Лабораторная работа № 10. Изучение зависимости между структурой и свойствами конструкционных сталей, применяемых при повышенных температурах

Цель работы:изучение влияния легирующих элементов на фазовый состав, структуру и свойства жаропрочных конструкционных сталей.

 

10.1 Общие положения

Потребность в сталях и сплавах, работающих при повышенных температурах, возрастает с каждым годом, особенно это чувствуется в последнее время (авиастроение, ракетостроение, энергетические установки и                  т. д.). Прежде чем перейти к характеристике сталей и сплавов, работающих при повышенных температурах, дадим определение таким понятиям, как жаростойкость, жаропрочность и критерий оценки жаропрочности.

Жаростойкость (окалиностойкость) характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах. Это достигается путем легирования стали элементами Сr, Al, Si. Элементы обладают большим сродством к кислороду, чем железо, и в процессе окисления стали, легированной Сr, Al, Si, образуются плотные окисные пленки Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, диффузия через которые проходит с трудом. Чем выше рабочая температура, тем больше должно содержаться в стали указанных легирующих элементов. Например, при рабочей температуре до 900 ^оС достаточной окалиностойкостью обладают сплавы с 10 % Cr, при 1100 ^оС содержание хрома должно быть не менее 20–25 %. Жаростойкость является структурно нечувствительной характеристикой.

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Напряжения, вызывающие разрушение при повышенных нагрузках того или иного материала, зависят от двух факторов: от длительности приложения нагрузки и от температуры испытаний.

Если учитывать фактор времени, то прочность металла надо расценивать характеристикой, называемой длительной прочностью.

Длительная прочность – это предел прочности (временное сопротивление) при данной длительности испытаний или, по-другому, напряжение, вызывающее разрушение при данной продолжительности воздействия нагрузки.

Зависимость прочности от температуры описывается следующей кривой (рисунок 10.1).

Выше температуры 350 ^оС железо и его сплавы приобретают заметную чувствительность к скорости приложения нагрузки, что и показано на графике. Нижняя кривая отражает зависимость прочности от температуры испытаний при бесконечно малой скорости испытаний, верхняя – для скоростей, обычных при испытании на разрыв металлических образцов.

 

Рисунок 10.1 – Предел прочности железа в зависимости от температуры испытаний (заштрихована область напряжений, вызывающих ползучесть)

Напряжения, величина которых лежит внутри заштрихованной области, деформируют металл во времени. Это явление, т. е. деформация во времени образца под действием постоянного по величине напряжения, носит название ползучести.

Таким образом, при приложении напряжения выше некоторого предела, который для каждой температуры имеет свою определенную величину, происходит процесс непрерывной деформации, заканчивающийся разрушением. Ниже каких-то минимальных значений напряжений и температур это явление не наблюдается.

Явление ползучести наблюдается при выполнении следующих двух условий:

1) при температурах выше температуры рекристаллизации;

2) при напряжениях выше предела упругости.

Если не выполняется хотя бы одно из этих условий, явление ползучести отсутствует. Отсюда два пути устранения ползучести:

1) поднять температуру рекристаллизации выше рабочей температуры;

2) повысить предел упругости выше рабочего напряжения.

Снижение ползучести, а следовательно, повышение жаропрочности на практике достигаются легированием и термической обработкой.

Легирование приводит к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает.

В результате термической обработки, заключающейся в закалке с высоких температур и последующего старения, в некоторых сплавах получается структура, состоящая из вкрапленных в основной твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных и интерметаллидных фаз, когерентно связанных с матрицей.

 

Классификация жаропрочных материалов

Ниже 300–350 ^оС наибольшую прочность показывают простые конструкционные стали.

В интервале 350–500 ^оС оптимальными по свойствам являются сравнительно слаболегированные стали перлитного и ферритного классов.

При 500–650 ^оС наибольшей жаропрочностью обладают стали аустенитного класса.

650–900 ^оС – сплавы на никелевой и кобальтовой основах.

Свыше 900 ^оС – сплавы Мо.

Перлитные жаропрочные стали.  Применяются главным образом в котлостроении, для изготовления паропроводов, паронагревателей, крепежных и других деталей, подвергаемых сварке и работающих при температурах не выше 500–550 ^оС. Сюда относят стали собственно перлитного класса, мартенситного класса и ферритного.

Для изготовления изделий, работающих при температурах ниже
350–400 ^оС, применяют углеродистые стали 15, 20, 25, 30, 40 и 45.

Если температура достигает 550 ^оС (напряжения малые), то применяют низкоуглеродистые стали, содержащие Cr, Mo, V. Эти элементы повышают температуру рекристаллизации феррита и улучшают жаропрочность. Стали 16М, 15ХМ, 12Х1МФ. Термическая обработка – нормализация при 950–1050 ^оС, отпуск при 650–750 ^оС (структура тонкопластинчатого перлита).

Мартенситные жаропрочные стали. Детали и узлы, работающие при температуре 450–475 ^оС и больших напряжениях, или 550 ^оС и небольших напряжениях, часто изготовляют из хромистых сталей, содержащих 13 % Cr (12Х13, 20Х13, 30Х13), – направляющие и силовые лопатки паровых турбин.

Для газовых турбин и паросиловых установок применяют сложнолегированные стали 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ. В состав этих сталей входят W, V, Mo, Nb, Ti, которые, повышая температуру рекристаллизации и образуя сложные карбиды типов М₂₃С₆, М₆С, М₂С, МС, улучшают жаропрочность. Наиболее сильно действуют W и V в сочетании с Мо.

Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые сплавы закаливают в масле на мартенсит при t = 1000–1060 ^оС и отпускают при температуре 700–740 ^оС. После отпуска – структура легированные сорбит, тростит.

Для изготовления выпускных клапанов автомобильных и авиационных двигателей применяют хромокремнистые стали (сильхромы). Наиболее известны сильхромы марок 40Х9С2 и 40Х10С2М. Стали испытывают полную фазовую перекристаллизацию a Û g. Применяют после закалки в масле при температуре 1000–1050 ^оС и высокого отпуска 720–780 ^оС. Получаемая структура – высоколегированный жаропрочный сорбит отпуска (рисунок 10.2). Сильхромы работают при температурах 500–600 ^оС, выше этих температур прочность резко падает. Поэтому в формированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Аустенитные жаропрочные стали. Для получения структуры аустенита стали должны содержать большое количество Cr, Ni и Mn. Для повышения жаропрочности дополнительно легируют W, V, Mo, Nb, Ti. Стали применяют для изготовления деталей, работающих при температурах
500–750 ^оС (клапанов двигателей, лопаток газовых турбин, пароперегревательных труб, трубопроводов силовых установок). Жаропрочность этих сталей выше, чем перлитных, мартенситных, мартенситоферритных и ферритных. Аустенитные жаропрочные стали делятся на две группы: стали с карбидным упрочнением и стали с интерметаллидным упрочнением.

Широкое применение в химическом машиностроении получили хромоникелевые нержавеющие стали с карбидным упрочнением, например, сталь 12Х18Н9Т. Хром вводится для повышения коррозионной стойкости. Никель обеспечивает получение структуры аустенита во всем интервале температур. Титан предотвращает межкристаллитную коррозию и образует карбид титана. Термическая обработка этих сталей заключается в закалке в воде с 1050–1100 ^оС. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (М₂₃С₆), а быстрое охлаждение фиксирует аустенитное состояние. После закалки структура стали 12Х18Н9Т состоит из аустенита и небольшого количества карбида титана, включения которого располагаются внутри аустенитных зерен. Микроструктура стали, подвергнутой закалке, приведена на рисунке 10.3.

 

  

 

Рисунок 10.2 – Микроструктура сильхрома (стали 40Х10С2М)

Рисунок 10.3 – Микроструктура стали 12Х18Н9Т (после закалки)

Высокая жаропрочность сталей с карбидным упрочнением достигается введением в хромоникелевый или в хромоникельмарганцовистый аустенит 0,3–0,5 % С и карбидообразующих элементов W, V, Mo, Nb.
К этим сталям относятся 40Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и 40Х12Н8Г8МФБ.

У сталей с интерметаллидным упрочнением основной упрочняющей фазой является g¢, по составу отвечающая соединению Ni₃Ti. Кроме
g ¢ -фазы, в ряде сталей образуются такие соединения, как FeTi или
Ni₃(Al, Ti). Возможно также образование карбидов типа МС. Содержание углерода в этих сталях невелико, т. к. он связывает молибден и вольфрам и уменьшает жаропрочность. Марки: 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР и ХН35ВТЮ.

Для достижения высоких прочностных свойств аустенитные стали подвергаются термической обработке, состоящей из двух операций:

1) закалки с 1050–1200 ^оС в воде, масле или на воздухе. В отличие от закалки обычных сталей, цель которой – получение мартенсита, закалка аустенитных сталей проводится с целью растворения карбидных и интерметаллидных фаз и получения однородного аустенита с наименьшей твердостью;

2) старения при температуре 600–800 ^оС для выделения дисперсных фаз и аустенита. Дисперсные фазы и вызывают упрочнение. Температура старения не должна приводить к коагуляции карбидных включений.

Контрольные вопросы

 

1 Изучить типовую термообработку жаропрочных сталей различных классов, получаемые структуры и свойства.

2 Объяснить механизм повышения жаропрочности сталей.

3 Объяснить механизм ползучести.

 

Задание

1 Изучить влияние легирующих элементов на превращения при закалке и отпуске.

2 Изучить структуры предложенных шлифов, зарисовать и указать структурные составляющие, фазы, прогнозировать свойства.

Список литературы

 

1 Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учебник / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 527 с.

2 Лахтин, Ю. М. Металловедение и термическая обработка: учебник / Ю. М. Лахтин. – М.: Металлургия, 1983. – 359 с.

3 Гуляев, А. П. Металловедение: учебник / А. П. Гуляев. – М.: Металлургиздат, 1986. – 648 с.

4 Материаловедение: учебник / Б. Н. Арзамасов [и др.]. – М.: Машиностроение, 1986. – 383 с.