«Напряжения и деформации жаропрочных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время с учетом требований отраслей-потребителей наряду
с расширением состава и сортамента осуществляется производство
металлопродукции с повышенными эксплуатационными и технологическими
требованиями.
Жаропрочные сплавы и стали - материалы, работающие при высоких
температурах в течение заданного периода времени в условиях
сложнонапряженного состояния и обладающие достаточным сопротивлением
к коррозии в газовых средах.
Актуальность вопроса изучения жаропрочных материалов обусловлена
необходимостью в материалах, способных работать при достаточно высоких
температурах в нагруженном состоянии. Это связано с развитием реактивной
авиации и газотурбинных двигателей, теплоэнергетики и других отраслей.
Целью данной работы являлось изучение напряжений и деформаций
жаропрочных материалов.

ПОНЯТИЕ О НАПРЯЖЕНИЯХ

В состоянии равновесия, например, при статическом нагружении,
внешние силы уравновешиваются реакцией материала – силами
межатомного взаимодействия. Эти внутренние силы и определяют уровень
сопротивления материала деформации.
Для количественной оценки сопротивления материала деформации при
нагружении используют интенсивность внутренних сил или напряжение.
Напряжение является векторной величиной.
Напряжение – внутреннее распределение силы на единицу площади
внутри тела, реагирующего на приложенные силы, которые приводят к
деформации.
На рис. 1 показан стержень с площадью поперечного сечения F 0 , на
который действует усилие, равное Р, ориентированное вдоль продольной оси
стержня, т.е. перпендикулярно площадке F 0 (рис. 1).

Рис. 1 – Схема для определения напряжения

В этом случае напряжение S 0 будет равно отношению усилия к
площади поперечного сечения:

S 0 = Р/F 0 .

НОРМАЛЬНЫЕ И КАСАТЕЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

В общем случае усилие может быть ориентировано произвольно к
площадке. На рис. 2 показана площадка, нормаль к которой составляет угол α
с направлением действия осевого усилия Р (рис. 2).

Рис. 2 – Схемы для определения касательных
и нормальных напряжений

Тогда площадь этой площадки равна:

Fα = F 0 /cosα.

В этом случае усилие Р можно разложить на две составляющие:
- Р S , которая ориентирована перпендикулярно (нормально) площадке,
- Рt, которая лежит в плоскости площадки.

Напряжение S, соответствующее составляющей Р S , определяется как
отношение Р S к F α :

Подобные напряжения, действующие по нормали к площадке,
называют нормальными напряжениями.
Другую составляющую напряжения t, соответствующую Р t , можно
рассчитать как отношение Р t к F α :

Такие напряжения, действующие в плоскости площадки или
параллельно ей, называют касательными напряжениями.

УСЛОВНЫЕ И ИСТИННЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Напряжения могут быть истинными и условными. Известно, что в
процессе нагружения величина площадки, на которую действуют
напряжения, меняется. Если эти изменения не учитывают, то напряжение
рассчитывают как отношение нагрузки в данный момент времени Рi к
исходной площади поперечного сечения:

Такое напряжение называют условным.

Если же усилие Рi относят к величине фактического сечения в данный
момент времени Fi, то получают значение истинного напряжения:

ОБОЗНАЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Физический смысл имеют только истинные напряжения, однако на
практике часто более удобно пользоваться условными напряжениями. Это
особенно оправданно при малых степенях деформации (в пределах упругого
участка), когда изменение площади поперечного сечения невелико.
Истинные напряжения обычно обозначают латинскими буквами S
(нормальные напряжения) и t (касательные напряжения). Условные
напряжения принято обозначать греческими аналогами латинских букв σ
(нормальные напряжения) и τ (касательные напряжения).

ВИДЫ НАПРЯЖЕННЫХ СОСТОЯНИЙ

Напряженное состояние в точке – совокупность напряжений,
действующих по всевозможным площадкам, проведенным через эту точку.
Исследуя напряженное состояние в данной точке деформируемого
тела, в ее окрестности выделяют бесконечно малый (элементарный)
параллелепипед, ребра которого направлены вдоль соответствующих
координатных осей (рис. 3). При действии на тело внешних сил на каждой из
граней элементарного параллелепипеда возникают напряжения, которые
представляют нормальными и касательными напряжениями – проекциями
полных напряжений на координатные оси.

Нормальные напряжения обозначают буквой σ с индексом,
соответствующим нормали к площадке, на которой они действуют.
Касательные напряжения обозначают буквой τ с двумя индексами: первый
соответствует нормали к площадке, а второй – направлению самого
напряжения (или наоборот).

Рис. 3

Таким образом, на гранях элементарного параллелепипеда,
выделенного в окрестности точки нагруженного тела, действует девять
компонентов напряжения. Запишем их в виде следующей квадратной
матрицы:

Эта совокупность напряжений называется тензором напряжений.
Тензор напряжений полностью описывает напряженное состояние в
точке.

В окрестности исследуемой точки можно выделить бесконечное
множество взаимно перпендикулярных площадок. В том числе можно найти
и такие площадки, на которых действуют только нормальные напряжения, а
касательные напряжения равны нулю. Такие площадки называют главными
(более точно – площадки главных напряжений).
Главные площадки – три взаимно перпендикулярные площадки в
окрестности исследуемой точки, на которых касательные напряжения равны
нулю.
Главные напряжения – нормальные напряжения, действующие по
главным площадкам (то есть площадкам, на которых отсутствуют
касательные напряжения).

В зависимости от того, сколько главных напряжений действует в
окрестности данной точки, различают три вида напряженного состояния:
1) линейное (одноосное) – если одно главное напряжение отлично от
нуля, а два других равны нулю (σ 1 ≠ 0, σ 2 = 0, σ 3 = 0);
2) плоское (двухосное) – если два главных напряжения отличны от
нуля, а одно равно нулю (σ 1 ≠ 0, σ 2 ≠ 0, σ 3 = 0);
3) объемное (трехосное) – если все три главных напряжения отличны
от нуля (σ 1 ≠ 0, σ 2 ≠ 0, σ 3 ≠ 0).

Рис. 4

ДЕФОРМАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

Напряженное состояние, возникающее в заготовке или изделии,
существенным образом влияет на процессы деформации и разрушения.
Результатом действия нормальных напряжений является разрыв
межатомных связей – разрушение, а действие касательных напряжений
вызывает в металлах необратимый сдвиг – пластическую деформацию.
Поэтому при хрупком разрушении поверхность излома расположена
нормально к вектору внешнего усилия, а при вязком разрушении, которому
предшествует пластическая деформация, поверхность излома расположена
под углом в 45° по отношению к направлению действия внешнего усилия.
Деформацией называют изменение формы и размеров тела под
действием напряжений от внешних нагрузок.
Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют
упругими, а сохраняющиеся после снятия напряжений – пластическими или
остаточными.

СХЕМЫ НАГРУЖЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Существуют различные схемы нагружения жаропрочных материалов:
- статические растягивающие, изгибающие или скручивающие
нагрузки,
- термические нагрузки вследствие изменений температуры,
- динамические переменные нагрузки различной частоты и амплитуды,
динамическое воздействие скоростных газовых потоков на поверхность.
При этом указанные материалы должны выдерживать
соответствующий тип нагружения.

ТЕРМОНАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

При изменении температуры происходит объемное расширение или
сжатие твердого тела. Неравномерный нагрев приводит к возникновению
внутренних напряжений, к деформированию твердого тела.
Уровень термических напряжений в существенной степени зависит от
многих факторов:
- параметров теплового режима (скорости нагрева и охлаждении,
уровня температур цикла),
- физико-механических характеристик материала и скорости их
изменения при колебаниях температуры,
- вида напряженного состояния, а также геометрии и конструктивных
параметров самого элемента.
Высокие уровни температур, циклический характер температурного
воздействия, чередование нестационарных и стационарных режимов создают
в материале особые условия работы:
- высокую термомеханическую напряженность,
- большие уровни термических напряжений.
Все это обусловливает в большинстве случаев работу материала
конструктивного элемента за пределами упругости; в наиболее напряженных
точках наблюдается процесс циклического упруго-пластического
деформирования, приводящий материал к разрушению за ограниченное
число циклов.
На условия разрушения при неизотермическом нагружении
существенно влияет знак циклической пластической деформации при
максимальной температуре цикла. Типичным случаем является такой, когда

деформация сжатия осуществляется при максимальной температуре цикла.
Такой вид нагружения реализуется именно в поверхностных слоях любого
конструктивного элемента при термоциклическом воздействии.

ПРОЦЕССЫ ПОЛЗУЧЕСТИ

При длительном нагружении с высокими температурами поведение
материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий
характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.
Ползучесть – представляет собой медленное нарастание пластической
деформации под действием напряжений, меньших предела текучести.
Типичная зависимость деформации от времени нагружения
представлена на рис. 5.

Рис. 5. Кривая ползучести:

I – неустановившаяся стадия (скорость деформации велика,

но постепенно затухает);

II – установившаяся стадия (скорость деформации мала и постоянна);
III – стадия разрушения (скорость деформации резко возрастает)

Кривая ползучести состоит из трех участков.
Стадия I – неустановившейся ползучести – отличается постепенным
затуханием скорости деформации до определенного постоянного значения.

Стадия II – установившейся ползучести – характеризуется постоянной
скоростью деформации.
На стадии III – стадии разрушения – скорость деформации нарастает до
момента разрушения. Как правило, она непродолжительна и для деталей
недопустима, так как в этом случае неминуемо быстрое разрушение.

ЗАВИСИМОСТЬ ПОЛЗУЧЕСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ И НАПРЯЖЕНИЙ

Задача выбора и обработки жаропрочного материала состоит в том,
чтобы сделать II стадию как можно длиннее (десятки и сотни тысяч часов).
Если при постоянном напряжении увеличивать температуру
эксплуатации (или наоборот), то II стадия сокращается и разрушение
наступает быстрее.
Относительное развитие каждой стадии зависит от температуры и
напряжения. При одном и том же напряжении повышение температуры
испытания сокращает продолжительность стадии II и ускоряет разрушение
(рис. 6, а). Аналогично влияет повышение напряжения при неизменной
температуре испытания (рис. 6, б).

Рис. 6 – Зависимость ползучести от температуры (а) и напряжений (б)

РАЗВИТИЕ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛЗУЧЕСТИ

Большинство жаропрочных материалов поликристаллические.
Деформация ползучести в них может развиваться:
1) за счет движения дислокаций (скольжения и переползания –
перемещения дислокаций вверх или вниз относительно плоскости
скольжения);
2) за счет зернограничного скольжения, когда идет сдвиг зерен
относительно друг друга вдоль общих границ (это возможно только при
мелком зерне);
3) за счет диффузионного переноса атомов вдоль растянутых границ
зерен. У растянутых границ зерен легче образуются вакансии, поэтому туда
устремляются атомы из других граничных областей (рис. 7).

Рис. 7 – Диффузия вдоль растянутых границ зерен

Перемещение дислокации при температурах выше 0,3Т пл происходит
двумя путями – скольжением и переползанием. При нагреве имевшиеся
вокруг дислокаций скопления атомов легирующих элементов и примесей
растворяются, и это облегчает скольжение. Переползание дислокаций
обеспечивается их взаимодействием с вакансиями, благодаря чему отдельные
участки дислокаций смешаются в соседние плоскости кристалла. Нагрев
ускоряет диффузионный приток вакансий и облегчает переползание.
Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен
относительно друг друга вдоль общих границ в узкой пограничной области.
Скольжение развивается под действием касательных напряжений.
Деформация скольжения тем больше, чем мельче зерна.
Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль
границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений
уменьшается энергия образования вакансий. На границе между двумя
растянутыми зернами концентрация вакансий увеличивается, и они
перемещаются в зоны, где их концентрация меньше. Потоку вакансий
соответствует встречный поток атомов, поэтому у растянутых границ
количество атомов увеличивается и зерна удлиняются.

Перенос атомов происходит и по объему зерен, однако вклад объемной
диффузии незначителен и важен лишь при высоких температурах около 0,9
Т пл , действие зернограничной диффузии существенно уже при 0,4–0,6 Т пл .
Когда между перемещением дислокаций, зернограничным
скольжением и диффузионным переносом нет соответствия, на границах
зерен появляются поры и быстро наступает разрушение.

РЕЛАКСАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Ползучесть металлов вызывает релаксацию напряжений в
предварительно нагруженных деталях.
При высокотемпературных условиях работы постепенно уменьшаются
напряжения в болтах и других крепежных деталях, ослабляются натяги и т.п.
Деформация нагруженной детали представляет собой сумму упругой и
пластической деформации. В начале эксплуатации пластической деформации
нет, и напряжение, например, в затянутой шпильке, равно:

σ в = Е t∙ ε 0

(где Е t – модуль упругости при температуре эксплуатации).
Появление пластической деформации уменьшает долю упругой
деформации до ε 1 , которая меньше ε 0. Соответственно напряжение
уменьшается до

σ 1 = Е t∙ ε 1.

Возникающая пластическая деформация есть не что иное, как
деформация ползучести под действием монотонно убывающего напряжения.
Критерием сопротивления релаксации является падение напряжения за
время τ при заданной температуре:

Δσ = σ 0 - σ τ .

ЖАРОСТОЙКОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Многие детали современных паросиловых установок,
металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и
других машин нагреваются до высоких температур и несут большие
нагрузки.
Решающее значение при выборе материала имеют
- температура;
- длительность работы под нагрузкой;
- действующие напряжения.
Для жаропрочных сплавов и сталей основным полезным свойством с
практической точки зрения является способность материала выдерживать
механические нагрузки в условиях высоких температур.
Жаропрочные стали часто являются и жаростойкими.
Жаростойкость (окалиностойкость) – это способность металлов и
сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в
течение длительного времени.
Если изделие работает в окислительной газовой среде при температуре
500..550 o C без больших нагрузок, то достаточно, чтобы они были только
жаростойкими (например, детали нагревательных печей).

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ЖАРОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ

Сплавы на основе железа при температурах выше 570 o C интенсивно
окисляются, так как образующаяся в этих условиях на поверхности металла
оксид железа FeO (вюстит) с простой решеткой, имеющей дефицит атомов
кислорода (твердый раствор вычитания), не препятствует диффузии
кислорода и металла. Происходит интенсивное образование хрупкой
окалины.

Для повышения жаростойкости в состав стали вводят элементы,
которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением
кристаллической решетки (хром, кремний, алюминий).
Степень жаростойкости зависит от количества находящегося в стали
легирующего элемента. Например, сталь 15Х5 с содержанием 4,5-6,0 %
хрома жаростойка до темпера-туры 700 ºС, сталь 12Х17 (17 % Сr ) –до 900 ºС,
сталь 15Х28 (28 % Сr)–до 1100-1150 ºС (стали 12Х17 и 15Х28 являются
также и нержавеющими). Еще более высокой жаростойкостью (1200ºС)
обладают сплавы на никелевой основе с хромом и алюминием, например,
сплав ХН70Ю (26-29 % хрома;2,8-3,5 % алюминия).

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

На рис. 8 приведены температурные области применения
легированных теплоустойчивых, жаропрочных и окалиностойких сталей.
Решающую роль в повышении окалиностойкости играет хром.

Рис. 8 Кривая окалиностойкости:

- - - - - влияние никеля на окалиностойкость хромистых сталей;
1 – низколегированные теплоустойчивые стали;
2 – хромистые теплоустойчивые стали;

3 – жаропрочные стали с интерметаллидным упрочнением;
4 – жаропрочные стали с карбидным упрочнением;
5 – гомогенные жаропрочные стали;
6 – окалиностойкие стали

Рис. 3 – Влияние хрома на жаростойкость хромистой стали

ЖАРОПРОЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Жаропрочные стали – это стали для деталей, работающих в условиях
повышенных температур (свыше 0,3Tпл). Детали парогенераторов, газовых
турбин должны работать при таких температурах длительно и надежно.

Жаропрочность – способность материала противостоять
механическим нагрузкам при высоких температурах, т. е. длительно
сопротивляться деформированию и разрушению.
Нагрев ослабляет межатомные связи, при высоких температурах
уменьшаются модули упругости, временное сопротивление, предел
текучести, твердость. Чем ниже T пл основы сплава, тем ниже оказываются его
допустимые рабочие температуры (рис. 9).

Рис. 9 – Зависимость предела текучести А1 (1), Си (2), Ti (3), Та (4) и W (5) от температуры

КРИТЕРИИ ЖАРОПРОЧНОСТИ

Критериями жаропрочности являются предел ползучести, предел
длительной прочности, сопротивление релаксации.

Пределом ползучести называется напряжение, под действием
которого материал деформируется на определенную величину за
определенное время при заданной температуре. В обозначении предела
ползучести указывают температуру, деформацию и время, за которое она
возникает.
В обозначении предела ползучести указывают температуру,
деформацию и время, за которое она возникает.
Например, означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100
000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая
деформация 1%.
Пределом длительной прочности называется напряжение, которое
вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное
время.
В обозначении предела длительной прочности указывают температуру
и время до разрушения.
Например, = 130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал
выдержит действие напряжения, равного 130 МПа, в течение 10 000 ч.
Предел длительной прочности всегда меньше , определенного при
кратковременном испытании при той же температуре (и, тем более, меньше
стандартной характеристики ).
Для перлитного класса жаропрочных сталей предел ползучести при 550
°C за 100 тыс. часов ниже 100 МПа; предел длительной прочности для
мартенситного и мартенсито-ферритного класса сталей может достигать 180
МПа.

ДОПУСТИМАЯ ОСТАТОЧНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

Величина допустимой остаточной деформации устанавливается в
зависимости от условий эксплуатации оборудования и точности сохранения
размеров деталей (табл.1).

Таблица 1 – Допустимая деформация и скорость ползучести

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЖАРОПРОЧНОСТИ

Для повышения жаропрочности необходимо ограничить подвижность
дислокаций и замедлить диффузию.
Это достигается:
- повышением прочности межатомных связей,
- созданием препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и
на их границах,
- увеличением размеров зерен.
1. Увеличение прочности межатомных связей
Прочность межатомной связи увеличивают легированием, изменением
типа кристаллической решетки, переходом от металлической связи к более
прочной ковалентной.
Наиболее целесообразным является легирование твердого раствора
более тугоплавкими металлами, чем металл-основа данного раствора. Так,
жаропрочные стали с ОЦК-решеткой легируют молибденом (до 1%), а

жаропрочные никелевые сплавы с ГЦК-решеткой – вольфрамом,
молибденом, кобальтом (в сумме до 15–20%).
Эффективность растворного упрочнения небольшая и сохраняется до
температур около 0,6–0,65 Тпл. Материалы со структурой твердого раствора
по жаропрочным свойствам уступают материалам, упрочненным
дисперсными частицами.
У железа межатомные связи в ГЦК-решетке прочнее, чем в ОЦК-
решетке. В частности, при температуре около 911 °С коэффициент
самодиффузии железа в ОЦК-решетке в 300 раз больше, чем в ГЦК-решетке.
Аустенитные стали имеют ГЦК-решетку и по жаропрочности немного
превосходят жаропрочные стал и с ОЦК-решеткой.
Выше температуры 1000 °С материалы с ковалентной межатомной
связью – графит, керамика на основе SiC, Si 3 N 4 или материалов системы «Si –
А1 – О – N» (сиалоны) – по жаропрочным свойствам уступают лишь ряду
тугоплавких сплавов, выгодно отличаясь от них меньшей плотностью и
стоимостью.
2. Снижение подвижности дислокаций
Подвижность дислокаций существенно снижается в многофазной
структуре с мелкими частицами упрочняющих фаз. Материалы с
многофазной структурой, получаемой термической обработкой, называются
дисперсионно-упрочненными. Эффективность упрочнения определяется
свойствами частиц и их распределением. Чем они мельче и чем ближе
находятся друг к другу, тем выше жаропрочность.
Многофазная структура с мелкими частицами упрочняющих фаз в
сталях получается при помощи закалки и отпуска, а во многих жаропрочных
сплавах – после закалки и старения. Для достижения оптимальной структуры
в жаропрочных сталях и сплавах используют комплексное легирование, и по
химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей
и сплавов.

Упрочняющими фазами служат карбиды и карбонитриды в
жаропрочных сталях, γ-фаза с ГЦК-решеткой – в никелевых сплавах, фазы
Лавеса и некоторые другие промежуточные фазы – в высоколегированных
сталях.
Материалы с упрочняющими частицами, инертными по отношению к
металлической основе, называются дисперсно-упрочненными. К ним
относятся:
- алюминий, упрочненный частицами А1 2 O 3 (САП);
- никель, упрочненный частицами оксидов ТhO 2 или Нf O 2.
Преимуществом дисперсно-упрочненных материалов является
устойчивость структуры при продолжительном нагреве. Такие материалы
получают порошковой технологией из специально подготовленных
порошков. Сущность подготовки заключается в размоле в шаровой мельнице
порошков металла и оксида. Во время размола происходит сваривание и
разрушение частиц порошков, получается механически легированный
порошок. Частицы этого порошка имеют однородную структуру с
равномерным распределением тонких оксидных частиц.
Способы уменьшения зернограничного скольжения: создание
крупнозернистой структуры, образование дисперсных частиц вторых фаз на
границах зерен, нейтрализация вредных легкоплавких примесей на границах
зерен.
3. Увеличение размеров зерна
Крупнозернистость – характерная особенность структуры
жаропрочных материалов. Чем крупнее зерна, тем меньше протяженность
межзеренных границ и слабее зернограничное скольжение и диффузионный
перенос.
Таким образом, структура жаропрочного материала должна быть
крупнозернистой (с меньшей протяженностью границ), с однородным
распределением мелких упрочняющих частиц внутри зерен и на границах.

Дисперсные частицы повышают жаропрочность эффективнее, чем
твердый раствор. Чем мельче частицы и меньше расстояния между ними, тем
эффективнее упрочнение.
Идеальным для работы при повышенных температурах является
монокристалл, у которых совсем нет границ зерен. Уже используют лопатки
газовых турбин, представляющие собой единое монокристаллическое
образование. Ограничением для широкого применения является высокая
цена.
Производство деталей со структурой монокристалла освоено лишь для
отдельных деталей, и практически приходится иметь дело с
поликристаллическими материалами.
Дополнительные меры повышения жаропрочности
К дополнительным мерам повышения жаропрочности относят
- термомеханическую обработку для получения структуры
полигонизации,
- упорядочение твердого раствора металла-основы,
- создание анизотропной структуры.
Полигонизация повышает сопротивление ползучести, так как
малоугловые границы в зернах мешают передвижению дислокаций. Однако
такая обработка эффективна лишь в изделиях простой формы (например, в
трубах), когда деформация во всем изделии одинакова.
Применение упорядочения ограничено: не всякий твердый раствор
упорядочивается.
Анизотропную структуру в изделиях из жаропрочных сплавов
получают направленной кристаллизацией или теми же способами, какими
получают композиционные материалы.

КЛАССЫ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

Жаропрочные стали и сплавы классифицируют по основному признаку
– температуре эксплуатации. (табл. 2).
Таблица 2 – Предельные рабочие температуры металлических
конструкционных материалов

ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Таблица 3 – Химический состав и свойства жаропрочных сталей
и никелевых сплавов

1. Для работы при температурах до 350-400 ºС применяют обычные
конструкционные стали (углеродистые и малолегированные).
2. Для работы при температуре 400-550 ºС применяют стали
перлитного класса, например, стали 15ХМ1ВФ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф.
Для этих сталей основной характеристикой является предел
ползучести, так они предназначены главным образом для изготовления
деталей котлов и турбин (например, трубы паропроводов и

пароперегревателей), нагруженных сравнительно мало, но работающих
длительное время (до 100000 ч).
Детали из сталей перлитного класса подвергают нормализации с
температуры 950-1050 ºС и отпуску при 650-750 ºС с получением структуры
сорбита с пластической формой карбидов. Эти стали содержат мало хрома и
потому обладают невысокой жаростойкостью.
3. Для работы при температуре 500-600 ºС применяют стали
мартенситного класса: высокохромистые, например, 15Х11МФ для
лопаток паровых турбин: хромокремнистые (называемые сильхромами),
например, 40Х9С2 для клапанов моторов: сложнолегированные, например,
20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.
Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей
подвергают закалке в масле с температуры 1000-1050 ºС и отпуску при 700-
800 ºС (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет
структуру мартенсита и твердость НRС~60, а после отпуска – структуру
сорбита, твердость НRC~30. Жаростойкость сталей мартенситного класса –
до температуры 750-850ºС.
4. Для работы при температуре 600-750 о С применяют стали
аустенитного класса, разделяемые на неупрочняемые (нестареющие) и
упрочняемые (стареющие).
Нестареющие стали – это, например, сталь 09Х14Н16Б,
предназначенная для труб пароперегревателей и трубопроводов установок
сверхвысокого давления и применяемая после закалки с 1100-1150 о С
(охлаждение в воде или на воздухе).
Стареющие стали – это сложнолегированные стали, например,
45Х4Н14В2М, применяемая для клапанов моторов, деталей трубопроводов,
сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС–для лопаток газовых турбин.
Детали из стареющих сталей подвергают закалке в воде, масле или на
воздухе с температуры 1050-1200 о С с последующим длительным (8-24ч)
старением при температуре 600-800 о С. При нагреве под закалку происходит

растворение в твёрдом растворе (аустените) карбидов и других фаз, а после
охлаждения получается однородный, пересыщенный твёрдый раствор
(аустенит). При старении из пересыщенного твёрдого раствора (аустенита)
выделяются высокодисперсные частицы карбидов и других фаз,
упрочняющие сталь.
Жаростойкость сталей аустенитного класса 800 – 850 о С.
5. Для работы при 800 – 1100 о С применяют жаропрочные сплавы на
никелевой основе, например, ХН77ТЮР, ХН55ВМТФКЮ для лопаток
турбин. Эти сплавы стареющие и подвергаются такой же термической
обработке (закалке и старению), как и стареющие стали аустенитного класса.
Жаростойкость сплавов на никелевой основе до 1200 ºС.

Список использованных источников

1. Жарский И. М. Материаловедение: учеб. пособие / И.М. Жарский [и
др.]. – Электрон. дан. – Минск: "Вышэйшая школа", 2015. – 557 с.

2. Масленков С.Б. Жаропрочные стали и сплавы. Справочник. М.:
Металлургия, 1983. – 192 с.
3. Теплухин Г.Н., Гропянов А.В., Жукова М.Н. Высокотемпературные
материалы в энергетике: учебное пособие. доп.-/ СПбГТУРП. – СПб., 2011. –
125 с.
4. Барчуков. Д.А. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы. Тверь:
ТвГТУ, 2015. – 224 с.
5. Беттеридж У. Жаропрочные сплавы. Пер. с англ. – М.:
Металлургиздат, 1961. – 381 с.
6. Каблов Е. Н. Жаропрочнось никелевых сплавов. Издатель: Москва,
Машиностроение, 1998. – 482 с.
7. Симс Ч., Хагель В. Жаропрочные сплавы. Пер. с англ. – М.:
Металлургия, 1996. – 568 с.
8. Химушин Ф.Ф. Жаропрочные стали и сплавы. Издательство:
Металлургия. г. Москва. 2010. – 752 с.
9. Шалин Р.Е., Светличный И.Л. и др. Монокристаллы никелевых
жаропрочных сплавов. М.: Машиностроение, 1997. – 336 с.
10. Кишкин С.Т., Строганов Г.Б., Логунов А.В. Литейные жаропрочные
сплавы на никелевой основе. М. Машиностроение, 2003. – 116 с.