Порядок выполнения работы. Жаропрочными называют, стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом

Жаропрочными называют, стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести, развитие которой со временем может привести к разрушению металла. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью.

Жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца. Предел ползучести обозначают s с числовыми индексами, например - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С.

Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре. Предел длительной прочности обозначается s с двумя числовыми индексами, например - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С.

Жаропрочность стали зависят от величины сил межатомной связи, а также от структуры. Повышение жаропрочности стали достигается легированием твердого раствора (феррита или аустенита), приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего задерживается процесс диффузии, а температура рекристаллизации возрастает. Жаропрочные стали должны иметь специальную структуру, состоящую из твердого раствора и вкрапленных в него и расположенных по границам зерен дисперсных карбидов и интерметаллидных фаз. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего высокотемпературного длительного отпуска (старения). Различают жаропрочные стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов.

Стали перлитного класса применяют для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000 – 200000 ч) при температурах не выше 500-580 °С и сравнительно мало нагруженных.

Для паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют низколегированные стали, содержащие Cr, V, Mo, Nb: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР.

Рис. 27. Микроструктура стали 15Х1М1Ф – сорбит

Сталь 15Х1М1Ф (углерод 0,1 – 0,16 %, хром 1,1 – 1,4 %, молибден 0,9 – 1,1 %, ванадий 0,2 – 0,25 %) относится к перлитному классу, подвергается закалке с температуры 1000 °С и высокому отпуску 660 – 700 °С, 2-3 часа. Структура – сорбит, состоящий из легированного феррита с равномерно распределенными частицами карбидов (рис. Рис. 27), предел длительной прочности . Сталь применяют для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей теплоэнергетических установок.

Стали мартенситного класса предназначены для изделий, работающих при температурах 450-600 °С и от перлитных сталей отличаются повышенной жаростойкостью в атмосфере пара или топочных газов. К ним относятся высокохромистые (8-13 % Cr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и В – 15Х11МФ, 15Х5М, 11Х11Н2В2МФ и др.

Рис. 28. Микроструктура стали 15Х11М1Ф – сорбит

Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин используется сталь 15Х11МФ (углерод 0,12 – 0,19 %, хром 10,0 – 11,5 %, молибден 0,6 – 0,8 %, ванадий 0,25 – 0,4 %), которую подвергают закалке на воздухе (масле) от 1050-1100 °С и отпуску 680-750 °С. Структура термически обработанной стали – сорбит, состоящий из смеси легированного феррита и мелких карбидов (рис. Рис. 28) обеспечивает необходимую жаропрочность ().

Стали аустенитного класса, по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температуре выше 600 °С.

Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

1. твердые растворы, не упрочняемые старением;

2. твердые растворы с карбидным упрочнением;

3. твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.

Наиболее высокими показателями жаропрочности обладают стали с карбидным или интерметаллидным упрочнением.

Рис. 29. Микроструктура стали 37Х12Н8Г8МХ – аустенит и карбиды

К сталям с карбидным упрочнением относятся, например, 45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7Г7Ф2МС. Их применяют в газотурбостроении.

Сталь 37Х12Н8Г8МФ (содержание углерода 0,34-0,4 %, хрома 11,5-13,5 %, никеля 7-9 %, марганца 7,5-9,5 %, молибдена 1,1-1,4 %, ниобия 0,25-0,45 %, ванадия 1,25-1,55 %) подвергают закалке с температуры 1170-1190 °С (вода, воздух) и старению 800 °С, 8-10 часов; . Структура стали состоит из легированного аустенита и карбидов (рис. Рис. 29).

Самыми жаропрочными являются аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР.

Рис. 30. Микроструктура стали 10Х11Н20Т3Р – аустенит, интерметаллиды и карбиды

Для формирования выделений упрочняющей интерметаллидной фазы типа Ni₃(Al, Ti) в сталь вводят небольшие добавки алюминия (до 0,5 %). При старении возможно также образование карбидов TiC.

Сталь 10Х11Н20Т3Р (содержание углерода 0,1 %, хрома 10-12,5 %, никеля 18-21 %, титана 2,3-2,8 %, алюминия до 0,5 %, бора 0,008-0,02 %) упрочняют закалкой от 1060-1080 °С и старением при 700 °С (3-8 ч) (); ее применяют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650-700 °С.

Микроструктура этой стали представлена на рис. Рис. 30.

1. Расшифровать марки легированных сталей.

2. Определить к какому структурному классу относится изучаемая марка стали.

3. Записать режим термической обработки и получаемые свойства.

4. Зарисовать схему структуры.

5. Показать назначение стали.

Дата добавления: 2014-10-31