Глава 14 ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Назад: 13.5 Технологические рекомендации по сварке.

14.1 Общая характеристика сталей

Жаропрочные стали и сплавы – это вид конструкционных материалов, эксплуатирующихся при высоких температурах (Т_раб > 550 ⁰С) в течение длительного времени (T_раб > 10000...100000 ч) в условиях сложнонапряженного состояния. Основной их характеристикой, определяющей работоспособность конструкций является жаропрочность.

Составляющими понятия жаропрочности являются:

1) величина напряжений, вызывающая деформации, не приводящие к разрушению материала или конструкции при рабочей температуре за заданный отрезок времени. Если оговариваются напряжение и время, то такая характеристика называется пределом длительной прочности, если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести;

2) запас пластичности, определяемый при испытаниях на длительную прочность, и ударную вязкость после длительного старения, определяющий чувствительность материала к надрезу;

3) значение прочности _B, пластичности d при нормальной температуре и сопротивление усталости _-1 при высоких температурах;

4) технологические свойства, обеспечивающие возможность обработки заготовок с использованием обычных операций штамповки, ковки, механической обработки и сварки.

Наиболее важными составляющими жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

Как известно [1] уровень ползучести определяется сопротивлением деформации кристаллической решетки при заданной температуре, зависящим от легирования, субструктуры металла в исходном состоянии и субструктуры, формирующейся в процессе высокотемпературного скольжения, а также выделений второй фазы из твердого раствора и состояния границ зерен (межзеренное проскальзывание). Как правило, чем выше уровень легирования твердого раствора, тем выше его сопротивление деформации ползучести при Т = const. Существенно повышают сопротивление ползучести Cr, Mo, W. В то же время с ростом температуры при постоянной величине деформации прочность кристаллической решетки может снижаться из-за увеличивающейся диффузии элементов и ослабления межатомных связей.

Таким образом, сопротивление ползучести определяются природой металла и его структурой и температурой. Установлено, что до Т_р = 0,5 Т_пл прочность металла и сопротивление ползучести определяются стабильностью его дислокационной структуры. При Т_р > 0,5Т_пл устойчивость дислокаций снижается, степень их закрепления структурными и концентрационными дефектами ослабевает из-за усиления диффузии, а главную роль в сопротивлении ползучести играют силы межатомной связи. Как правило, чем выше Т_пл и Т_рекр элемента, составляющего основу сплава (например, Fe, Co), тем выше сопротивление ползучести. Из структурных факторов наиболее сильно на уровень ползучести влияют состояние (дефектность) границ зерен и свойства упрочняющих (вторичных) дисперсных фаз.

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее величину пластической остаточной деформации, при заданной температуре, не приводящей к разрушению металла. Например, означает величину напряжения, которое при рабочей температуре Т = 5000 ⁰С вызывает 1 % остаточной (пластической) деформации за 10000 ч эксплуатации.

В стандартах эта характеристика оговорена для каждой марки жаропрочной и теплостойкой стали [12,14].

При экспериментальном определении уровня жаропрочности удобнее использовать значение скорости ползучести при данной температуре и напряжении, которая соответствует определенному удлинению (величине деформации).

Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызывающее разрушение материала за заданный срок и температуры эксплуатации. Однозначно доказано, что гетерогенные сплавы (структуры) обладают большей длительной прочностью, чем гомогенные сплавы. Лучшие результаты получаются, если легирующий элемент и растворяется в твердом растворе (упрочняет матрицу), и образует вторую фазу (Mo, Nb, W и т.п.).

По степени легирования жаропрочные стали можно разделить на низколегированные (Cr, Mo, V 3 %), работающие до Т 500…580 С (теплостойкие), и высоколегированные, содержащие Cr, Mo, V и другие легирующие элементы в количестве более 10 % (чаще 25...30 %) и длительно работающие при Т > 580...600 ⁰С. О них пойдет речь в этой главе.

Жаропрочные стали по типу легирования и характеру упрочнения классифицируют на две группы:

1. Гомогенные аустенитные стали, не упрочняемые термической обработкой. Жаропрочные и технологические свойства у них достигаются введением в железо достаточного количества углерода и комплексным легированием матрицы Ni, Cr, Mn, Mo, V и Nb с тем, чтобы получить стабильное во всем температурном интервале эксплуатации аустенитное состояние. Высокие жаропрочные свойства обеспечиваются в них как многокомонентностью легирования матрицы и субмикроскопически тонкой структурой, образующейся при выделении карбидной фазы. К таким сталям относятся 06Х14Н6Б, 08Х18Н12Т, 20Х23Н18, 07XI6H9M2. Они применяются для труб, паропроводов, камер сгорания и других узлов энергетического оборудования.

2. Гетерогенные стали, упрочняются термообработкой (закалка и старение), в результате которой в аустенитных сталях образуются достаточное количество карбидных, карбонитридных и интерметаллидных фаз, упрочняющих границы матрицы и обеспечивающие им требуемую ползучесть при более высоких температурах (до 7000 ⁰С). Эти фазы не растворяются при длительном высокотемпературном нагреве и, создавая барьеры для движения дислокации, снижают интенсивность пограничной диффузии элементов и повышают температуру рекристаллизации, а, следовательно, и длительную прочность при высоких температурах.

Наиболее стабильными упрочняющими фазами являются фазы Лавеса Fe₂W, Fe₂Mo, Fe₂Ti. Они, например, обеспечивают требуемый уровень жаропрочности сталей марок 10Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 10Х15Н35ВТР и др. Из этих сталей изготавливают роторы паровых турбин, паропроводы, лопатки турбин, автоклавы и др.

Все указанные стали обладают также жаростойкостью.

Далее: 14.2 Характеристика свариваемости.