Жаропрочные стали и сплавы
Масленников С.Б.
Металлургия, 1983 г.
Жаропрочные стали и сплавы как особый вид конструкционных материалов стал интенсивно развиваться в связи с развитием турбостроения.
Турбина как источник или преобразователь энергии широко применяется в теплоэнергетике (силовые электростанции), судовых и авиационных двигателях. В последние годы появились газовые турбины для наземного подвижного состава (локомотивы, грузовые автомобили). В конструкциях современных турбии жаропрочные сплавы составляют 40—50% массы. Чем выше температура газа на входе в турбину, тем экономичнее двигатель. С повышением температуры газа уменьшается удельный расход топлива и воздуха на единицу мощности. Это обстоятельство привело к тому, что ' в короткий срок появилось много составов сталей и сплавов, рассчитанных на разливочные температуры и сроки работы.
Жаропрочные стали и сплавы —это материалы, которые работают при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния. Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали или сплава, является жаропрочность.
Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдерживать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если оговариваются напряжение и время, то эта характеристика называется пределом длительной прочности. Если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести.
Надежность работы металла оценивается не только прочностью, но и пластичностью, которую он сохраняет до конца службы. Поэтому второй важной характеристикой жаропрочного материала является запас пластичности, который определяется такими показателями, как … при испытаниях на длительную прочность, KCU после длительного старения и чувствительность к надрезу при испытании образцов с надрезом на длительную прочность. Для жаропрочных материалов хорошими показателями являются 6 и ф при испытаниях на длительную прочность, если значения составляют соответственно 10 и 10 %. Значение KCU оговаривается, исходя из условий работы материала.
Чувствительность к надрезу определяется как отношение времен до разрушения надрезанного и гладкого образцов, испытанных при омой и той же температуре я напряжении. Считается, что сплав нечувствителен к надрезу, если это отношение больше или равно единице.
Поскольку подъем температуры до рабочей протекает во времени, а начало работы, как правило, соответствует климатической температуре окружающей среды, важно также, чтобы и значения прочности и пластичности, свойственные материалу при комнатной температуре, были бы достаточно высокими. Для дисперсионнотвердеющих никелевых и железоникелевых сплавов значения прочности составляют >1200 МПа, >800 МПа. Несмотря на то что подавляющее число жаропрочных сплавав не имеет температурного порога хрупкости, или имеет его ниже рабочей температуры или температуры технологического передела, наличие различных концентраторов напряжений в реальных конструкциях неизбежно ставит вопрос о низкой чувствительности сплавов к наличию надрезов или острых трещин. С этой целью значение KCU должно быть как можно выше.
Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложно-напряженного состояния, характеризующегося постоянными изменениями величины и знака нагрузок, высокое сопротивление усталости при высоких температурах также важно, как и характеристики усталостной прочности для материалов, работающих при обычных климатических условиях.
Сложность современных технических решений конструкций обусловливает необходимость иметь материалы с высокими технологическими свойствами. Например, при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей применяют такие операции, как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых изделий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовлении камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Широкое распространение в последние годы получили сварка электродом, диффузионная сварка, сварка трением, пайка изделий.
Не следует упускать из вида н тот факт, что жаропрочные стали и сплавы по своей природе сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур, что накладывает свой отпечаток на всю технологию передела металла, начиная от деформации слитка и кончая конечными операциями доводки изделий до необходимых размеров и требуемой чистоты поверхности.
2. Деформация сталей и сплавов под действием ограниченных нагрузок
Если воздействующие на металл напряжения близки к пределу текучести, то металл будет медленно деформироваться в течение времени, зависящем от величины напряжения и температуры испытания. Это явление носит название ползучести. Ползучесть имеет место при всех температурах, начиная от абсолютного нуля до температуры плавления, однако механизм ползучести зависит от температурного интервала. Различают ползучесть логарифмическую, высокотемпературную и диффузионную.
Логарифмическая ползучесть имеет место при низких температурах, когда из-за низкой диффузионной подвижности элементов невозможен возврат механических свойств. В процессе ползучести металл постепенно упрочняется н скорость ползучести уменьшается. Характерная черта низкотемпературной ползучести — пропорциональность удлинения логарифму времени.
Наиболее распространенный в технике вид ползучести охватывает температурный интервал 0,4—0,7 Тпл металла основы. В настоящем справочнике приведены данные, охватывающие этот интервал температур.
При температурах выше 0,7 Тпл металла основы интенсивно развивается ползучесть вследствие ориентированной диффузии атомов под действием приложенных напряжений. Так, если к материалу прикладываются растягивающие напряжения, то атомы сплава интенсивно диффундируют в направлении к концам образца, а вакансии, наоборот, продвигаются в противоположном направлении. Длина образца при этом увеличивается.
3. Основные виды деформаций
при нагружении поликристаллических образцов
Прежде чем переходить к способам определения характеристик длительной прочности и ползучести, необходимо рассмотреть подробнее само явление ползучести. Промышленный металл массового потребления всегда представляет собой поликристалл. Под действием напряжений, прикладываемых к металлу, он испытывает различные виды деформации; упругую, вязкую и пластическую. Упругая деформация е описывается законом Гука: где а — приложенное напряжение; Е—модуль Юнга.
В отличие от упругой деформации вязкое течение характеризуется наличием деформации при условии пропорциональности приложенному напряжению не величины деформации, а скорости деформации. Вязкую деформацию в поликристаллических металлах связывают в основном с проскальзыванием по границам зерен. Вязкая деформация, подобно упругой, устраняется после снятия напряжений. Она особенно четко проявляет себя при высоких температурах н может протекать одновременно с упругой деформацией, приводя к рассеянию механической энергии в виде тепла. Это так называемое внутреннее трение.
Пластическая деформация, наблюдаемая при приложении нагрузки, в отличие от упругой и вязкой деформаций, не устраняется после снятия нагрузки и фиксируется при механических испытаниях в виде остаточного удлинения и сужения.
Высокое сопротивление окислению сталей и сплавов связано в первую очередь с большим количеством хрома, входящего в состав сплавов. Например, максимальное содержание хрома (по массе) в количестве 26—29 % имеет сплав на основе никеля ХН70Ю.
Однако повысить температурный предел работы никелевых и железных сплавов путем дальнейшего увеличения содержания одного лишь хрома не удается. Дело в том, что с увеличением содержания хрома свыше 30 % заметно снижается температура плавления железных и никелевых сплавов, но главное — сплавы становятся нетехнологичными в металлургическом производстве.
Многолетний опыт создания технологических сталей и сплавов, стойких против газовой коррозии, показал, что деформируемые свариваемые жаростойкие материалы для службы в условиях до 800"С могут быть созданы на основе систем Fe—Cr, Fe-—Cr—Mn—N; для температур выше 800 °С в качестве основы необходимо использовать- аустенит системы Fe—№—Cr. Выбор аустенитной структуры обусловлен необходимостью иметь при высокой температуре достаточный запас длительной прочности, свариваемости и пластичности.
Ферритная структура сталей типа Х25, Х28, Х25Т обеспечивает высокую стойкость в различных газовых средах, однако этим сталям свойственны охрупчивание, низкая жаропрочность и хрупкость сварных соединений.
Из общего анализа процесса окисления сложного сплава вытекает, что основными факторами, определяющими сопротивление сплава окислению при длительной службе, являются физико-химические свойства образующихся окнекых соединений компонентов сплава, сродство компонентов к кислороду, химические и структурные изменения в слоях металла на границе металл—окалина.
Легирование основы каким-либо элементом может сопровождаться при окислении:
— образованием собственного окисла добавляемого элемента, на внешней или внутренней стороне окалины;
— образованием смешанных окислов или шпинелей на основе компонентов сплава;
— изменением электропроводности окисного слоя;
— изменением адгезионных свойств окалины;
— изменением состава и структуры металла в подокалинных слоях;
— образованием включений окислов в теле или по границам зерен за счет внутреннего окисления;
' — образованием при окислении летучих продуктов.
В настоящее время применяется широкий арсенал методов исследования процесса окисления сложнолегированных композиций сплавов. Основной характеристикой стойкости сплава против окисления остается увеличение массы образца, реже применяется оценка по потере массы, определяемая в результате удаления окалины путем травления или ее восстановления.
Из структурных методов, помимо широкого применения рентгеноструктурного анализа фазового состава окалины, существенную информацию дает метод электронографии. Именно с помощью электронографического анализа удалось расшифровать структуру окислов в начальной стадии окисления и построить модели слоистого строения окалины.