Лабораторная работа № 15. Фазовый состав, структура и свойства жаропрочных сталей, применяемых для сварных конструкций

Цель работы: ознакомление смикроструктурой и свойствами жаропрочных конструкционных сталей, областью их применения.

Жаропрочные стали применяют для многих деталей газовых турбин, реактивных двигателей, котельных установок и т. д., работающих при высоких температурах. Жаропрочными являются стали, способные работать под напряжением при температурах свыше 500 °С в течение определенного времени и иметь при этом окалиностойкость. При рабочей температуре они должны обладать достаточной прочностью при кратковременном испытании на разрыв, иметь высокий предел ползучести и высокую длительную прочность, а нередко и большое сопротивление знакопеременным нагрузкам (усталости).

Перлитные стали. Для изготовления изделий, работающих при температурах 350—400 °С, применяют углеродистые стали 15, 20, 25,30,40 и 45. Для труб паронагревателей, паропроводов и коллекторов энергетических установок, арматуры паровых котлов, турбин и других установок, работающих при 500—580 °С, подверженных ползучести, но нагруженных сравнительно мало, применяют низкоуглеродистые стали перлитного класса (табл. 15.1), содержащие хром, молибден и ванадий. Эти элементы, повышая температуру рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процессы, улучшают жаропрочность стали. После нормализации малоуглеродистые стали имеют структуру — легированный феррит и перлит или перлит (легированные феррит и цементит - М₃С), а после закалки — мартенсит или мартенсит с бейнитом. При большем легировании возможно образование карбидов VC. Перлитные стали чаще подвергаются нормализации при температуре 950—1050 °С и высокому отпуску при температуре 650—750 С. После такой обработки сталь имеет структуру тонкопластинчатого легированного перлита (сорбита) и обладает более высокой длительной жаропрочностью, чем после закалки и высокого отпуска, когда структура — зернистый сорбит.

Сталь 16М, применяемая в котлостроении, удовлетворительно сваривается, но обладает пониженной жаропрочностью и под действием высоких температур и напряжений склонна к графитизации. Поэтому для котельных установок, работающих при температуре 510°С и давлении 1 МПа, применяют сталь 15ХМ. После нормализации при температуре 900—920 °С и отпуска при 640 °С предел ползучести стали при 425 °С составляет 200 МПаи при 500 °С составляет 155 МПа; при 500 °С предел длительной прочности составляет σ₁₀5= 80 МПа. Сталь хорошо сваривается и деформируется в холодном и горячем состояниях.

Температура перегретого пара в энергоустановках в настоящее время достигает 510 °С, поэтому стали типа 15ХМ заменяют более жаропрочными, например 12Х1МФ. Эта сталь обладает удовлетворительной обрабатываемостью давлением и свариваемостью. После нормализации при температуре 960—980 °С и отпуска при 740°С предел длительной прочности при температуре 560 °С составляет σ₁₀4= 140 МПаи σ₁₀5 = 110 МПа.

Основные легирующие элементы в жаропрочных сталях на основе α -железа — карбидообразующие элементы: хром, молибден, ванадий, ниобий и вольфрам, содержание которых не превышает 1%, за исключением хрома, содержание которого с целью повышения жаростойкости сталей доводят до 2—2,5%. Основу рассматриваемых сталей составляет малолегированный твердый раствор на базе α -железа (феррит). Кроме феррита, встречаются избыточные фазы, главным образом карбиды (Fe₃C, VC и др.), положительно сказывающиеся на жаропрочности сталей. Наиболее эффективным упрочнителем сталей системы Сг — Мо — V является карбид ванадия VC.

Оптимальное содержание углерода в Сг—Мо и Сг—Мо—V сталях обычно составляет 0,08—0,12%. Увеличение содержания углерода в этих сталях ускоряет диффузионные процессы разупрочнения (перераспределение легирующих элементов, главным образом молибдена, между твердым раствором и карбидной фазой, коагуляцию карбидов и др.), что отрицательно сказывается на сопротивлении ползучести и длительной прочности. С течением времени молибден диффундирует из твердого раствора в карбидную фазу (образуя карбид Мо₂С), в результате чего твердый раствор обедняется молибденом и снижается жаропрочность.

Что касается никеля и марганца, относящихся к числу аустенитообразующих элементов, то они расширяют область устойчивости аустенита,

т. е. снижают температуру полиморфного превращения α — γ, что отрицательно сказывается на стабильности структуры и длительной жаропрочности Сг — Мо и Сг — Мо — V сталей. Титан и алюминий в присутствии никеля образуют интерметаллид Ni (Ti, A1), обладающий невысокой термической стабильностью и склонный к коагуляции, что также ведет к сильному разупрочнению Сг—Мо—V сталей.

В силу своего назначения (трубы пароперегревателей, коллекторов, паропроводов и т. д. в котельных установках с высокими параметрами пара) жаропрочные стали на основе α-железа характеризуются очень продолжительными сроками службы (сотни тысяч часов). Поэтому эти стали не подвергают упрочняющей термической обработке, а используют в отожженном состоянии или после нормализации и высокого отпуска (если сталь склонна к закалке при охлаждении на воздухе). По этой причине жаропрочные стали на основе α-железа по характеристикам жаропрочности (пределам ползучести и длительной прочности) при 550—600°С существенно уступают аустенитным жаропрочным сталям как за сравнительно небольшие отрезки времени (100 ч), так и за более продолжительные сроки службы (100 000 ч).

Приведенные в табл.15.1 жаропрочные стали систем Сг—Мо и Сг — Мо — V в нормализованном состоянии имеют феррито-перлитную (15ХМ, ЭИ454), феррито-бейнитную (12Х1МФ), бейнитную (12Х2МФСР) или феррито-мар-тенситную (12Х2МБФ) структуру. Характеристики жаропрочности и рабочие температуры этих сталей зависят не только от сложности их химического (и фазового) состава, но и от «рабочей» структуры. Минимальной жаропрочностью обладают стали со структурой чистого феррита и карбидов, а максимальной жаропрочностью — соответственно стали с бейнитной или мартенситной структурой. По-видимому, в процессе длительной службы в этих сталях идет медленный процесс распада пересыщенного α-твердого раствора, что обеспечивает их более высокие характеристики жаропрочности по сравнению с феррито-перлитными сталями.

 

Таблица 15.1- Предел длительной прочности жаропрочных сталей для сварных конструкций

Сталь	15ХМ	ЭИ454	12Х1МФ	12Х2МФСР	12Х2МБФ	12Х2МВ8ФБ
Предел длительной прочности при 580 0 С, (σ105),МПа	60   (при 550 0С)	45	90	90	62	190
Рабочая температура, 0С	510	570	580	620	620	670

 

Самой распространенной сталью, применяющейся на всех мощных тепловых электростанциях для трубопроводов, является сталь 12Х1МФ.

Наиболее высокими показателями жаропрочности при 650—670 °С обладает сталь 12Х2МВ8ФБ со структурой феррита, не претерпевающая при нагреве фазового превращения α — γ. В отличие от Сг—Мо — V сталей, упрочняемых карбидами Fe₃C, VC и др., эта сталь упрочняется главным образом интерметаллическим соединением Fe₂W (фазой Лавеса). Фазы Лавеса отличаются высокой термической стабильностью и мало склонны к коагуляции. Это делает сталь 12Х2МВ8ФБ одной из наиболее жаропрочных ферритных сталей, которая по длительной прочности (на базе 10⁵ ч) при 600—650 °С приближается к высоколегированным аустенитным сталям. В отличие от аустенитных ферритные стали типа 12Х2МВ8ФБ (ЭП503) не содержат дефицитного никеля, имеют высокую теплопроводность, меньший коэффициент термического расширения и не склонны к разрушению в зоне сварного шва.

За последние годы разработаны жаропрочные стали с 10— 12% хрома, также содержащие вольфрам, молибден, ванадий и другие легирующие элементы (стали типа ЭИ993, ЭИ756 и др.). Упрочнение этих сталей обеспечивается созданием феррито-мартенситной структуры и дисперсионным твердением благодаря выделению различных карбидов (типа Ме₂₃С₆ и МеС), а также фаз Лавеса (Fe₂ W). Рабочие температуры этих сталей могут достигать 600— 620 °С.

В заключение можно отметить, что рабочие температуры жаропрочных сталей на основе α-железа в условиях длительной эксплуатации не превышают 600—650 °С (~0,45 Т_пл железа), что значительно ниже рабочих температур других групп жаропрочных сплавов [например, жаропрочных аустенитных сталей]. Пониженную жаропрочность сталей на основе α-железа при сравнительно небольших сроках службы можно, по-видимому, объяснить несколькими причинами. Прежде всего, эти стали, в отличие от других жаропрочных сплавов (например, аустенитных сталей), имеют менее устойчивую в диффузионном отношении основу (α-железо с о.ц.к. решеткой), в которой интенсивнее протекают диффузионные процессы разупрочнения при рабочих температурах. По этой причине температуры начала рекристаллизации, а также температуры наибольшего упрочнения сталей на основе α-железа после холодной деформации находятся в пределах 450—600 °С по сравнению с 700—750 °С для аустенитных сталей. Следует также иметь в виду, что рабочие температуры жаропрочных сталей на основе α-железа в общем случае определяются не температурой плавления железа (1539°С), а температурой его полиморфного превращения α→γ (910°C), при которой о. ц. к. решетка феррита становится неустойчивой и переходит в г. ц. к. решетку. Подготовка к полиморфному превращению, происходящая в кристаллической решетке α-железа по мере повышения температуры и приближения к температуре превращения α→γ сопровождается усилением диффузионной подвижности атомов.

Таким образом, на примере жаропрочных сталей на основе α-железа можно убедиться в том, какое большое значение в сохранении жаропрочности при рабочих температурах имеет стабильность структуры жаропрочного сплава.

При невысоких рабочих температурах (до 0,5 Т_пл) жаропрочные стали на основе α -железа оказываются в числе немногих конструкционных материалов, способных в течение длительного времени сопротивляться ползучести и сохранять достаточную пластичность (т. е. не охрупчиваться).

Мартенситные хромистые нержавеющие стали применяются при больших напряжения и температурах (450-475°С) или малых нагрузках и высокой температуре 550°С.

Например, из этих сталей, содержащих 13% Cr (1X13 и 2Х13), изготовляют направляющие и рабочие лопатки паровых турбин. Однако чаще для газовых турбин и паросиловых установок применяют мартенситные сложнолегированные стали 15Х11МФ и 1Х12ВНМФ. В состав этих сталей вводят W, V, Мо, Nb, Ti, которые, повышая температуру рекристаллизации и образуя карбиды типа М₂₃С₆ М₆С, М₂С, МС и фазы Лавеса — Fe.₂W(Fe.₂Mo) улучшают жаропрочность. Наиболее сильно повышает жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Вследствие высокого содержания хрома стали обладают окалиностойкостью до температуры 600—650 °С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, так как в противном случае сталь может стать полуферритной, что понижает ее жаропрочность.

Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали закаливают в масле (на мартенсит) при температуре 1030—1060 °С 15Х11МФ и отпускают при температуре 700—740 °С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М₂₃С₆ и МС. После отпуска структура сталей — сорбит или тростосорбит. Стали хорошо азотируются. Длительная прочность при температуре 550 °С стали 15Х11МФ составляет σ₁₀5 = 170 МПаи σ₁₀5 = 200 МПадля стали 1Х12ВНМФ.

 

Контрольные вопросы

1. Укажите особенности технологических свойств и области применения перлитных жаропрочныхсталей.

2. Укажите особенности технологических свойств и области применения мартенситных жаропрочных  сталей, применяемых для сварных металлоконструкций.

 

Задание по работе:

1. Сравнить микроструктуры сталей перлитного и мартенситного класса, и объяснить отличие физико-механических свойств;

2. Сделать выводы о целесообразности применения указанных сталей в качестве материала для установок, работающих при высоких температурах, в зависимости от условий эксплуатации.