- •Министерство образования и науки украины
- •1. Железоуглеродистые сплавы
- •1.1. Компоненты железоуглеродистых сплавов
- •1.2. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fе3c)
- •1.3. Структурные составляющие в системе Fe – Fe3с
- •1.4. Характеристика отдельных точек и линии диаграммы Fe-Fe3с
- •Первичная кристаллизация белых чугунов происходит при 1147°с. Перекристаллизация – при 727 0с.
- •1.5. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистой стали
- •2. Теория термической обработки
- •2.1. Классификация видов термической обработки
- •2.1. Превращения в стали при нагреве
- •2.2 Влияние величины зерна на свойства стали
- •2.3. Превращения в стали при охлаждении
- •2.4. Превращения в закаленной стали при нагреве
- •2.5. Влияние термической обработки на свойства стали
- •3. Технология термической обработки
- •3.1. Отжиг
- •3.2. Закалка.
- •3.2.1. Особенности закалки
- •3.2.2. Способы закалки.
- •3.2.3. Дефекты закалки.
- •3.3. Oтпуск стали.
- •3.4. Старение сплавов
- •4. Химико-термическая обработка (хто).
- •5. Классификация и принцип маркировки сталей. Углеродистые стали
- •5.1. Классификация сталей
- •5.2. Маркировка сталей
- •У8 - содержит 0,8 % с
- •Б – ниобий ц – цирконий п – фосфор а - азот (если буква находится в середине марки)
- •5.3. Легирующие элементы в стали
- •6. Конструкционные стали
- •6.1. Конструкционная прочность
- •6.2. Методы повышения конструкционной прочности.
- •6.3. Виды конструкционных сталей
- •7. Инструментальные стали и сплавы
- •7.1. Основные свойства инструментальных сталей и факторы, влияющие на них.
- •1. Эксплуатационные свойства.
- •2. Технологические свойства.
- •7.2. Стали для режущего инструмента.
- •7.3. Быстрорежущие стали.
- •8. Коррозия металлов. Стали и сплавы с особыми свойствами
- •8.1. Основные виды коррозии
- •8.2. Защита от коррозии (покрытия)
- •8.3. Контроль покрытий
- •8.4. Коррозионностойкие стали.
- •8.6. Жаропрочные стали
- •8.7. Сплавы с особыми упругими и тепловыми свойствами
- •8.8. Магнитные стали и сплавы
- •8.9. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
- •8.10. Графитизированная сталь
- •9. Микроскопический анализ сталей и чугунов
- •9.1. Общие сведения.
- •9.2. Крепление образцов. Шлифовка. Полировка.
- •9.3. Травление.
- •9.4. Микроанализ сталей
- •9.5. Микроанализ чугунов
- •9.6. Реактивы для выявления структуры сталей и чугунов
- •10. Макроскопический анализ металлов и сплавов
- •10.1. Сущность макроскопического анализа
- •10.2. Металлургические дефекты
- •10.3. Дефекты технологического происхождения
- •10.4. Эксплуатационные дефекты в условиях воздействия постоянных нагрузок
- •10.5. Эксплуатационные дефекты в условиях воздействия
- •11. Износостойкость сталей
8.6. Жаропрочные стали
При высоких температурах механические свойства металлов и сплавов из
меняются. Поэтому при расчете деталей, работающих под нагрузкой при высоких температурах, необходимо учитывать не только прочность при кратковременном нагружении, но и длительную прочность.
Пределом длительной прочности tT10 называется напряжение образца через данный промежуток времени при постоянной температуре Т. Так, 100700 означает предел длительной прочности при 100-часовом нагружении при 700 °С.
При высоких температурах и длительной нагрузке наблюдается ползучесть - непрерывное медленное нарастание деформации.
Кривая ползучести в координатах относительное удлинение - время (час) показана на рис. 8.3.
ав – неустановившаяся ползучесть
вс - установившаяся ползучесть
cd - ускоренная ползучесть
d - разрыв
Жаропрочность - способность тела выдерживать нагрузку при высокой температуре.
Рис. 8.3. Влияние температуры на деформацию образца
С повышением температуры подвижность атомов повышается, понижаются прочностные свойства. Причем у разных сплавов эти свойства понижаются при разных температурах. Особенно интенсивно при повышении температуры увеличивается скорость диффузии на границах зерен, где атомы не образуют правильной кристаллической решетки. Поэтому границы зерен при повышении температуры разупрочняются быстрее.
Жаропрочность определяется устойчивостью упрочненного состояния, полученного легированием, термической обработкой и др.
При ползучести происходят два противоположных процесса: пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением сплава (лес дислокаций) и рекристаллизация (уменьшение дислокаций), приводящая к разупрочнению. Чем выше температура рекристаллизации Тр сплава, тем при более высоких температурах будет происходить разупрочнение. Положительное влияние на сопротивление ползучести оказывают легирующие элементы, повышающие температуру рекристаллизации сплава. Перспективными в этом плане для стали являются тугоплавкие металлы: молибден, хром, никель, кобальт.
Жаростойкость (окалиностойкость) - свойство сплава сопротивляться окислению при высокой температуре.
Окалиностойкой сталь становится в том случае, если при ее нагреве до высоких температур на ее поверхности образуется плотная, прочная защитная пленка окислов. Для получения защитной пленки сталь легируют Cr, Si, A1 и др. Эти элементы имеют большее сродство с кислородом, чем железо, и образуют окислы Cr2O3, SiO2, Al2O3 (или более сложные окислы с железом) с плотным строением кристаллической решетки.
Стали, предназначенные для работы при высоких температурах, разделяют на:
-теплостойкие, работающие в нагруженном состоянии до 6000С. Это углеродистые низколегированные и хромистые стали перлитного либо мартенситного класса;
- жаропрочные (до 850 °С). Это высоколегированные стали аустенитного класса.
- окалиностойкие, слабонагруженные и работающие при Т > 500°С.
Перлитные, мартенситные, мартенсито-ферритные жаропрочные стали, сильхромы. Эти стали используются, в основном, для изготовления деталей котельных агрегатов, паровых турбин, работающих при температурах до 5500С. Легирование хромом, ванадием и молибденом производится для повышения температуры рекристаллизации (марки 12Х1МФ, 20Х3МФ–перлитные, 1Х12В2МФ – мартенсито-ферритные, 12Х2МФСР, Х5ВФ – мартенситные). Перлитные стали хорошо свариваются, поэтому применяются для изготовления труб пароперегревателей. Для изготовления деталей, не требующих сварки (клапаны двигателей внутреннего сгорания) применяются сильхромы (4Х9С2, Х6С, Х10С2М).
Аустенитные жаропрочные стали. Основными жаропрочными аустенитными сталями, работающими при температурах 500-7000С, являются хромоникелевые стали, содержащие 10-20% Ni и 10-20% Cr, которые могут быть дополнительно легированы вольфрамом, молибденом, ванадием, и др.
По структуре эти стали подразделяют на 2 группы: 1) гомогенные (17Х18Н9, 09Х14Н19В2Б, 12Х18Н12Т и др.), в основном, не упрочняемые термообработкой. Иногда для более однородной структуры эти стали подвергают закалке 1050-11000С и отпуску. Легирование ниобием увеличивает длительную прочность и сопротивление ползучести; 2) гетерогенные (37Х12Н8МФБ, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20Т3Р и др.). Эти стали подвергают закалке 1050-11000С и отпуску–старению при 7500С, в процессе которого выделяются карбонитриды, интерметаллидные фазы, сильно их упрочняющие.
Эти стали используют для: - клапанов выпуска автомобильных и тракторных двигателей; - деталей паросиловых установок тепловых электростанций (трубы пароперегревателей и паропроводов, лопатки паровых турбин, котлы сверхвысокого давления и др.); - для газовых турбин; -сопла реактивных двигателей и т.п.
Никелевые жаропрочные сплавы Эта группа сплавов имеет наибольшее значение. Без применения никелевых жаропрочных сплавов было бы невозможным развитие ведущих отраслей турбостроения. Рабочие температуры никелевых жаропрочных сплавов ~700-1050°С, что составляет 0,6-0,75 Тпл основы. Никелевые сплавы сочетают высокую жаропрочность, жаростойкость и технологичность.
Никель сам по себе не является жаропрочным. Тпл = 1455°С ниже, чем у железа (1539°С). Решетка - ГЦК. Плотность 8,9*103 кг/м3. Он мягок и пластичен.
Жаропрочность никелевых сплавов обеспечивается легированием и соответствующей термической обработкой. Современные никелевые жаропрочные сплавы имеют сложный состав, в них входят 7-9 основных легирующих элементов: A1, Ti, Cr, W, Mo, Ni, Та, V, Со. Все эти элементы, входя в состав твердого раствора на основе никеля, называемого - твердым раствором (в ГЦК-Ni), повышают его жаропрочность, а A1 и Ti образуют основную упрочняющую - фазу на основе Ni3 (Al,Ti) - ГЦК.
Маркировка: процентное содержание легирующих элементов, кроме никеля не показывают: ХН70ВМТЮ содержит 70 % Ni, а также Cr, W, Mo, Ti, Al.
Наибольший эффект (!) жаропрочности достигается при направленной кристаллизации, либо методом монокристаллического литья – выращивания крупного монокристалла размером в лопатку. Отсутствие зерен увеличивает стойкость металла.
Кобальт по свойствам схож с Ni. (Тпл=1495°С). Ниже 477°С кобальт имеет ГПУ - решетку, а выше - ГЦК - решетку. U1=8,9*103 кг/м3 (ГПУ)и U2= 8,7*10 3 кг/м3 (ГПК). По характеристикам жаропрочности кобальт не уступает никелю, а кобальтовые сплавы – уступают.
Достоинством кобальтовых сплавов является их хорошая коррозионная стойкость при повышенных температурах в продуктах сгорания топлива, содержащего серу. Они более стабильны при длительной работе и пр.