Требования, предъявляемые к материалам, работающим в условиях повышенных температур

Лекция 13. Стали и сплавы, работающие при высоких температурах

Неметаллические коррозионностойкие материалы

Полимерные материалы проявляют большую стойкость во многих агрессивных средах по сравнению с коррозионностойкими сталями. Полимеры (фторопласты, полиэтилен, винипласт и др.) широко используются в химическом машиностроении в качестве конструкционного материала, а также в виде покрытий на низкоуглеродистых сталях 10, Ст3, 16ГС и др., технологичных при обработке давлением и сварке.

Жаропрочность - способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению в области высоких температур.

Повышение температуры существенно влияет на сопротивление пластической деформации. Если сплав работает при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и нагрузка превышает предел текучести, то будет происходить постепенная деформация вплоть до разрушения. Это явление называется ползучестью. Рост температуры вызывает снижение предела текучести (он равен нулю при температуре плавления), что соответствует уменьшению несущей способности материала.

Предел ползучести - величина длительно действующего напряжения, которое при данной температуре вызывает заданную скорость деформации. Например, предел ползучести показывает, что напряжение 150 МПа при температуре 500 °С вызывает деформацию 0,1 % за 800 часов.

Предел длительной прочности - напряжение, вызывающее разрушение при определенной температуре за данный отрезок времени. Так, предел длительной прочности означает, что при температуре 600 °С и напряжении 200 МПа образец разрушится через 500 часов.

К факторам, наиболее существенно влияющим на жаропрочность сплава, относятся:

· фазовый состав. Ползучесть зависит от перемещения атомов, т.е. от самодиффузии. У железа коэффициент самодиффузии меняется при температуре полиморфного превращения (911 °С). Так, при температуре 910 °С в -фазе он в 350 раз больше, чем в -фазе; этим можно объяснить, что скорость ползучести в 200 раз больше, чем . В связи с этим стали аустенитного класса обладают более высокой температурой рекристаллизации и жаростойкостью по сравнению со сталями перлитного класса;

· структура. Гетерогенные структуры по сравнению с твердыми растворами обладают более высокой жаропрочностью. Обычно этого добиваются получением легированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри их дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз;

· температура рекристаллизации. Ее увеличение за счет легирования тугоплавкими элементами (Mo, W, Cr) повышает жаропрочность;

· величина зерна. При высоких температурах однофазные сплавы с крупным зерном обладают большей жаропрочностью. Особенно высокую жаропрочность при температурах, приближающихся к температуре плавления, имеют монокристаллы.

Жаростойкость - способность металла сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

С ростом температуры скорость окисления металлов возрастает, но по мере образования поверхностных пленок процесс коррозии может замедлиться. Чтобы окисная пленка обладала высокими защитными свойствами, она должна обладать:

· сплошным строением;

· большим удельным объемом, чем металл;

· достаточной пластичностью и не быть склонной к образованию трещин.

Хорошими защитными пленками обладают хром и алюминий и особенно плохой - железо. Защитные свойства окислов железа снижаются в ряду: , , . Для получения хорошей защитной пленки на стали необходимо создать такие условия, чтобы образование окисла исключалось и стимулировалось бы образование окисла типа . Для этого необходимо к железу добавлять элементы, которые с кислородом образуют соединения, изоморфные и имеющие большее сродство с кислородом, чем железо. К таким элементам относятся хром и алюминий, образующие окислы , . Хорошей стойкостью при высоких температурах обладает также диоксид кремния , поэтому кремний как легирующий элемент широко используется для повышения жаростойкости сталей.

Жаростойкость стали наиболее рационально повышать за счет увеличения содержания хрома; увеличение содержания алюминия или кремния влечет за собой увеличение хрупкости и затрудняет обработку давлением, поэтому легирование алюминием или кремнием имеет верхний предел ~ 4 %. Стали, легированные Cr и Si, называют сильхромами; Cr и Al - хромалями; Cr - Si - Al - сильхромалями. Благоприятное влияние кремния в отношении жаростойкости проявляется в основном в окислительной атмосфере. В присутствии газов, содержащих большое количество паров воды, при высоких температурах у них наблюдается более сильное разрушение, чем у хромистых и хромоалюминиевых.

Дата добавления: 2014-01-05