемые -ЭИ437Б (ХН77ТЮР), ХН62МВТЮ и литейные ЖС3, ЖС6, ВЖЛ14. Термообработка - закалка 1100-1150°С и двойное старение при 750°С и при (550-600)°С.

⇐ Предыдущая 11 12 13 14 151617 18 19 20 Следующая ⇒