Что такое жаростойкость и к какому свойству относится

Высокомарганцовистая износостойкая сталь Г13Л

Автоматные стали.

Автоматные стали отличаются от обыкновенных углеродистых конструкционных сталей повышенным содержанием серы и фосфора.

Химический состав (%) некоторых автоматных сталей

(ГОСТ 1414-54)

Характерной особенностью автоматных сталей является хорошая обрабатываемость резанием на металлорежущих станках. Это объясняется повышенным содержанием серы, которая образует большое количество включений сернистого марганца МnS, нарушающих сплошность металла, а также тем, что фосфор, растворяясь в феррите, сильно снижает его вязкость. При механической обработке автоматных сталей образуется короткая, ломкая стружка,

что особенно важно при работе на быстроходных станках-автоматах. Поверхность обработанных деталей получается чистой и ровной. Стойкость режещего инструмента при обработке автоматных сталей повышается, а скорость резания допускается больше, чем при обработке обыкновенных углеродистых сталей.

Недостаток автоматных сталей — пониженная пластичность, особенно в поперечном направлении. Это связано с тем, что большое количество сернистых включений образует полосчатую структуру. Поэтому автоматные стали применяют для изготовления малоответственных деталей, от которых не требуется высоких механических свойств (крепежные детали, пальцы, втулки и т.п.).

Обрабатываемость улучшают также присадкой к стали небольшого количества свинца.

Эта сталь, содержащая 1-1,4% С и 11–14 % Мn и относящаяся к аустенитному классу, имеет высокое сопротивление износу. Характерным для нее является то, что высокая износостойкость сочетается с высокой прочностью и низкой твердостью [σ~1000 МН /м2(100 кгс/мм2), НВ~210] в противоположность закаленным инструментальным сталям, в которых сопротивление износу обусловлено высокой твердостью. Высокая износостойкость стали Г13Л объясняется упрочнением (наклепом) аустенита при пластической деформации в процессе работы, в результате которого он в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя, мартенсит образуется в следующем слое и т.д. При повышенных давлений, например при абразивном износе, эта сталь не имеет достаточно высокой износостойкости. Сталь Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков и т.п.

К жаростойким (окалиностойким) относят стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550ºС и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

При высокой температуре в условиях эксплуатации в среде нагретого воздуха, в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали (газовая коррозия). На поверхности стали образуется сначала тонкая пленка окислов, которая с течением времени увеличивается и образуется окалина.

Способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре называется жаростойкостью (окалиностойкость).

Жаростойкость принято характеризовать температурой начала интенсивного окалинообразования в воздушной среде.

На интенсивность окисления влияет состав и строение окисной пленки. Если она пористая, окисление происходит интенсивно. Если плотная–окисление замедляется или даже совершенно прекращается.

Для получения плотной (защитной) окисной пленки сталь легируют хромом, также кремнием или алюминием. Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали легирующего элемента. Так, например, сталь 15х5 с содержанием 4,5-6,0% хрома жаростойка до температуры 700ºС, сталь 12х17 (17% Сr )—до 900ºС, сталь 15х28 (28% Сr)–до 1100-1150ºС (стали 12х17 и 15х28 являются также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (1200ºС) обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например, сплав ХН7ОЮ (26-29 % хроиа;2,8-3,5% алюминия).

Структура стали на жаростойкость не влияет.

К жаропрочным относят стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

В отличие от прочности при нормальной (комнатной) температуре, прочность при высоких температурах, т.е. сопротивлении механическим нагрузкам при высоких температурах, называют жаропрочностью.

Характерным является не только уменьшение прочности стали при высоких температурах, но и влияние на прочность стали при высоких температурах длительности действия приложенной нагрузки. В последнем случае под действием постоянной нагрузки сталь «ползет», поэтому данное явление названо ползучестью. Итак, ползучесть–это деформация, непрерывно увеличивающаяся и завершающаяся разрушением под действием постоянной нагрузки при длительном воздействии температуры. Для углеродистых и легированних конструкционных сталей ползучесть наблюдается при температурах выше 350ºС.

Ползучесть характеризуется пределом ползучести. Предел ползучести–это напряжение, вызывающее деформацию заданной величины (обачно от 0,1 до 1%) за определенный промежуток времени (100, 300, 500, 1000ч.) при заданной температуре.

Предел ползучести обозначает σ с тремя числовими индексами: двумя нижними и одним верхним. Первый нижний индекс означает заданное удлинение в процентах ,второй нижний индекс–заданное время испытания в часах, верхний індекс—температуру в Сº. Например σ0/600300—предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 300 ч испытания при температуре 600º С.

Кроме того, жаропрочность характеризуют пределом длительной прочности σ- напряжением , вызывающим разрушение при данной температуре за данный интервал времени. Например, σ700100 –предел длительной прочности при сточасовом нагружении при 700ºС.

Факторами, способствующими жаропрочности, являются: высокая температура плавления основного металла; наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы; пластическая деформация, вызывающая наклеп; высокая температура рекристаллизации; рациональное легирование; термическая и термомеханическая обработка; введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, церий, ниобий, цирконий, в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку – температуре эксплуатации. В таблице приведен химический состав некоторых жаропрочные сталей и сплавов

Для работы при температурах до 350-400ºС применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные )

Для работы при температуре 400-550ºС применяют стали перлитного класса 15ХМ1МФ. Для этих сталей основной характеристикой является предел ползучести, так они предназначены главным образом для изготовления деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и пароперегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих длительное время (до 100000ч).

Детали из сталей перлитного класса подвергают нормализации с температуры 950-1050ºС и от пуску при 650-750ºС с получением структуры сорбита с пластической формой карбидов.

Эти стали содержат мало хрома и потому обладают невысокой жаростойкостью (до 550-600ºС).

Для работы при температуре 500-600ºС применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин: хромокремнистые (называемые сильхромами), например 40Х9С2 для клапанов моторов: сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.

Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 100-150ºС и от пуску при 700-800ºС (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость НRС~60, а после отпуска–структуру сорбита, твердость НRC~30. Жаростойкость сталей мартенситного класса до температуры 750-850ºС.

Для работы при температуре 600-750оС применяют стали аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие). Нестареющие стали—это, например, сталь 09Х14Н16Б, предназначаемоя для труб пароперегревателей и трубопроводов установок сверхвысокого давления и применяемая посте закалки с 1100-1150оС (охлаждение в воде или на воздухе).

Стареющие стали—это сложнолегированные стали, например 45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов, сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС—для лопаток газовых турбин.

Химический состав (%) некоторых

Жаростойкость – это способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени.

Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре 500..550oC без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только жаростойкими (например, детали нагревательных печей). Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий). Высокой жаростойкостью обладают сильхромы, сплавы на основе никеля – нихромы, стали 08Х17Т, 36Х18Н25С2, 15Х6СЮ.

Жаропрочность – это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.

Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочностьϬВ, например ϬВ 300oС= 300МПа.

Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение ϬI, которое вызывает разрушение образца при заданной Т за определенное время.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной Т.

Кривая ползучести

ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

1. АВ – участок, соответствующий начальной V ползучести;

2. ВС – участок установившейся V ползучести, когда удлинение c пост. V.

Предел ползучести – напряжение, которое за определенное время при заданной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации.

55. Титан и его сплавы. Практическое применение сплавов.

Титаншироко распространен в земной коре, где его содержится около 6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивалось. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик, приведенных ниже.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Титановые сплавы получают путём легирования титана следующими элементами (числа в скобках — максимальная для промышленных сплавов концентрация легирующей добавки в % по массе): Al (8), V (16), Mo (30), Mn (8), Sn (13), Zr (10), Cr (10), Cu (3), Fe (5), W (5), Ni (32), Si (0,5); реже применяется легирование Nb (2) и Та (5). Как микродобавки применяются Pd (0,2) для повышения коррозионной стойкости и В (0,01) для измельчения зерна. Легирующие добавки имеют различную растворимость в a и b-Ti и изменяют температуру a/b-превращения. Алюминий, а также кислород и азот, предпочтительнее растворяющиеся в a-Ti, повышают эту температуру по мере увеличения их концентрации, что ведёт к расширению области существования a-модификации; такие элементы называются a-стабилизаторами. Sn и Zr хорошо растворяются в обеих аллотропических модификациях титана и очень мало влияют на температуру a/b-превращения; они относятся к так называемым нейтральным упрочнителям. Все остальные добавки к промышленным титановым сплавам предпочтительнее растворяются в b-Ti, являются b-стабилизаторами и снижают температуру полиморфного превращения титана. Их растворимость в a и b-модификациях титана меняется с температурой, что позволяет упрочнять сплавы, содержащие эти элементы, путём закалки и старения.

Повышение температуры существенно влияет на структуру и свойства материалов. За счет увеличения температуры наблюдаются снижение прочности и увеличение пластичности металлов, что связано с ослаблением межатомных связей в кристаллической решетке, увеличением скорости диффузионных процессов, которые влияют на дефектную структуру металлов, а следовательно, и на их свойства.

Жаростойкость и методы ее повышения

Жаростойкость (окалиностойкость) — способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах.

Жаропрочные и жаростойкие материалы применяют для изготовления деталей установок, которые подвергаются механическим нагрузкам при высоких температурах: тепловые электростации (ТЭЦ), установки нефтехимических предприятий и нефтеперерабатывающей промышленности, газовые турбины и авиационные двигатели.

Современные ТЭЦ используют пар, нагретый до температуры 500—650°С. Стационарные газовые турбины и воздухонагреватели работают при температуре свыше 700°С. Наиболее высокие рабочие температуры — в авиационных двигателях и химических установках: 1100°С и выше.

Железо с кислородом может образовывать оксиды трех видов: FeO, Fe203 и Рез04. До температуры 600°С окалина состоит в основном состоит из плотного слоя оксидов Fe203 и Рез04, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов, и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Следовательно, при температуре 600°С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа (рис. 7.1).

Жаростойкость зависит от многих внешних и внутренних факторов.

Рис. 7.1. Зависимость скорости окисления железа от температуры

В основном за жаростойкость отвечают поверхность металла и чистота ее обработки. Полированные поверхности окисляются медленнее, гак как оксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Формирующаяся на поверхности оксидная пленка достаточно хороню защищает металл от дальнейшего окисления в том случае, если она плотная и не пропускает ионы кислорода, хорошо сцеплена с подложкой и не отслаивается при механических испытаниях. К металлам, которые образуют такие пленки, относятся хром и алюминий. Оксидные пленки типа шпинели Сг20з и А12Оз хорошо защищают от окисления при высоких температурах. Если на поверхности образуется рыхлый оксид, как у магния, то он не стоек и не защищает металл от дальнейшего окисления (табл. 7.1).

Повышение жаростойкости сплавов достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода оксидные пленки. Также для этих целей используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия и состава агрессивной среды. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы).

Термическая обработка меняет строение сплавов и, следовательно, их коррозионную стойкость. Отжиг и нормализация приводят к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости материала.

Таблица 7.1

Сравнительные данные жаростойкости чистых металлов

Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла. Величина зерна для жаростойкого материала не существенна, поэтому эта характеристика является структурно нечувствительной.

Характеристики сплавов, стойких к коррозии при повышенных температурах, могут быть даны лишь к конкретным агрессивным средам, и выбор материала решается с учетом условий работы данного изделия.