Жаростойкие стали аустенитного класса.

Основные стали: 08Х18Н10Т (700º С), 08Х22Н20С2 (1100º С), 08Х28Н20 (1100-1150º С). Если требуется достичь температур 1100-1200º С, то используют нихромы (Ni-Cr): ХН80, ХН78Т.

 

Жаропрочность сталей и сплавов.

Под жаропрочностью понимают способность металла сопротивляться нагрузкам при повышенных температурах. Жаропрочность оценивается двумя показателями:

1. Предел длительной прочности, т.е. способность металла без разрушения выдерживать нагрузки при заданной температуре.

такая запись показывает, что данный сплав гарантированно без разрушения в течение 100 часов при температуре 700º С выдерживает нагрузку 50 мПа.

2. Предел ползучести.

Предел ползучести показывает, что данный металл или сплав при температуре 750º С под нагрузкой 100 мПа в течение 1000 часов изменит свои размеры не более, чем 0,1%. Основной механизм пластической деформации при высоких температурах – это диффузионная пластичность, т.е. последовательное перемещение атомов кристаллической решетки в направлении прикладываемой нагрузки. Наиболее энергично диффузия развивается при наличии дефектов кристаллической решетки (точечных, линейных и поверхностных). Наибольший вклад в этот процесс вносят поверхностные дефекты, особенно границы зерен. При повышении температуры силы связи между атомами ослабевают, поэтому наблюдается проскальзывание отдельных зерен друг относительно друга, т.к. именно на границах зерен наблюдается большое количество разорванных связей. То есть прочность границ при высоких температурах меньше, чем самих зерен. Поэтому в жаропрочных материалах всегда добиваются разнозернистой структуры или даже монокристаллической. Затруднить процесс ползучести можно так же блокируя перемещения дислокаций. Для этого необходимо вводить в сплав специальные легирующие элементы, которые образуют на плоскостях скольжения карбидные и интерметаллидные фазы. Дислокации, натыкаясь на эти фазы, тормозятся. Чем мельче эти фазы и чем их больше, тем интенсивнее процесс торможения и тем выше сопротивление ползучести. Наиболее сильно проявляется ползучесть при увеличении температуры выше температуры рекристаллизации металла – основы сплава. Для повышения температуры начала рекристаллизации вводят легирующие элементы, которые повышают порог рекристаллизации.

1. Для получения жаропрочного металла необходимо выбирать в качестве металла – основы сплава такие, у которых силы связи между атомами максимальны, т.е. металлы, обладающие наиболее высокой температурой плавления (Mg-651º С, Al-660º С, Ni-1442º С, Fe-1533º С, Ti-1668º С, Co-1830º С, Mo-2100º С, W-3430º С). При выборе металла – основы для жаропрочных сплавов необходимо учитывать наличие в данном металле полиморфных превращений. Т.к. смена кристаллической решетки при полиморфном превращении приводит к разупрочнению металла и к потере всех механических свойств. Полиморфное превращение затрудняет создание высокожаропрочных сплавов на базе Fe или Ti.

2. Легирующие элементы. Для создания жаропрочных сплавов необходимо вводить легирующие элементы, которые увеличивают силы связи в кристаллической решетке. А во-вторых, образуют в сплаве интерметаллиды и карбиды, препятствующие перемещению дислокаций. Одновременно с введением легирующих элементов необходимо обеспечивать чистоту сплава от вредных примесей. Вредными считаются легкоплавкие примеси, а так же любые другие элементы, вызывающие хрупкость.

3. Структура. Чтобы получить необходимую рабочую структуру для жаропрочных материалов, разработаны соответствующие режимы термообработки. Для получения крупнозернистой структуры, применяют высокотемпературный нагрев и длительную выдержку. При этом в раствор переходит большая часть легирующих элементов. Охлаждение проводится очень быстро (на воздухе или в воде) для фиксации пересыщенного твердого раствора. После закалки делается высокотемпературное старение.

 

Классификация жаропрочных сплавов.

Основные требования:

1. Максимально высокий предел длительной прочности.

2. Минимальная ползучесть в рабочем интервале температур.

3. Высокое сопротивление усталости, нечувствительность к концентраторам напряжений.

4. Максимально возможное сопротивление газовой коррозии.

5. Удовлетворительные технологические свойства (обрабатываемость давлением, литейные свойства, свариваемость).

1). 150-250º С – сплавы на основе Mg.

2). 250-350º С – сплавы на основе Al.

3). 350-450º С – сплавы на основе Ti.

4). 450-600º С – теплоустойчивые стали.

а) до 500º С – котельные стали (15К, 18К, 20К).

б) до 550º С – 12ХМ, 12Х1МФ, 25Х1МФ.

в) до 600º С – 15Х5, 15Х5ВФ, 14Х12В2Ф.

Основное требование для теплоустойчивых сталей – длительная безаварийная работа (100000 – 300000 часов).

Термообработка: закалка + высокий отпуск (t_отп > t_раб).

5). 600-700º С – аустенитные стали на основе γ-Fe.

а) 10Х18Н14Т – гомогенные стали (не упрочняемые термообработкой). Применяется закалка (для получения однородной аустенитной структуры). Иначе такая термообработка называется аустенизацией.

б) 40ХН14В2М – тяжело нагруженные детали. Применяется закалка + отпуск. В процессе отпуска выделяются карбиды по границам зерен, что позволяет упрочнять сплавы.

в) 10Х11Н20Т3Р – карбидно – интерметаллидное упрочнение. Применяется закалка + старение. Закалка позволяет получить насыщенный твердый раствор. Старение позволяет получить выделение карбидов и интерметаллидов.

6). 700-800º С – сплавы на обнове Fe-Ni. ХН32Т, ХН35ВТЮ.

7). 800-900º С – сплавы на основе Ni. ХН77ТЮР, ХН72МБТЮ.

Термообработка: высокотемпературная закалка 1130-1170º С + старение 700-750º С. После выделения карбидной фазы проводят несколько низкотемпературных старений 500-550º С.

8). до 1000º С – литейные сплавы. ЖС3, ЖС6, ВЖЛ14, ВЖЛ32.

 

Цветные сплавы.

Al и его сплавы.

Сплавы делят на две группы. Алюминиевые сплавы принято классифицировать по технологическому признаку, базируясь на диаграмме состояния. Алюминий со всеми легирующими элементами образует диаграммы состояния с эвтектикой. Если в сплаве образуется эвтектика, то она располагается по границам зерен, препятствуя пластической деформации. Чем больше эвтектики, тем выше литейные свойства. Все сплавы, содержащие в составе эвтектику, называют литейными сплавами. Сплавы, в которых эвтектика не образуется, хорошо поддаются пластической деформации, поэтому называются деформируемыми сплавами. По отношению к термообработке все алюминиевые сплавы принято разделять на упрочняемые и не упрочняемые. Упрочнять алюминиевые сплавы можно только за счет закалки без полиморфного превращения, т.е. за счет ограниченной растворимости легирующих элементов в твердом растворе. Поэтому все сплавы, лежащие левее линии сольвус, считаются не упрочняемыми термообработкой, т.к. при нагреве и охлаждении никаких фазовых превращений не происходит. Сплавы, лежащие правее линии сольвус, имеют ограниченную растворимость легирующих элементов. В процессе нагрева вторичные фазы растворяются, а при охлаждении снова выделяются. Используя это фазовое превращение, можно упрочнять такие сплавы за счет закалки и старения, поэтому такие сплавы называют упрочняемыми. Упрочнять термообработкой можно как деформируемые, так и литейные стали. В некоторых сплавах количество легирующих элементов невелико, поэтому эффект упрочнения от выделения вторичных фаз так же невелик. Такие сплавы так же считаются не упрочняемыми термообработкой (АМц, АМг).