Специальные стали

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

В группу теплоустойчивых сталей входят углеродистые, низколегированные и хромистые стали. Структура их зависит от степени легирования и режима термической обработки стали. После нормализации в структуре стали наблюдают феррит или феррито-карбидную смесь разной дисперсности (перлит, троостит, бейнит)4.
...
К жаропрочным относят стали аустенитного класса на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Условно эти стали подразделяют на три подгруппы: гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твердого раствора; стали с карбидным упрочнением; стали с интерметаллидным упрочнением. Такое разделение сделано по преимущественному типу упрочнения.
...
Жаропрочные сплавы разделены по металлу основы: сплавы на основе никеля и кобальта. Эти сплавы чаще всего подразделяют и по способу производства: на деформируемые и литые.
...
Жаростойкие стали и сплавы разделены на следующие группы: хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, хромокремнистые стали мартенситного класса, а также хромоникелевые аустенитные стали и сплавы на хромоникелевой основе.
...
Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы используются во многих отраслях промышленности. Достижения в металловедении жаропрочных материалов в значительной степени определяют уровень развития энергомашиностроения, авиационной и ракетно-космической техники.
...
Важно отметить, что жаропрочные материалы работают при различных схемах нагружения: статических растягивающих, изгибающих или скручивающих нагрузках, динамических переменных нагрузках различной частоты и амплитуды, термических нагрузках вследствие изменений температуры, динамическом воздействии скоростных газовых потоков иа поверхность.
...
Вследствие этого применяются разнообразные виды испытания иа жаропрочность и жаростойкость: испытания на ползучесть и длительную прочность при статическом нагруженин, испытания на высокотемпературную и термическую усталость, испытания на газовую коррозию в
...
Для оценки теплоустойчивости и жаропрочности наибольшее распространение в настоящее время в промышленности и в исследовательских работах получили испытания на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651—73), на ползучесть и длительную прочность, проводимые по схеме одноосного растяжения (ГОСТ 3248—81 и ГОСТ 10145—81).
...
Оценка жаростойкости производится по изменению массы стандартных образцов (ГОСТ 6130—71), механических или физических свойств сплавов.
...
Предел длительной прочности обозначается как напряжение с,' (МПа) с двумя числовыми индексами — верхний указывает температуру испытания в °С, а нижний — длительность (или базу) испытания в часах. Например, ацщ означает, что испытания проводились при 800°С, длительностью в 100 ч, а™ —соответственно при 700"С и в течение 100000 ч.
...
Очень часто в качестве характеристики жаропрочности пользуются временем до разрушения (в часах) при определенных температуре и
...
напряжении. Например, указывают, что испытания проводились при г=900°С и напряжении с=300 МПа, и сравнивают различные материалы (или один материал после различной обработки), считая, что чем больше время до разрушения, тем жаропрочнее материал.
...
Оценка жаростойкости производится по изменению массы стандартных образцов (ГОСТ 6130—71), механических или физических свойств сплавов.
...
С ростом температуры уменьшается прочность межатомных связей, интенсифицируются процессы диффузии, разупрочнения. В зависимости от температуры меняются механизм н скорость газовой коррозии, механизм пластической деформации и разрушения.
...
Большое влияние на жаропрочность оказывает режим работы сплава— характер изменения температуры и нагрузки во времени. При наличии теплосмен материалы подвергаются термической усталости, что может резко (в несколько раз) увеличить скорость ползучести нли привести к разрушению детали даже в отсутствие механических нагрузок
...
ний (термическая усталость). Столь же сильно может влиять на жаропрочность и жаростойкость воздействие переменных напряжений, которое обусловливает развитие высокотемпературной усталости.
...
Состав газовой среды также может существенно влиять на жаростойкость н жаропрочность сплавов. Наличие в среде агрессивных компонентов (например, соединений, содержащих серу, ванадий,
...
ператур определяет экономичность и основные технические характеристики изделия.
...
Состав жаропрочных сталей и сплавов должен обеспечивать высокое сопротивление ползучести и газовой коррозии с учетом условий работы материала в течение заданного срока службы.
...
При выборе основы для создания жаропрочных сплавов в первую очередь учитывают величину сил межатомной связи, которые принято оценивать по теплотам плавления и сублимации, температурам плавления, параметрам диффузии и самодиффузии, характеристическим температурам, модулю упругости и другим параметрам. Чем больше силы межатомной связи металла, тем большей жаропрочностью должны обладать сплавы на его основе.
...
Существующие жаропрочные стали и сплавы представляют собой многокомпонентные твердые растворы на основе железа, никеля или кобальта, которые упрочняются дисперсными выделениями избыточных фаз — карбидов, кар-бонитридов, боридов, интерметаллидов.
...
Механизмы упрочнения твердых растворов при легировании, которые были рассмотрены для комнатной температуры (см. гл. IV), в основном справедливы и при умеренных повышенных температурах (до 0,5
...
Деформация при ползучести осуществляется как сдвиговым механизмом, т.е. путем движения дислокаций, так и диффузионным в основном посредством диффузии вакансий. С повышением температуры влияние препятствий на движение дислокаций уменьшается, снимается упрочнение, созданное предварительной деформацией или термической обработкой, плотность дислокаций снижается вследствие их рекомбинации при переползании и поглощения мигрирующими границами зерен. Большое значение имеет при высоких температурах зернограничная ползучесть.
...
Чем выше работая температура, тем сильнее проявляются диффузионные процессы в деформации ползучести. При малых значениях скоростей ползучести, которые допускаются в реальных условиях, контролирующим процессом является диффузия вакансий к границам зерен, образование и рост пор иа границах. Следовательно, важную роль играет концентрация и подвижность вакансий. Легирующие элементы, упрочняющие твердый раствор, повышающие силы связи в решетке, затрудняют диффузионные перемещения, уменьшают концентрацию и подвижность вакансий и, таким образом, повышают жаропрочность.
...
Железо, кобальт и никель при взаимном образовании твердых растворов незначительно изменяют температуру солидуса сплавов и их высокотемпературную жаропрочность, тогда как марганец резко снижает температуру со; лидуса и жаропрочность. Влияние легирования на темпера туру плавления и жаропрочность сплавов В. К. Григорови
...
связывает с электронной концентрацией: увеличение числа коллективизированных электронов при легировании более высоковалентными металлами должно приводить к росту жаропрочности.
...
При определении эффективности и оптимального количества легирующих элементов на жаропрочные свойства сплава следует учитывать тип диаграмм состояния растворите
...
ля и легирующих элементов. Основываясь на классических работах Н. М. Курнако-ва, И. И. Корнилова и других, установивших общие закономерности изменения свойств сплавов, в том числе прочности и пластичности, от состава для главных типов диаграмм состояния и привлекая данные о фазо
...
Эти диаграммы рассматривают совместно с диаграммами состояния соответствующих систем, что дает возможность определить влияние на жаропрочность концентрации легирующих элементов в твердом растворе, выделения новых фаз, полиморфных превращений.
...
Наиболее низкие рабочие температуры (450—6500С} имеют стали ферритного, перлитного и мартенситного классов, т. е. стали на основе а-железа. Аустенитные стали имеют более высокие рабочие температуры. Это объясняется влиянием типа кристаллической структуры и полиморфных превращений на механические свойства сталей при высоких температурах.
...
Установлено, что скорость ползучести г. ц. к. решетки существенно меньше, чем о. ц. к. Для железа вблизи температуры полиморфного превращения о. ц. к. решетка а-фазы становится неустойчивой, в ней происходит подготовка к перестройке в г. ц. к. решетку у-фазы, при этом усиливаются диффузионные процессы, что отрицательно влияет на жаропрочность. Это положение иллюстрирует рис. 176, где представлена температурная зависимость скорости ползучести железа.
...
Рис. 176. Температурная зависимость скорости ползучести
...
Для твердых растворов на основе железа влияние кристаллической структуры на жаропрочность также весьма существенно. На рис. 177 приведена зависимость стрелы прогиба, характеризующей скорость ползучести сплавов системы Ре—Сг, от концентрации хрома. При температуре 650 °С все сплавы являются ферритными и повышение содержания хрома уменьшает скорость ползучести. При
...
ванность, и что переход к двухфазным структурам приводит к резкому снижению жаропрочности. Это положение хорошо иллюстрируется рис. 178, где показана изотерма жаропрочности сплавов системы №—Сг при 1000°С.
...
Рис. 179. Схематические кривые оптимального содержания легирующих элементов в аустенитных сталях по влиянию на сопротивление ползучести оц. (Содержание углерода указано на кривых) (Л. Коломбье, И. Гохмаи)
...
стенитной стали), то суммарное содержание легирующих элементов, обеспечивающее максимальную жаропрочность, становится больше (рис. 179).
...
Следует также отметить, что диаграммы состав — жаропрочность могут рассматриваться только как ориентировочные при разработке сталей и сплавов, так как диаграмм состояния для многокомпонентных систем не существует, а имеющиеся диаграммы для двойных и тройных сплавов не учитывают структурных > факторов, которые могут очень сильно влиять на жаропрочные характеристики.
...
Считается, что сопротивление ползучести при легировании твердых растворов определяется величиной скорости диффузии легирующих элементов, причем для определенной скорости ползучести существует оптимальный диапазон скорости диффузии легирующих элементов, обеспечивающих образование скоплений растворенных атомов вокруг перемещающихся дислокаций и тормозящих ее движе-
...
Рис. 179. Схематические кривые оптимального содержания легирующих элементов в аустенитных сталях по влиянию на сопротивление ползучести о_ц. (Содержание углерода указано на кривых) (Л. Коломбье, И. Гохмаи)
...
ние. Следовательно, для использования сплава в широком диапазоне температур необходимо легировать его комплексно различными элементами, обладающими разной диффузионной подвижностью, чтобы при различных скоростях ползучести был «по крайней мере один легирующий элемент, подвижность которого будет оптимальной для торможения движения дислокации. Таким образом, теория естественно приводит к идее использования сложнолегирован-ных жаропрочных сплавов» (Коттрелл).
...
Для жаропрочных сплавов на основе железа, никеля и кобальта наиболее перспективны в качестве упрочнителей твердого раствора такие элементы, как молибден, ниобий, вольфрам. На рис. 180 показано влияние легирующих элементов на жаропрочность твердых растворов на хромонике-левой основе типа Х20Н80. Отметим, что положительное влияние алюминия, ниобия и титана связано с образованием упрочняющих интерметаллидных фаз.
...
Одним из главнейших факторов жаропрочности сталей и сплавов является образование упрочняющих фаз. Элементы внедрения — бор, азот, углерод — имеют весьма ограниченную и переменную с температурой растворимость в твердом растворе и приводят к образованию избыточных фаз — боридов, нитридов, карбидов или фаз смешанного состава (см. гл. V). В сталях и сплавах на кобальтовой основе эти фазы обеспечивают основной эффект упрочнения, при этом требуется обеспечить оптимальные размеры частиц фаз, их определенное количество и равномерное распределение в матрице. В жаропрочных сплавах на никелевой основе такие фазы чаще всего образуются по границам зерен и их влияние на жаропрочность может быть различным в зависимости от назначения и условий эксплуатации сплава. В целом можно считать, что присутствие определенного количества карбидных фаз в жаропрочных никелевых сплавах оказывает положительное влияние, препятствуя межзе-ренному проскальзыванию, в то же время выделение карбидных фаз типа Ме2зС6
...
Для никельсодержащих жаропрочных сталей и сплавов основное упрочнение обеспечивает интерметаллидная у'-фа-за типа №з(А1, Ti, Nb). В некоторых жаропрочных сталях и сплавах отмечается также положительное влияние на жаропрочность выделений других интерметаллидных фаз: г|-фазы типа Ni3Ti, ц-фазы типа Fe7(Mo, W)6 и фаз Лавеса (FeMo2, FeW2).
...
При легировании с целью увеличения жаропрочности важное значение имеет влияние различных элементов на строение и свойства приграничных объемов.
...
Рис. 181. Влияние содержания легкоплавких примесей [указав % (ат.) по расчету (РЬ; БЬ и в — фактическое содержание)] на время до разрушения сплава типа ХН80Т при 700 "С
...
сплавах (поэтому их вводят в очень малых количествах — тысячные и сотые доли атомных процентов) и концентрируются в приграничных объемах, замедляя приграничную диффузию; они имеют большое химическое сродство к кислороду, сере, азоту, водороду и образуют тугоплавкие окислы и сульфиды (гидриды и нитриды менее термостойки); эти элементы способны образовывать тугоплавкие химические соединения с примесями легкоплавких цветных металлов и частично нейтрализовать их отрицательное влияние.
...
В порядке уменьшения эффективности влияния на жаропрочность никелевых сплавов эти добавки можно расположить следующим образом: В, Ьа, Се, Са, 2т,
...
Таким образом, состав и обработка жаропрочных сплавов должны обеспечить высокий уровень сил межатомной связи; тонкую субмикроскопическую неоднородность строения сплавов; условия для выделения оптимального количества упрочняющих фаз в наиболее эффективных для упрочнения форме и состоянии; препятствия для развития меж-зеренной деформации и диффузии, особенно при высокотемпературной ползучести; стабильность структуры сплавов в течение заданного срока эксплуатации; нейтрализацию вредных примесей посредством создания тугоплавких, соединений и рафинирования сплавов.
...
К теплоустойчивым относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов и др. Эти же стали применяют в химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах.
...
Рабочие температуры теплоустойчивых сталей достигают 600—650 °С, а давление газовых или жидких сред 20— 30 МПа. Так, рабочие параметры в паросиловых установках составляют 585 °С при давлении 25,5 МПа, а в наиболее мощных установках достигают 650 °С и 31,5 МПа.
...
ным требованием является заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.
...
В зависимости от условий работы деталей в качестве теплоустойчивых используют углеродистые, низколегированные и хромистые стали.
...
Для работы при температурах до 120 °С и давлениях до 0,8 МПа обычно применяют стали Ст2 или СтЗ (см. гл. X). При давлениях до 6 МПа и температурах до 400 °С — углеродистые котельные стали 12К, 15К, 16К, 18К, 20К- Состав и свойства этих сталей регламентируются ГОСТ 5520—79. Эти стали различаются содержанием углерода (номер марки стали соответствует среднему содержанию углерода), при этом чем больше углерода в стали, тем выше характеристики прочности: ав=360—380 МПа, гг
...
Цель термической обработки — получить стабильную структуру, которая сохранялась бы практически неизменной в течение всего срока эксплуатации. Стали обычно подвергают нормализации, а при повышенном содержании углерода (0,22—0,24) — закалке и высокому отпуску, при этом температура отпуска должна быть не менее чем на 100—120 °С выше рабочей температуры.
...
В процессе длительной эксплуатации в структуре ко тельных сталей может происходить сфероидизация и коагуляция карбидов. Этот процесс ускоряется под действием напряжений. Углеродистые котельные стали сохраняют длительную прочность на уровне адл=60—70 МПа (Ст20К) при температурах до 500 °С, при более высоких температурах длительная прочность резко снижается.
...
Для более ответственных деталей энергетических блоков, работающих при температурах до 585 °С и давлении 25,5 МПа применяют низколегированные стали, регламентируемые ГОСТ 20072—74. Эти стали в зависимости от режима термической обработки могут иметь феррито-перлит-ную, феррито-бейнитную, бейнитную или мартенситную структуру. Составы, режимы термической обработки и дли-
...
Большинство исследователей считают, что в Сг—Мо—V сталях содержание ванадия должно определяться содержанием углерода (с тем, чтобы он весь был связан в карбид УС); оптимальным является отношение У/С=3-г
...
С повышением температуры и ростом требований по жаропрочности состав сталей усложняется, что можно проследить по следующим данным: сталь, легированная 0,5 % Мо, имеет очо? =37 МПа. Дополнительное легирование 1,0 % Сг повышает предел длительной прочности до о"№=53— 70 МПа, а введение еще 0,3 % V —до от°=100 МПа.
...
диевые стали, типичным представителем которой является сталь 12Х1МФ. Эта сталь чаще всего применяется в отожженном состоянии или после нормализации и высокого отпуска, т.е. в сравнительно стабильном, но разупрочненном. состоянии.
...
Рис. 182. Термокинетическая диаграмма стали 12Х1МФ (а), изменение соотношения структурных составляющих (б) и твердости (в) при различных скоростях охлаждения.
...
турных составляющих и твердость стали после разных скоростей охлаждения. На рис. 183 представлена микроструктура этой стали.
...
В более легированных теплоустойчивых сталях, например 12Х2МФСР, превращение аустенита в верхней области температур с образованием полигонального феррита и пер-^лита происходит только частично и при малых скоростях охлаждения (менее 1—5°С/мин), при больших скоростях охлаждения сталь имеет бейнитную, а при закалке — преимущественно мартенситную структуру.
...
Влияние скорости охлаждения и, следовательно, типа исходной структуры этих сталей на жаропрочность весьма сложное и зависит от длительности и температуры испытания (рис. 184). При длительности испытания 1000 ч и температуре 500 °С наиболее жаропрочными оказались стали с бейнитной структурой; при более длительных испытаниях (до 16 000 ч) в интервале 500—600 °С наибольшую жаропрочность имеют стали после закалки и высокого отпуска. Экстраполяция этих данных на длительность 104—105 ч предполагает более высокую жаропрочность сталей со структурой отпущенного мартенсита.
...
Рис. 182. Термокинетическая диаграмма стали 12Х1МФ (а), изменение соотношения структурных составляющих (б) и твердости (в) при различных скоростях охлаждения.
...
Поскольку эти стали после закалки или нормализации обязательно подвергаются высокому отпуску (например, сталь 12Х2МФСР при 730—750°С, 3 ч), то в структуре стали всегда присутствуют специальные карбиды. Превраще-
...
ния в этих сталях при отпуске включают распад остаточного аустенита (содержание которого может составлять после закалки 3—8%),
...
Рис. 183. Структура стали 12Х1МФ-после различных режимов термической обработки, Х800:
...
ментитного типа и коагуляцией карбидов ванадия. В сталях, подвергнутых улучшению, специальные карбиды распределены равномерно, что можно объяснить более однородным распределением дефектов структуры, как предпочтительных мест зарождения карбидов.
...
Рис. 185. Влияние скорости охлаждения !'охл иа время до разрушения т стали 20Х(М2Ф при 565 °С и напряжении 130 МПа (о) и дисперсность структуры 1/А (б).
...
Рис. 184. Влияние скорости охлаждения иа длительную прочность
...
По основным структурным составляющим эти стали подразделяют на мартенситные и мартенсито-ферритные, что определяется содержанием хрома, углерода и сочетанием дополнительных легирующих элементов. Состав и свойства некоторых типичных сталей этой группы приведены в табл. 37.
...
Рис 186. Влияние длительности изотермической выдержки при 620 °С на механические свойства (а) и фазовый состав стали с 12 % Сг, легированной Мо, ЫЬ, V (б) (К. А. Ланская)
...
Эти стали являются более теплоустойчивыми и жаростойкими, чем низколегированные стали. Они также более жаростойки в продуктах сгорания жидкого и твердого топлива, чем хромоникелевые аустеиитные стали.
...
Хромистые стали этой группы обладают хорошими технологическими свойствами, высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью. Кроме того, некоторые стали этой группы имеют высокую демпфирующую способность и удовлетворительную релаксационную стойкость.
...
Указанные стали применяют для различных деталей энергетического машиностроения (лопатки, трубы, крепежные детали, детали турбин и др.), в основном работающих длительное время при температурах 600—650°С.
...
Рис. 187. Сводный график предела длительной прочности за 10⁵ г при различных температурах сталей:
...
Стали типа 10X5 обладают сильной склонностью к ох-рупчиванию при температуре 475°С, поэтому применяют стали, дополнительно легированные молибденом или вольфрамом (0,4—0,7%), что устраняет хрупкость этих сталей и повышает их теплоустойчивость. В эти стали вводят также другие элементы: кремний и алюминий для повышения жаростойкости, титан или ниобий для устранения склонности к закаливанию при охлаждении на воздухе благодаря связыванию углерода в специальные карбиды, а ванадий для повышения жаропрочности. Для длительной работы при повышенных температурах эти стали применяют после отжига 840—860°С, что связано со стремлением получать возможно более стабильную структуру, состоящую из ферритной основы, легированной молибденом и вольфрамом, и сравнительно дисперсных карбидов, в основном специальных карбидов ванадия.
...
Повышение рабочих температур паросиловых установок потребовало применения в качестве теплоустойчивых сталей с 12% Сг. Эти стали в зависимости от содержания углерода и режима термической обработки могут иметь фер-рито-мартенситную или мартенситную структуру.
...
Необходимый уровень прочности и теплоустойчивости этих сталей в значительной степени определяется упрочнением вследствие фазового наклепа при мартенситном превращении и последующем дисперсионном твердении при отпуске или в процессе эксплуатации.
...
При рассмотрении сталей с 12% Сг легко проследить, как усложнение состава сталей благодаря введению дополнительных легирующих элементов в оптимальных количест-
...
Влияние легирующих элементов на сопротивление ползучести 12 %-иой хромистой стали (аустенитизация 1250 °С+ -т-стареиие 650 °С) (К. А. Ланская)
...
Улучшение свариваемости этих сталей достигается посредством снижения содержания углерода, что сопровождается увеличением количества феррита и образованием более пластичного мартенсита.
...
Стали с пониженным содержанием хрома (7—9% Сг) пока не нашли широкого применения, но рассматриваются как перспективные, так как они более технологичны при термической обработке и сварке, хотя и несколько уступают сталям с 12% Сг по жаропрочности. У этих сталей в структуре отсутствует 6-феррит и мартенситное превращение протекает в более широком температурном интервале, причем начинается на 100—200°С выше.
...
Таким образом, увеличение жаропрочности 12%-ных хромистых сталей достигается посредством комплексного легирования. Введение элементов, упрочняющих твердый раствор, добавки сильных карбидообразующих элементов, азота и бора приводят к образованию карбидных и карбо-нитридных фаз высокой стабильности, а также упрочняющих интерметаллидных фаз, в основном фаз Лавеса.
...
Различие в устойчивости упрочнения при фазовом наклепе и при пластической деформации связано с многократностью деформации при полиморфном превращении в различных системах скольжения и образованием более равномерной дислокационной структуры (М. А. Штремель, И. Н. Кидин).
...
Метастабильность мартенсита при нагреве под напряжением делает очень важным процессы, протекающие при отпуске и старении рассматриваемых сталей. В настоящее время термин «отпуск» предложено применять к сплавам, которые подвергнуты закалке с полиморфным превращением, а термин «старение» — в случае закалки без полиморфного превращения. Для рассматриваемых 12%-ных хромистых сталей, следовательно, более правильно использовать термин «отпуск», хотя во многих сталях этой группы присутствует структурно свободный феррит (до 10—15%), который при закалке не испытывает полиморфного превращения и может подвергаться старению при последующем нагреве. Отпуск сталей, предназначенных для длительной работы, обычно проводят при более высоких температурах (на 100—150°С выше, чем рабочая температура соответствующих деталей), чтобы обеспечить стабильность структуры и, следовательно, свойств стали на весь ресурс эксплуатации. По данным различных авторов, в 12%-ных хромистых сталях при повышении температуры отпуска имеют место следующие карбидные превращения: МезС-^МвуСз-*-
...
Во всех сталях этого типа с увеличением длительности выдержки при отпуске (~620°С) наблюдается постепенное снижение прочностных свойств, ударной вязкости « повышение пластических характеристик (рис. 186). При этом в стали увеличивается количество карбидных и интерметал-лидных фаз, которые с увеличением длительности выдержки коагулируют. Более заметно укрупняются частицы кубического карбида Ме23С6
...
105 ч) в интервале температур 450—650°С и поставляют машиностроительным отраслям в виде сортового проката— горячедеформированного толстого листа (ГОСТ 7350—77), тонкого листа (ГОСТ 5582—75) и горячедеформирован-ных (ГОСТ 9940—81) или холодно-и теплодеформирован-ных (ГОСТ 9941—81) труб.
...
Состав, режимы термической обработки и длительная прочность различных марок жаропрочных сплавов приведены» табл. 39. Состав этих сталей регламентирован ГОСТ 5632— 72.
...
К этой группе относятся главным образом низкоуглеродистые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими ^-твердый раствор. Их жаропрочность обеспечивается в основном растворенными в твердом растворе легирующими элементами. Термин «гомогенные стали» следует понимать условно, так как в структуре этих сталей обычно присутствует некоторое количество карбидов и карбоиитридов титана или ниобия.
...
Гомогенные аустенитные стали используются преимущественно в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов, арматуры установок сверхвысоких параметров и рассчитаны на длительную (до-105 ч) службу при 650—700°С.
...
При легировании этих сталей стремятся получить максимально стабильную аустенитную структуру, избежать, или замедлить выделение вторых фаз (карбиды, карбонит-риды, фазы Лавеса, а-фазы и др.), что позволяет иметь необходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации. Важно для этих сталей обеспечить также высокие технологические свойства, такие как способность к горячей пластической деформации, прошиваемость при изготовлении цельнотянутых труб, свариваемость и др. Эти цели достигаются повышенным содержанием никеля (отношение №/Сг;>1), что придает стали глубоко стабильную аустенитную структуру.
...
10⁵ ч) в интервале температур 450—650°С и поставляют машиностроительным отраслям в виде сортового проката— горячедеформированного толстого листа (ГОСТ 7350—77), тонкого листа (ГОСТ 5582—75) и горячедеформирован-ных (ГОСТ 9940—81) или холодно-и теплодеформирован-ных (ГОСТ 9941—81) труб.
...
низким содержанием углерода (в пределах 0,06—0,012%) и повышенным отношением Ti, Nb/C>10, что обеспечивает в исходном состоянии присутствие карбидов NbC, TiC и карбоиитридов Nb, Ti(C, N),
...
Многими исследователями также отмечается положительное влияние бора и редкоземельных металлов (р. з. м.) на жаропрочность сталей этого типа. Бор, церий и другие редкоземельные элементы являются сильными раскнслнтелямн, поэтому в нх присутствии уменьшается содержание газов н неметаллических включений в сталях, что повышает нх качество. Влияние малых добавок р. з. м. и бора на сопротивление ползучести также связывают с их горофнльностью, т. е. способностью адсорбироваться по границам зерен (В. И. Архаров), что затрудняет зернограннчную диффузию и упрочняет границы. Кроме того, бор образует в сталях сложные бориды типа Afe3B2 и Ме2В (например, (Сг,
...
Таким образом, мнкролегированне аустенитных сталей бором и р. з. м. оказывает положительное влияние на жаропрочность н пластичность как вследствие рафинирующего действия прн выплавке, так "и упрочнения границ зерен благодаря их горофильности.
...
В процессе длительной работы после 1—2- 10s ч в этих сталях наблюдали выделения вторичных фаз (например, фазы Лавеса типа Fe2Mo, Fe2W), коагуляцию карбидных фаз и в некоторых сталях выделения в небольших количествах (1—2%)
...
Стали этого типа имеют высокую релаксационную стойкость при длительной эксплуатации и их используют для изготовления крепежных деталей. Важное значение в обе-
...
спечении высокого уровня жаропрочности аустенитных сталей этого типа имеет величина зерна: при испытаниях сталей выше 600 °С длительная прочность и сопротивление ползучести у крупнозернистых сталей выше, чем у мелкозернистых (рис. 188), при этом чем выше температура испытаний, тем больше выигрыш в длительной прочности
...
Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей состоит из закалки (аустенитизации) от высоких температур (1050—1200 °С) или аустенитизации и стабилизирующего отпуска (700—750 °С) и преследует цель получить более однородный у-твердый раствор, заданную величину зерна (балл 3—6) и стабильную структуру, а также снять напряжения, которые могут возникнуть в процессе изготовления деталей.
...
Следует отметить, что улучшение служебных характеристик и удешевление сталей этого типа обычно связывают со следующими направлениями исследований: оптимизация состава сталей, в частности частичная замена никеля марганцем и азотом, использование сталей в наклепанном состоянии (холодная деформация или термомеханическая обработка), особенно при рабочих температурах, более низких, чем температура рекристаллизации; более широ-
...
Рис. 188. Влияние размера зерна на скорость ползучести
...
кое использование микролегирования сталей бором, р. з. м.; усовершенствование технологии выплавки, обработки давлением и режима термической обработки.
...
Стали с карбидным упрочнением предназначены для работы при температурах 650—750 °С и довольно высоких уровнях напряжений. Их используют для изготовления ответственных деталей энергомашиностроения (диски и лопатки турбин, крепежные детали и др.).
...
Марганец, как и никель, расширяет 7-область в сплавах на основе железа и в многокомпонентных системах, которыми являются жаропрочные аустенитные стали. Он также выступает в качестве аналога никеля. Это позволяет частично заменить никель менее дефицитным марганцем, причем установлено, что присутствие марганца способствует некоторому повышению жаропрочности сталей. Однако стали с полной заменой никеля марганцем, т. е. на основе Сг—Mn-аустенита, не нашли широкого применения в качестве жаропрочных материалов в связи с их недостаточной жаростойкостью и низкой температурой плавления, так как приходится снижать содержание хрома в сталях для обеспечения аустенитной структуры.
...
Карбидообразующие элементы V, Nb, W, Мо связывают часть углерода в специальные карбиды, а также упрочняют аустенитную матрицу.
...
Упрочняющими карбидными фазами в аустенитных сталях в основном являются карбиды ванадия и ниобия (VC, NbC), а также карбиды хрома (типа Ме23С6
...
Карбиды ванадия выделяются при старении в высокодисперсном состоянии и обеспечивают значительную долю упрочнения этих сталей.
...
виде первичных выделений. Положительная роль этих фаз заключается в том, что они препятствуют росту аустенитного зерна при нагреве, и, в частности, образованию разно-зернистости.
...
Уровень жаропрочности и термическая стабильность сталей данного класса зависят от температуры старения. При низких температурах (500—600°С) выделение карбидных фаз протекает медленно, образуются высокодисперсные частицы, прочностные свой
...
ства при изотермической выдержке непрерывно возрастают. С повышением температуры старения (или испытания) скорость процессов выделения и коагуляции возрастает, достигается определенный максимум упрочнения, положение которого зависит от состава спла
...
Отметим также, что при низкотемпературном старении легированного аустенита с выделением дисперсных фаз возникает состояние очень сильного упрочнения и одновременно падает пластичность, увеличивается чувствительность к хрупкому разрушению. Например, сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приобретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропрочные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется двойное (или ступенчатое) старение: 660 °С (16 ч) и 800 "С (16 ч). Старение при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемпературном старении, частичной коагуляции карбидных фаз.
...
Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением, а также сплавы на хромоникелевой основе с высоким содержанием никеля (до 38%) нашли применение при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750—850°С.
...
Рис. 189. Зависимость твердости НВ сталей с карбидным упрочнением от температуры старения при выдержке 16 ч:
...
ладающего склонностью к распаду при старении, и образования фаз-упрочнителей — интерметаллидных фаз типа у'
...
Состав упрочняющих фаз в этих сталях изменяется в зависимости от легирования и определяет уровень длительной прочности, достигаемый при различных температурах испытания. На рис. 190 приведена зависимость аДл°'
...
Рис. 190. Длительная прочность при 750 "С стали типа 08Х15Н25В5, дополнительно Легированной 0—2,2 % А1, 0—2,0 % Ть 0—2,5 % N0,
...
различных базах испытания, полученная на стали типа 08Х15Н25В5 при дополнительном введении легирующих элементов (А1, N0,
...
изводится, так как он не образует благоприятных для упрочнения интерметаллических фаз и понижает жаростойкость сталей.
...
Содержание углерода в этих сталях ограничивают обычно <0,1%. Во многие стали дополнительно вводят молибден и вольфрам (до 3,5°/о) с целью повышения длительной прочности. Влияние легирующих элементов на время до разрушения сплава на железоникелевой основе типа Х14Н35ВТЮ (ЭИ787) показано на рис. 191.
...
Отметим, что концентрационная зависимость влияния легирующих элементов на длительную прочность имеет экстремальный характер: сначала длительная прочность растет, а затем снижается. Повышение жаропрочности связано с тем, что легирующие элементы затрудняют диффузию в аустенитной матрице, препятствуют коагуляции и растворению упрочняющих интерметаллидных фаз, увеличивают их количество при старении (в частности благодаря уменьшению растворимости титана и алюминия в аустените) и сдвигают температуру максимального упрочнения к более высоким температурам.
...
Однако повышенное сверх оптимального содержание легирующих элементов в этих сталях может вести к негативным последствиям в отношении жаропрочности. В частности, высокое содержание молибдена (более 5—6%),
...
В настоящее время сплавы на никелевой основе имеют наибольшее значение в качестве жаропрочных материалов, предназначенных для работы при температурах от 700 до* 1100°С. Их используют в газовых турбинах двигателей самолетов, кораблей, энергетических установок, при изготовлении деталей ракетно-космической техники, в нефтехимическом оборудовании. Так, в авиационном газотурбинном двигателе более 70% массы составляют жаропрочные сплавы на никелевой и железоникелевой основах — это диски, сопловые и рабочие лопатки турбин, камеры сгорания и т. п.
...
Резко возросло применение этих сплавов и при изготовлении стационарных газовых турбин, так как повышение рабочих температур позволяет значительно улучшить их технико-экономические показатели.
...
В наиболее тяжелых условиях находятся лопатки турбин, которые работают при температурах 850—1050°С. Они подвергаются значительным растягивающим напряжениям вследствие центробежных нагрузок, эти напряжения вызывают ползучесть деталей. Скоростной газовый поток высокой агрессивности и режим работы предопределяют возникновение переменных механических и термических нагрузок, вызывающих высокотемпературную и термическую усталость, активное развитие процессов газовой коррозии и эрозии. Сопловые лопатки работают при температурах до 1150°С и небольших напряжениях, а диски—при температурах 600—800°С и более высоких рабочих нагрузках (до 500—600 МПа), поэтому жаропрочные сплавы, используемые для этих групп деталей, значительно различаются по составам и свойствам.
...
Современные никелевые жаропрочные сплавы работают по существу на пределе своих температурных возможностей, так как рабочие температуры часто достигают 0,8— 0,85 температуры солидуса.
...
Поэтому важнейшее значение в повышении температурного уровня современных жаропрочных сплавов, их надежности и долговечности придается освоению новых технологических процессов, таких как направленная кристаллизация, выращивание деталей в монокристаллитном состоянии, использование сплавов, упрочненных дисперсными частицами окислов, использование сплавов, армированных тугоплавкими проволоками.
...
При более высоких температурах эксплуатации (выше 1050—1100°С) необходимо применение сплавов на основе тугоплавких металлов Nb, Mo, Та, W. Однако использование этих элементов в качестве основы жаропрочных сплавов ставит перед металловедами и технологами много сложных проблем, связанных с их низкой жаростойкостью в окислительных средах и высокой хрупкостью.
...
Никель образует твердые растворы со многими элементами, что обусловливает значительные возможности достижения высокой жаропрочности сплавов на его основе. Температурная зависимость растворимости некоторых элементов приведена на рис. 192. При 1000°С кобальт, железо, марганец и медь образуют неограниченные твердые растворы, а такие тугоплавкие металлы, как хром, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, ванадий, — ограниченные твердые растворы с различными об
...
ластями гомогенности. Растворимость при 1000°С таких элементов, как титан и алюминий, составляет соответственно 10 и 7 %.
...
Важно отметить, что растворимость легирующих элементов в многокомпонентных сплавах на основе никеля может существенно различаться в сторону уменьшения от значений, полу
...
Многие из легирующих элементов, растворимые в никеле ■ или нихроме, являются эффективными упрочнителями и повышают сопротивление ползучести сплавов на основе никеля (см. рис. 180).
...
Несмотря на сложность составов жаропрочных никелевых сплавов, можно сформулировать следующие основные принципы, используемые при их создании: ';
...
1. Жаропрочные сплавы представляют собой основной (матричный) у-твердый раствор на хромоникелевой основе, легированный кобальтом и тугоплавкими элементами-упрочнителями (Мо, W, Nb), причем наиболее эффективное влияние оказывает на жаропрочность именно комплексное введение легирующих элементов. Содержание этих легирующих элементов в сплаве зависит от его назначения и экономической целесообразности.
...
Рис. 192. Температурная зависимость растворимости легирующих элементов в никеле (М. В, Приданцев)
...
5. Важное значение имеют в никелевых сплавах легкоплавкие примеси (Pb, Cd, Ag, Bi, Sb, S), содержание которых следует ограничивать, так как они снижают их жаропрочные и технологические свойства. Уменьшение количества примесей возможно благодаря применению чистых шихтовых материалов, введению р. з. м. и обработке расплавов специальными шлаками, применением различных методов специальной металлургии (ЭШП, ЭЛП, ВДУ и
...
Таким образом, жаропрочность, жаростойкость и другие характеристики сплавов на никелевой основе связаны с оптимизацией их состава по соотношению легирующих элементов, входящих в матричный у-твердый раствор и упрочняющие интерметаллидные, карбидные и боридные фазы, а также с уровнем содержания вредных легкоплавких примесей.
...
Выбор состава сплава следует проводить с учетом его рабочей температуры, напряжений, агрессивности среды, ресурса и режима работы.
...
В сплавы, предназначенные для работы при сравнительно невысоких температурах (750—850°С) длительное время, вводят повышенное количество хрома (до 16—18%)", молибдена и вольфрама (до 10—12% суммарно), титана, ниобия и алюминия (8—10% суммарно). Это дает возможность получить большое количество упрочняющей у'-фазы. высокую легированность и жаропрочность матрицы.
...
Для высокотемпературной (975—1050°С) работы важно положение температуры солидуса сплава. Поэтому в сплавах ограничивают содержание хрома (6—10%),
...
Оценку роли различных элементов на сопротивление горячей коррозии можно дать ориентировочно, подсчитав эквивалент хрома по формуле Рентца:
...
Рис. 193. Фазовые диаграммы, иллюстрирующие области существования 7-граие-центрированиого твердого раствора в тройных N1—Со—Сг (а). №—А1—Т! (б) я
...
зывая это влияние с затруднением образования оксисуль-фидов. Иттрий и гафний улучшают адгезию окалины к металлу, их микродобавки также применяют в современных сплавах.
...
Никелевые жаропрочные сплавы являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в которых под действием высоких температур и напряжений непрерывно протекают фазовые и структурные превращения, т. е. эти сплавы являются с физико-химических позиций динамическими системами. Рассмотрим более подробно свойства фаз, образующих никелевые жаропрочные сплавы.
...
Рис. 193. Фазовые диаграммы, иллюстрирующие области существования 7-граие-центрированиого твердого раствора в тройных N1—Со—Сг (а). №—А1—Т!
...

Сварка пластмасс ультразвуком
Основы сварочного дела
Газовая сварка и резка металлов
Специальные стали
Трансформаторы для электродуговой сварки
Механические свойства металлов
Сварочный аппарат своими руками

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Специальные стали