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 Тпл 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 Тпл) 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.
