Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура.

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Характеристиками жаропрочности являются предел ползучести, длительная прочность, предел выносливости.

Предел ползучести – это напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при данной температуре. Предел ползучести обозначают буквой «сигма» с числовыми индексами. Например, - это напряжение, вызывающее суммарную деформацию в 0,2% за 100 ч при температуре 700°С.

Длительная прочность – напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данный отрезок времени. Предел длительной прочности обозначают буквой «сигма» с индексами, определяющими температуру и длительность испытания. Например, - напряжение, вызывающее разрушение материала за 1000 ч при 700°С. Она определяет срок службы материала до разрушения. Для определения усталостной прочности проводят испытания на усталость при высоких температурах, при переменных и знакопеременных нагрузках. Пределы выносливости жаропрочных материалов выше их пределов длительной жаропрочности.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений. Ползучесть металлов развивается благодаря перемещению дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному переносу. При нагреве имевшиеся вокруг дислокаций скопления легирующих элементов растворяются, и это облегчает скольжение.

Нагрев материала ускоряет диффузионный приток вакансий и облегчает переползание дислокаций в соседние плоскости кристалла. Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен относительно друг друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Деформация скольжения тем больше, чем мельче зерно. Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений уменьшается энергия образования вакансий, их концентрация увеличивается. Они начинают перемещаться в зоны, где их концентрация меньше. Навстречу потоку вакансий движется поток атомов, у растянутых границ количество атомов увеличивается и зерна удлиняются. Перенос атомов по объему зерна существенную роль играет лишь при температурах около 0,9Тпл., тогда как зернограничная диффузия существенна при (0,4 – 0,6)Тпл.

Для повышения жаропрочности следует ограничить подвижность дислокации и замедлить диффузию. Это достигается легированием тугоплавкими металлами, получением высокодисперсных фаз, термической обработкой для получения структуры полигонизации, упорядочением твердого раствора металла – основы и создание анизотропной структуры.

Легирующие элементы, вводимые в состав жаропрочных сплавов на основе железа, кобальта, никеля, распространяются в основе сплава, при этом образуя твердые растворы замещения или внедрения. Они могут образовывать химические соединения: карбиды либо интерметаллиды (соединения металлов). Карбиды образуют такие присадки, как молибден, вольфрам, титан, хром, ниобий, интерметаллиды – никель, титан, алюминий. И карбиды, и интерметаллиды имеют высокую твердость; их зерна упрочняют пластическую основу.

Полигонизация повышает сопротивление ползучести, так как малоугловые границы в зернах мешают подвижности дислокаций. Однако такая обработка эффективна лишь в изделиях простой формы (например, в трубах), когда деформация во всем изделии одинакова.

Анизотропную структуру в изделиях из жаропрочных сплавов получают направленной кристаллизацией или способами, пользующимися для получения композиционных материалов. Подвижность дислокаций существенно снижается в структуре с мелкими частицами упрочняющих фаз. Чем мельче частицы и чем ближе они находятся друг от друга, тем выше жаропрочность. Дисперсноупрочненная структура в сталях получается при помощи закалки и отпуска, а во многих жаропрочных сплавах – после закалки и старения.

Химический состав, структура и свойства жаропрочных сталей и сплавов различны, если они предназначены для работы при различных температурах.

При температуре ниже 300°С наиболее высокую прочность имеют простые конструкционные стали. В интервале 300-500°С оптимальные свойства имеют стали перлитного и ферритного класса. Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов (15X11МФ, 18Х12ВМБФР и др.) используют при температурах до 580-600°С.

При температуре больше 600°С большую прочность имеют стали аустенитного класса. При температуре 650-900°С лучшие прочностные свойства имеют сплавы на никелевой и кобальтовой основе, но последние не получили широкого распространения из-за дефицитности кобальта.

Аустенитные стали

Аустенитые стали (см. табл. 1,2) применяют для изготовления деталей газовых турбин, клапанов двигателей, баков, труб и других деталей, работающих при температурах 500-700°С. Жаропрочные стали легированы хромом, никелем и являются одновременно коррозионностойкими.

Аустенитные стали подразделяют на неупрочняемые при термической обработке (нестареющие) и упрочняемые при термической обработке (стареющие) аустенитные стали.

К нестареющим аустенитным жаропрочным сталям относят стали типа 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т.

Стареющие аустенитные стали обычно являются более сложнолегированными, например: 37Х12Н8Г8МФ5 (ЭИ481), 45Х14Н14В2М (ЭИ69) и т. п.

По способу упрочнения их подразделяют на аустенитные стали с карбидным упрочнением и аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением.

В не упрочняемых аустенитных сталях хром вводится для придания ей коррозионной стойкости (на поверхности образуется плотная окисная пленка Cr O ), никель для получения аустенитной структуры, титан – для предотвращения межкристаллитной коррозии, которая нарушает связь между зернами и делает сталь непригодной к эксплуатации. Если в сталях нет титана (или ниобия), то в ней образуются карбиды хрома, которые при нагреве закаленной стали до 500-700°С выделяются по границам зерен, и устойчивость стали против коррозии падает. При введений титана образуются карбиды титана TiC, что исключает выделение карбидов хрома и возникновение межкристаллитной коррозии. Термическая обработка сталей заключается в нагреве до температур 1050-1100°С с последующим охлаждением в воде. Структура после закалки состоит из зерен аустенита с наличием двойников и небольшого количества карбидов TiC. Используется сталь для деталей выхлопных систем, труб, а также полуфабрикатов в виде листа и сортовой стали. Температура окалинообразования 850°С. Длительная жаропрочность стали при 600°С и выдержке 100000 ч составляет 110 МПа.

Химический состав сталей аустенитного класса с карбидным упрочнением 37Х12Н8Г8МФВ, 45Х14Н14В2М приведен в табл. 1.

Хром и молибден повышают температуру рекристаллизации и, следовательно, жаропрочность стали благодаря образованию карбидов и предохраняют сталь от окисления. Никель, расширяя -область, вводится для получения аустенитной структуры. Марганец применяется в качестве аустенитообразующего, для частичной замены никеля и увеличения устойчивости аустенита.

Ниобий и титан являются очень эффективными карбидообразователями. Содержание ниобия обычно небольшое (0,1-0,2%). Титан и ниобий используют для связывания углерода, как и в хромоникелевых нержавеющих сталях, во избежание межкристаллитной коррозии, а также для получения природного мелкого зерна.

Длительная жаропрочность при температуре испытаний 600°С и выдержке в течение 100 ч составляет 400 МПа. Структура стали после закалки с 1140°С в воде состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов: VС, NbC. Монокарбиды выделяются чаще всего по границам зерен в виде крупных включений неправильной формы.

Аустенитная сталь с карбидным упрочнителем 45Х14Н14В2М имеет в структуре от 2-2,6% вольфрама. Вольфрам так же, как титан и ниобий, в нержавеющих сталях предотвращает интерметаллидную коррозию. Поведение остальных элементов аналогично предыдущей стали. Структура стали после отжига при 820°С состоит из мелких зерен аустенита и большого количества карбидов. Температура закалки стали составляет 1175°С. Чем выше температура закалки, тем сталь становится более жаропрочной, но менее пластичной и вязкой. Это, по-видимому, объясняется более полным растворением карбидов в аустените, большей его устойчивостью, а также крупнозернистой структурой. После закалки в воде структура стали состоит из крупных зерен аустенита и небольшого количества карбидов. В авиадвигателестроении сталь применяется для изготовления выхлопных клапанов поршневых двигателей, лопаток компрессора последних ступеней реактивных двигателей, деталей трубопроводов.

Жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнителем (10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР) (см.табл. 1,2). Для повышения жаропрочности их легируют хромом, молибденом, вольфрамом с добавками алюминия, титана или ниобия и тантала. Титан и алюминий образуют основную упрочняющую g¢-фазу (Ni Ti или Ni TiAl). Молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Бор упрочняет границы зерен аустенита. Упрочняющая термообработка этих сталей состоит из закалки и старения (см. табл. 2). Стали используются для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700°С.

Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором; упрочняются закалкой и старением. Их применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750°С.