Жаропрочные стали и сплавы

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.