Криогенные стали

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-183⁰С) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специальные криогенные стали и сплавы.
Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. При этом должны обладать высокой коррозионной стойкостью.
В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. для сварных конструкций, работающих при температуре до - 196⁰С, используют стали ОН6А, ОН9А. Стали применяют после двойной нормализации (при 900⁰С и 790⁰С) и отпуска при 560⁰С или после закалки вводе от 810 - 830⁰С и отпуска при 600⁰С. После такой обработки предел текучести s_0,2 при нормальной температуре составляет 400-450 МПа, а при -196⁰С - 680-820 МПа (чем больше никеля, тем выше предел текучести). Сопротивление удару при температуре -196⁰С KCU = 1,0-1,3 МДж/м² .Из них изготовляются резервуары для хранения и транспортирования сжиженных газов при температуре не ниже -196⁰С.
Аустенитные криогенные стали делят на три группы.
1. Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т (при -253⁰С s_0,2 = 600 МПа и KCU = 1 МДж/м²) Высокий запас пластичности 12Х18Н10Т позволяет использовать ее после холодной пластической деформации с целью повышения прочности.
2.Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 (при -253⁰С s_0,2 = 1150-1350 МПа и KCU = 1,0 -1,3 МДж/м²)
3. Аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Ти 03Х13АГ19 как заменители более дорогих хромоникелевых аустенитных сталей. Пластическая деформация может вызвать мартенситные превращения, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Аустенитные стали используются после закалки в воде от 1000 - 1050⁰С. При нормальных температурах предел текучести аустенитных сталей не превышает 400-450МПа.

11.16. Жаропрочные стали и сплавы Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течении определенного временит и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль упругости, предел текучести и временное сопротивление При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях. 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 течении всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило называние ползучести. Развитие ползучести в конце концов может привести к разрушению металла. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Под условным пределом ползучести принимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации(ползучести). По заданной скорости деформации в период равномерной ползучести можно по диаграмме определить условный предел ползучести (рис. 67). Предел ползучести обозначают s с числовыми индексами, например s⁷⁰⁰ _0,2/100 - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 700⁰С. при этом необходимо указать, как определялся предел - по суммарной и остаточной деформации. в случае определения по скорости ползучести предел ползучести определяют s с двумя числовыми индексами. нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний - температуру испытания, ⁰С; например s ⁶⁰⁰ ₁₀^-5 - предел ползучести т при скорости 10^-5% /ч при температуре 600⁰С. предел длительной прочности обозначается s с двумя числовыми индексами, например s ⁷⁰⁰₁₀₀₀ - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700⁰С. Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Т_пл. Требуемые сроки службы изменяются от 1-2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов стационарные газовые и паровые турбины). При более высоких температурах стабильность дислокационной структуры нарушается(уменьшается плотность дислокаций, растет число вакансий) и развиваются диффузионные процессы разупрочнения (возврат и рекристаллизация, сфероидизация и коагуляция частиц избыточных фаз) Деформация и разрушение при высоких температурах часто проходят по границам зерен, поэтому более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно сказать, чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов. С другой стороны повышение жаропрочности достигается легированием твердых раствора, приводящая к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием у сплава специальной структуры, состоящей из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсионных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, когерентно связанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующим старением. Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700-950⁰С) создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах (до 1200- 1500⁰С) - на основе молибдена и других тугоплавких металлов. Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750⁰С.Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность.  

Таблица 34

Химический состав (по легирующим элементам) и свойства
жаропрочных сталей при температуре 600⁰С

Сталь	Содержание элементов, %	Предел длительной прочности
C	Cr	Mo	V	Другие элементы	s^60010^4, МПа	s^60010^5 МПа
Стали перлитного класса
12Х1МФ	0,08-0,15	0,9-1,2	0,25-0,35	0,15-0,30	-
12Х1М1Ф	0,1-0,16	1,1-1,4	0,9-1,1	0,2-0,25	-
12Х2МФСР	0,08-0,15	1,6-1,9	0,5-0,7	0,2-0,35	0,4-0,7 Si; < 0,005 B
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов
15Х11МФ	0,12-0,19	10-11,5	0,6-0,8	0,25- 0,40	-		-
18Х12ВМБФР	0,15-0,22	11-13	0,4-0,6	0,15-0,30	0,2-0,4 Nb; 0,4-0,7 W; < 0,003 B
18Х12ВМБФР	0,15-0,22	11-13	0,4-0,6	0,15-0,30	0,15-0,3 Nb; 0,55-0,85 W; 0,5-1,0 Ni; 0,5-1,0 Mn; < 0,08 B

  Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000-200000 ч) при температурах не выше 500-580⁰С. используются стали перлитного класса. Если рабочая температура не выше 400⁰С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К, поступающие в виде труб и листов. В марке "К" означает "котельная", а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.  

Таблица 35

Механические свойства сталей перлитного класса

sB, МПа	s0,2, МПа	d,%
360-490	220-280	24-19

Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Для более ответственных, паропроводных пароперегревательных труб с рабочей температурой 600⁰С применяют низколегированные стали, где тугоплавкие элементы образуют карбиды, тем самым вызывая дисперсионное упрочнение. Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей узлов газовых турбин и паросиловых установок. Эти стали помимо высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома их относят или к мартенситному (10-11 %) или к мартенситно-ферритному (11-13 %) классу. Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650-750⁰С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества d -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей - сорбит. Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. При нагреве выше 500-600⁰С прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали. Стали аустенитного класса. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500 - 750⁰С. Жаропрочность аустенитных сталей намного выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных, ферритных. Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

• твердые растворы, не упрочняемые старением;
• твердые растворы с карбидным упрочнением;
• твердыне растворы с интерметаллидным упрочнением.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением. Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящих из двух последовательных операций, приведенных ниже: 1. Закалка от 1050-1200⁰С в воде в масле или в воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора. 2.Старение при 60-85⁰С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь, Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз

Таблица 36

Химический состав (по легирующим элементам) и пределы длительной прочности некоторых жаропрочных сталей

Сталь	Содержание элементов, %	s100, МПа при температуре, ^0С	Рабочая температура ^0С; назначение
C	Cr	Ni	Si	Mn	Другие элементы
Сплавы с карбидным упрочнением
45Х14Н14В2М	0,4-0,5	13-15	13-15	-	-	2-2,75 W 0,25-0,4 Mo		-	-	До 600; диски газовых турбин, выпускные клапаны
40Х15Н7Г7Ф2МС	0,38-0,47	14-16	6-8	0,9-1,4	6,0-8,0	1,5-1,9 V 0,65-0,85 Mo				650; корпуса газовых турбин, лопатки, крепежные детали
37Х12Н8Г8МФБ	0,34-0,4	11,5-13,5	7-9	-	7,5-9,5	1,1-1,4 Mo 0,25-0,45Nb 1,25-1,55,V				То же
Стали с интерметаллидным упрочнением
10Х11Н20Т3Р	До 0,1	10-12,5	18-21	-	-	2,3-2,8 Ti до 0,5 Al 0,008-0,02 B	-			500-750; камеры сгорания, кольцасопловогоаппарта, сварные детали
10Х11Н23Т3МР	До 0,1	10-12,5	21-25	-	-	2,5-3 Ti до 0,8 Al 1-1,6 Mo 0,08-0,02 B				До 750; диски и лопатки газовых турбин
Стали на железной основе
ХН35ВТЮ	До 0,08	12-15	33-37	-	-	2,4-3,2 Ti 2-4W 0,7-1,7Al 0,02 B				650-750; то же и прутки, полосы, поковки
ХН38ВТ	0,06-0,12	20-23	33-39			0,7-1,2Ti 2,8-3,5 W	-	-	80-90	До 1100; детали из листа, работающего ограниченно при умеренных напряжениях.

    Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упрочняемых термообработкой приведены в таблице. К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей. Основной упрочняющей фазой является Ni3Ti, а в присутствии алюминия Ni3 (Al,Ti). При старении возможны образование карбидов типа МС. Содержание углерода должно быть не большим, так как образованные карбиды понижают жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов. Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе. К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе Наилучшие жаропрочные свойства сплава после первой закалки от 1050⁰С на воздухе и старении при 830⁰С 8ч. Жаропрочные сплавы на никелевой основе. Жаропрочные стали на основе никеля называют нимониками. Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин. работающих при температуре до 850⁰С. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом, а для повышения жаропрочности - титаном и алюминием. Для дальнейшего повышения жаропрочности никелевые сплавы легируют молибденом и вольфрамом, а также кобальтом. Введение бора и циркония устраняет вредное влияние примесей (серы, сурьмы, свинца и олова) на жаропрочность. Наиболее широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР. После закалки от 1080-1120⁰С сплав имеет структуру состоящую из перенасыщенного g-раствора с ГЦК - решеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и старения при 700⁰С получают высокую жаропрочность.

Таблица 37

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства
некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 800⁰С

Сплав	Содержание элементов^1,%
Cr	Ti	Al	C	B
ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ ХН55ВМТКЮ ХН65ВМТЮ	19-20 13-16 9-12 15-17	2,4-2,8 1,8-2,3 1,4-2,0 2,0-2,8	0,6-1,0 1,7-2,3 3,6-4,5 1,0-1,5	0,02 0,02 - 0,025	0,01 0,02 0,02 0,01
Сплав	Содержание элементов^1,%	Механические свойства
W	Другие элементы	sВ, МПа	s^800100,МПа	d,%
ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ ХН55ВМТКЮ ХН65ВМТЮ	5-7 5-7 4,5-6,5 8,5-10	- 2-4 Mo 0,1-0,5 V 4-6 Mo 0,2-0,8 V 3,5-4,5 Mo	550 680 850 -	200 230-270 450 300	10 8 10 -
^1 Никель - основа

Никелевые сплавы широко применяются в литом виде. Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении и при выращивании монокристалла.  

Таблица 38

Химический состав (по легирующим элементам) и предел
длительной прочности литых никелевых сплавов

Сплав	Содержание элементов^1, %	s^800100 МПа
Cr	Ti	Al	Mo	Другие элементы
ЖС3 ЖС6К ВЖЛ12У	14-18 10,5-12,5 8,5-10,5	1,6-2,3 2,5-3,0 5,0-5,7	1,6-2,2 5,0-6,0 4,2-4,7	3,0-4,0 3,5-4,5 2,7-3,4	4,5-6,5 W 4,5-6,5 W 4,5 Co 1,0-1,8 W 12-15Co 0,5-1,0 V 0,015 B	300 520 520
^1 Содержание углерода 0,1 - 0,2 %

Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышает жаропрочность, однако технология получения сильно усложняется. Поэтому они применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергаются закалке от высоких температур и старению. Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергаются алитированию.

11. Конструкционные стали и сплавы
Вопросы для самопроверки

1. Запишите марки сталей, имеющие следующие составы:
1) 0,42-0,50 % C; 0,5-0,8 %Mn; 0,8-1,0 %Cr, 1,3-1,8 %Ni; 0,2-0,3 % Mo; 0,1-0,18 %V;
2) 0,14-0,20 %C; 1,3-1,7 % Mn; 0,08-0,14 % V и 0,015-0,025 %N.

2. Можно кипящую сталь использовать для изготовления конструкций и деталей машин, работающих при температурах от –40 до –50⁰С?

3. Какие углеродистые стали обычного качества можно применять для конструкций и деталей машин, подвергаемых сварке или упрочняемых термической обработкой?

4. Какие стали относятся к низколегированным? Где применяют? Какие существуют методы их упрочнения?

5. Каким требованиям должна отвечать сталь для холодной штамповки?

6. Какую обработку проходят "двухфазные стали" для штамповки? Какова структура этих сталей и механические свойства?

7. Какие требования предъявляются к цементуемым сталям?

8. Назовите марки стали для цементации. Какова роль в цементуемых сталях титана, ванадия, ниобия, азота?

9. Укажите металловедческие пути улучшения обрабатываемости резанием?

10. Чем объяснить хорошую обрабатываемость резанием, стали, легированной S, Pb, Ca?

11. Каким требованиям должны отвечать улучшаемые стали?

12. Какую термическую проходят стали 40Х, 40ХН и 30 ХГС для обеспечения высокой конструктивной прочности?

13. Сталь 4ХН подвергнута отпуску при 500 и 600⁰С, в каком случае будут более высокая прочность (s_B,s_0,2) и пластичность (d,y)?

14. Какие требования предъявляют к стали для изготовления подшипников? Какие применяют стали и каков метод их упрочнения?

15. Назовите основные преимущества и недостатки мартенситно-стареющих сталей. Каковы области их применения?

16. Какие из легирующих элементов наиболее эффективно упрочняют мартенсит при старении?

17. Какие требования предъявляются к пружинным сталям? Назовите марки пружинных сталей.

18. Какие стали применяют при работе при криогенных температурах?

19. Какая сталь рекомендуется для отливок, работающих в условиях ударно-абразивного изнашивания (зубья ковшей, экскаваторов, траки гусеничных машин, железнодорожных стрелок и крестовин)

20. Какие легирующие элементы повышают коррозионную стойкость стали и почему?

21. Какие структуру, свойства и применения имеют стали 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 08Х17Т?

22. Какие стали применяют для деталей, работающих в окислительных и других агрессивных средах?

23. Какую термическую обработку проходят аустенитные коррозионно-стойкие стали?

24. Каким требованиям должны отвечать стали для работы при высоких температурах (жаропрочные)?

25. Какие стали применяются для работы при температурах 550-560 и 600-800⁰С?

26. Как для чего использую жаропрочные сплавы на никелевой основе?

12. Инструментальные стали и твердые сплавы

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента.
Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют доэвтектоидные стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита или даже сорбита. Износостойкость и твердость этих сталей ниже чем эвтектоидных.
Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).
Все инструментальные стали подразделяются на три группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400 - 500⁰С (содержащие свыше 0,6-0,7 % С и 4 - 18 % Cr) и теплостойкие до 550-650⁰С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.
Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью.
Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).
Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой "У" (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква "А" в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная.
Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание < 1 %. Если содержание углерода»1%, то цифра чаще отсутствует.
Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ним цифры - содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента
Быстрорежущие стали маркируются буквой "Р". Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали - вольфрама в (в %). Среднее содержание молибдена (в %) в стали обозначают цифрой, поставленной за буквой "М", кобальта - цифрой за буквой "К", ванадия - цифрой после буквы "Ф" и. т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

Дата добавления: 2014-01-07