книги из ГПНТБ / Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении

Сталь данного состава имеет наибольшую устойчивость в от­ ношении сфероидизации при условии крупнозернистой струк­ туры с перлитом, характеризующимся отчетливым пластинчатым строением, и при отсутствии наклепа и остаточных напряжений любого происхождения. Пластически деформированные участки металла в случае последующей работы при высокой температуре должны быть подвергнуты отжигу выше температуры Асг для снятия наклепа и напряжений. После горячей деформации терми­ ческую обработку можно не проводить.

Наименее устойчивы в отношении сфероидизации обычные углеродистые стали. В них сфероидизации протекает с ощутимой скоростью, начиная с 470—4.80° С. Легирование сталей молиб­ деном и хромом увеличивает устойчивость перлита. Однако при дальнейшем повышении рабочих температур низколегированные молибденовые и хромомолибденовые стали теряют свою структур­ ную устойчивость. В этих сталях сфероидизация обнаруживается при нагреве выше 500° С.

Для оценки степени сфероидизации разработана шкала: 1-й балл шкалы соответствует начальной стадии сфероидизации, 6-й балл — глубокой сфероидизации, когда цементит полностью теряет пластинчатое строение и принимает форму округлых ча­ стиц (сфероидов).

Н. В. Ульяновой и А. 3. Конторовским исследовано влияние степени сфероидизации цементита в перлите на механические свойства сталей марок 15 и 15М. Результаты исследования меха­ нических свойств металла труб, изготовленных из стали указан­ ных марок, сведены в табл. 8. Испытания на растяжение были проведены при 20 и 500° С на образцах сталей со структурой, состоящей из феррита и пластинчатого перлита с различной сте­ пенью сфероидизации — промежуточной (3—4-й балл шкалы)

иглубокой (5—6-й балл) сфероидизации.

8.Снижение механических свойств сталей (в %)

после сфероидизации

Промежуточная сфероидизация

ПО

характерны низкие механические свойства. Как показали иссле­ дования, графитизация развивается в углеродистых сталях при

от способа их выплавки и условий раскисления. Сталь 15М спо­ собна графитизироваться при раскислении плавки значительным количеством алюминия. Такое раскисление стали необходимо для получения хорошо раскисленных беспористых слитков, дающих возможность изготовлять качественные бесшовные трубы и дру­ гие изделия. Молибденовые стали, раскисленные алюминием в количестве до 200 г на тонну, имеют относительно высокую сопротивляемость графитизации. Эти же стали, раскисленные алюминием в количестве 600 г на тонну и выше, обладают низкой сопротивляемостью графитизации. При раскислении стали алю­ минием в количестве 200—600 г на тонну наблюдается различная сопротивляемость графитизации.

Распад цементита в стали происходит медленно, и поэтому требуется значительное время, измеряемое иногда годами, чтобы графит можно было обнаружить микроскопическим исследованием при помощи оптического микроскопа. На рис. 44 показаны полу­ ченные Н. В. Ульяновой в лабораторных условиях структуры сталей с выделившимся графитом. В зависимости от многих фак­ торов графитные выделения имеют различную форму и величину. Наибольшую опасность представляют скопления сегрегирован­ ного графита, образующие хрупкие с низкой прочностью зоны в стали, в которых может произойти разрушение. Графитовые пластинки снижают прочность стали так же, как острые прорези, вокруг которых развивается концентрация напряжений. Менее опасны небольшие точечные образования графита. Повышение температуры ускоряет процесс графитизации, причем влияние температуры значительно эффективнее, чем влияние времени.

Опытные данные позволяют заключить, что напряжения влияют как на скорость графитизации, так и на распределение и величину графитных выделений.

Например, установлено ускоряющее влияние холодной пласти­ ческой деформации, которая, как известно, сопровождается обра­ зованием соответствующих напряжений в металле. Остаточные зональные напряжения, появившиеся в результате неравномер­ ного охлаждения в процессе термической обработки,, ускоряют графитизацию в несколько раз и вызывают образование крупных графитовых скоплений. Предпочтительным местом графитизации металла в рабочих условиях являются низкотемпературные участки зоны теплового влияния сварных швов. Вместе с тем ми­ кроанализ образцов, вырезанных из сварных швов, подвергнутых длительной выдержке в лабораторных печах при высоких темпе­ ратурах, но при отсутствии напряжений, показал, что зона тепло­ вого влияния не оказывается местом предпочтительной графити-

112

зации. Сопоставление указанных фактов позволяет предпола­ гать, что роль напряжений в процессе графитизации является значительной.

Химический состав стали также влияет па графитизацию. Препятствуют графитизации карбидообразующие элементы, на-

Рис. 44. Графит в микроструктуре трубной стали с 0,5% Мо:

а — отдельные скопления графитаг б — сегрегированный графит (Х 500)

пример: марганец, молибден, хром, титан, бор и ниобий. Элемен­ тами, способствующими графитизации, являются углерод, крем­ ний, никель и алюминий. От соотношения содержания указанных элементов в стали зависит сопротивляемость графитизации. Иссле­ дования показали, что особенно эффективно повышает сопроти­ вляемость графитизации хром. Достаточно ввести в стали 15М, 20М и пр. небольшое количество хрома (0,3—0,5%), чтобы предотвра­ тить или, по крайней мере, резко замедлить процесс графи­ тизации .

ИССЛЕДОВАНИЯ с к л о н н о с т и

КМ Е Ж К РИ С Т А Л Л И Т Н О Й К ОРРО ЗИИ

Визвестных условиях некоторые аустенитные стали обнаружи­ вают склонность к особому виду коррозионного разрушения,

развивающемуся главным образом по границам зерен металла и не затрагивающему или затрагивающему только в небольшой степени основную массу кристаллических зерен аустенита. Этот вид коррозионного разрушения носит название межкристаллит­ ной или интеркристаллитной коррозии и присущ, например, хромоникелевой стали 18-8.

Эта сталь после закалки с 1000— 1050° С в воде представляет собой пересыщенный углеродом (так как растворимость углерода в аустените в стали 18-8 весьма мала) однородный твердый рас­ твор у. Такой раствор неустойчив. При нагреве стали до 500° С и выше из твердого раствора у выделяются карбиды, богатые хромом. Первоначально мелкодисперсные карбиды выделяются по границам зерен, а затем происходит укрупнение и коагуляция выделившихся карбидов. В процессе образования и выпадения карбидов соседние с ними участки твердого раствора обедняются хромом и углеродом. Вдоль границ зерен аустенита созда­ ются узкие прослойки или зоны бедного хромом твердого рас­ твора.

Хром играет очень важную роль как элемент, в значительной степени определяющий коррозионную стойкость стали. Если содержание хрома в твердом растворе оказывается на отдельных его участках ниже некоторого минимально допустимого, то кор­ розионная стойкость этих участков резко снижается. Поэтому, если в стали 18-8 произошло выпадение богатых хромом карбидов по границам зерен, то при общей высокой сопротивляемости стали действию коррозионных сред тонкие прослойки металла вдоль границ зерен, обедненные хромом, будут иметь резко сниженную коррозионную стойкость.

Та или иная среда, не способная вызвать коррозионное разру­ шение стали 18-8 в обычном ее состоянии, может оказаться доста­ точно агрессивной для того, чтобы коррозия начала интенсивно развиваться в обедненных хромом пограничных зонах. В таких условиях в аустенитной стали возможен процесс избирательного коррозионного разрушения по границам зерен. На рис. 45 пока­ зана структура аустенитной стали с выпавшими по границам зерен карбидами после нагрева до 600° С.

Наряду с выделением карбидов в стали происходит образо­ вание а-фазы в обедненных хромом и углеродом участках. Раство­ римость никеля в аустените больше, чем в феррите, поэтому может произойти обеднение околограничных прослоек металла не только хромом, но и никелем. На границах зерен создается значительная структурная неоднородность, а образующиеся кар­ биды и феррит будут иметь иные потенциалы, чем аустенит.

114

Межкристаллитная коррозия, постепенно распространяясь в глубь металла, ослабляет связи между зернами, а затем приводит даже к полной их изоляции. Пораженный межкристаллитной коррозией металл теряет присущую ему монолитность, прочность и упругость. При микроскопическом исследовании образцов та­ кого металла можно наблюдать выпавшие зерна (рис. 46).

При интенсивном развитии межкристаллитного разрушения изменяются электропроводность стали и характер звука, издавае­ мого образцом металла при падении на каменную или мраморную плиту. Типичный звонкий металлический звук сменяется глухим, подобным тому, который издает падающая деревянная пластинка. После сварки межкристаллитная коррозия развивается особенно в зонах теплового влияния шва, где при сварке температура достигала 550—750° С.

Межкристаллитная коррозия представляет серьезную опас­ ность для деталей, постоянно работающих при температурах 500° С и выше. Она может привести к внезапному разрушению металла, не проявляясь заметным образом до самого момента разрушения.

Для предотвращения межкристаллитной коррозии обычно вводят в состав аустенитных сталей более сильные, чем хром,

карбидообразующие элементы. Последние, введенные в достаточ­ ном количестве, соединяются в карбиды с выделяющимся углеро­ дом, а хром остается в твердом растворе. Таким сильным карби­ дообразующим элементом является титан. Введение в аустенит­ ную сталь титана в количестве, в 4—5 раз превышающем содер­ жание в стали углерода, снижает склонность стали к межкристал­ литному разрушению. Подобным же образом действуют ниобий и тантал. Уменьшение содержания углерода — фактор, пони­ жающий склонность аустенитных сталей к межкристаллитной коррозии.

Термическая обработка, цель которой более или менее равно­ мерное выделение карбидов по всему объему зерна, а не только по его границам, также снижает склонность стали к межкри­ сталлитной коррозии. В результате такой термической обработки может незначительно снизиться общая коррозионная стойкость стали при одновременном устранении склонности к избиратель­ ной коррозии по границам зерен. Однако термическая обработка все же полностью не устраняет склонности стали к межкристал­ литной коррозии.

При длительном воздействии высоких температур в стали с выпавшими карбидами, склонной к межкристаллитной корро­ зии, может развиваться процесс выравнивания концентрации хрома по зерну и его границам за счет диффузии хрома из глу­ бины зерен к обедненным им прослойкам по границам зерен. Склонность сплава к коррозионному разрушению по границам зерен в начальный период эксплуатации возрастает до некоторого максимума, а затем по мере обогащения диффундирующим хромом пограничных зон начинает снижаться. По-видимому, можно ожидать, что после достаточно длительной выдержки, тем боль­ шей, чем ниже температура эксплуатации, сталь может оказаться практически невосприимчивой к межкристаллитной коррозии. Вопрос о выработке в стали иммунитета против межкристаллитной коррозии в условиях длительного воздействия различных темпе­ ратур изучен еще недостаточно.

Разработаны методы выявления склонности сталей к межкри- - сталлитной коррозии. Для контроля сталей марок 1Х18Н9Т, 2Х18Н9, 1Х14Н18В2Б, 1Х14Н16Б и др. и их сварных соединений рекомендуется метод А: испытание в водном растворе медного

(образцы сталей, содержащих титан или ниобий, — не менее 75 ч). После кипячения образцы испытывают, изгибая их на угол 90°. На поверхности образца не должно быть поперечных трещин, обнаруживаемых при 8—10-кратном увеличении.

По другому методу (AM) образцы и сварные соединения из сталей 0Х18Н9, 1Х18Н9, 1Х18Н9Т и др. кипятят в водном рас­ творе медного купороса и серной кислоты (160 г CuS04 -5H2Ö + + 100 мл H 2S04+ 1 л воды) в присутствии медной стружки.

116

После кипячения в течение 24 ч образцы подвергают испытаниям на изгиб (на угол 90°). Для контроля изделий и деталей, изгото­ вляемых из сталей 0Х18Н9, 0Х18Н9Т, 1Х18Н9, 1Х18Н9Т и 2Х18Н9 методами сварки, горячей штамповки и гибки, применяют анодное травление (метод Б) на доступных для этого участках. Если на участках анодного травления образуется тонкая сетка, то изделие бракуют.

И СП Ы ТАН ИЯ НА ТЕРМ И Ч ЕС К У Ю УСТАЛОСТЬ

Детали турбин работают в условиях нестационарных темпера­ турных режимов. Пуск и остановка турбин, изменения нагрузки и другие факторы в процессе эксплуатации турбин на электростан­ циях вызывают многократные, периодически повторяющиеся изме­ нения температуры, при которой работает металл многих деталей турбин. Известны случаи, когда следствием этих циклических изменений температуры являются повреждения металла, сходные по своему характеру с усталостными разрушениями, возникаю­ щими в результате воздействия циклически повторяющихся механических напряжений, переменных по знаку или величине или по обоим этим параметрам.

Проблемам прочности металлов в условиях циклических изме­ нений температуры посвящены работы Ю. Ф. Баландина,

Л.М. Акимова, Н. М. Склярова, С. В. Серенсена, А. А. Бочвара,

Л.П. Никитиной и др.

Известно, что металл имеет свойство изменять размеры в зави­ симости от температуры. Если свободному изменению размеров детали при равномерном нагреве или охлаждении препятствуют те или иные ограничители (например, размеры или форма сопря­ женных деталей), то в детали возникают термические напряжения. Они могут появиться и при отсутствии внешних ограничителей в толстостенных односторонне нагреваемых или охлаждаемых изделиях. Например, в толстостенной трубе при быстром ее на­ греве снаружи температура внутренней поверхности будет не­ сколько ниже, чем наружной. Разница температур наружной и внутренней поверхностей будет тем больше, чем ниже тепло­ проводность металла трубы. Расширению наружных слоев трубы будут препятствовать более холодные внутренние слои, которые, в свою очередь, испытывают растягивающее воздействие наруж­ ных слоев. Чем больше перепад температур по толщине детали, тем больше будет величина возникающих термических напряже­ ний.

В металле термические напряжения могут возникать при изменении температуры и по другим причинам — вследствие, на­ пример, неблагоприятной конфигурации детали, различного коэф­ фициента линейного расширения структурных составляющих металла и т. д. Термические напряжения при однократном воз­ действии резкого нагрева или охлаждения для пластичных

117

I

металлов и сплавов обычно не представляют опасности. Однако периодическая смена нагревов и охлаждений может при извест­ ных условиях привести к изменениям размеров и искажению формы детали, некоторым изменениям структуры металла и обра­ зованию трещин. Вначале очень тонкие трещины появляются на поверхности детали. С увеличением числа циклических изменений температуры (теплосмен) трещины становятся крупнее, глубже, количество их увеличивается, образуется сетка трещин, и металл может разрушиться.

Явление образования трещин в металле, на который действуют циклические напряжения, возникающие обычно вследствие не­ свободного, стесненного деформирования детали при периодически изменяющихся температурах, называют термической усталостью. Термическая усталость относится к категории малоцикловой усталости — обычно число циклических изменений температуры до образования трещин не превышает тысяч или десятков тысяч циклов (усталость металлов, связанная с действием механических напряжений, наблюдается при большем количестве циклов — до нескольких миллионов). Длительность термического цикла при различных условиях может изменяться в очень широких преде­ лах — от нескольких секунд до сотен часов.

Трещины термической усталости наблюдаются на входных и выходных кромках рабочих и сопловых лопаток турбин, в каме­ рах сгорания газотурбинных установок, на поверхностях бара­ банов паровых котлов, в отдельных деталях дизелей, корпусах атомных реакторов и др. Способность металлических изделий выдерживать без образования трещин определенное число цикли­ ческих изменений температуры называют сопротивлением терми­ ческой усталости. Применяют и много других терминов для этой характеристики металла — термостойкость, сопротивление тепло­ вой усталости, сопротивление термическим ударам и пр.

Существуют многочисленные, весьма разнообразные методы испытаний на термическую усталость, которые делят на две основ­ ные группы: испытания с оценкой величины термических напря­ жений во время термического цикла и испытания без такой оценки. Образцы нагревают индукционным способом, электрическим то­ ком, пропускаемым непосредственно через образцы, в электропе­ чах косвенного нагрева, свинцовых или других горячих ваннах. Охлаждают образцы в воде или струе сжатого воздуха. Скорости нагрева и охлаждения образцов, температурный интервал цикли­ ческих изменений температуры широко варьируются различными исследователями в зависимости от условий работы изучаемого изделия. Разнообразны, в зависимости от целей испытания, форма и размеры образцов. Обычно образцы плоские, небольшой толщины. Часто их делают с концентраторами напряжений — отверстиями, вырезами.

Одним из основных параметров, характеризующих термический цикл, является стесненная деформация. Поэтому представляют

118

интерес методы испытаний на термическую усталость, позволяющие оценить ее при заданной величине стесненной деформации. Л. Коффин предложил методику испытаний, по которой трубча­ тый образец с утолщенными головками, жестко закрепленный между двумя фланцами, соединенными опорными колонками, периодически нагревается электрическим током и охлаждается изнутри струей сжатого воздуха. Заданный температурный режим поддерживается автоматически. В образце возникает стесненная деформация вследствие отсутствия возможности свободно расши­ ряться и сжиматься при изменении температуры.

Рис. 47. Клиновидный образец, приближенно имитирую­ щий кромку лопатки газовой турбины

Величину стесненной деформации можно определить экспери­ ментально как разность между значениями свободного удлинения трубчатого образца и его удлинения в закрепленном состоянии при максимальной температуре цикла. Можно также, измеряя фактическую разность температур в отдельных точках по длине I образца и зная коэффициент линейного расширения а исследуе­ мого металла в температурном интервале цикла, определить сред­ нюю величину деформации:

где (öj + 62) — поправка на упругое перемещение опорных коло­ нок установки.

Критерием разрушения трубчатых образцов считают образо­ вание сквозной трещины, которая обычно обнаруживается вскоре после появления первых поверхностных трещин, так как металл на концах этих трещин усиленно нагревается электрическим током.

Л. П. Никитина и Н. Н. Ревякина исследовали на тепловую усталость литые и кованые никелевые сплавы для лопаток газо­ вых турбин. Были применены клиновидные образцы (рис. 47),

119