Температуру закалки этих сталей выбирают в зависимости от состава и назначения детали; она обычно составляет 900-1100°С. Стали, предназначенные для сварных деталей, подвергают отпуску для снятия напряжений, причем температуры и время отпуска выбирают с учетом предотвращения охрупчивания стали в интервале хрупкости 475 °С и охрупчивания вследствие сигматизации сталей в интервале 650-850 °С.

Аустенито-мартеиситные стали. Потребности новых отраслей современной техники в коррозионностойких сталях повышенной прочности и технологичности привели к разра- ботке сталей аустенито-мартенситного (переходного) класса.

Структура этих сталей после закалки представляет со-бой неустойчивый (метастабильный) аустенит, который может претерпевать мартенситное 7->-ам-превращение в результате обработки холодом или пластической деформации ниже Л1д. Свойства определяются соотношением количества аустенита и мартенсита в структуре. Изменения прочностных свойств в зависимости от содержания легирующих; элементов в сталях мартенситного (/), переходного ( ) и аустенитного ( /) классов приведены на рис. 173.

Температура Мц в этих сталях должна лежать ниже комнатной, но не настолько низко, чтобы сталь была Ста--бильной при обработке холодом. В аустенито-мартенсит-? ных сталях может образовываться некоторое количество б-феррита, однако его присутствие в структуре ограничиваг ют из-за возможного охрупчивания сталей и снижения уровня прочности.

Состав сталей этого типа приходится строго контролировать для поддержания сбалансированного содержания -феррито- и аустенитообразующих элементов и заданной температуры мартенситного превращения. Накопленный: экспериментальный материал позволяет ориентировочно оценить действие различных легирующих элементов на содержание б-феррита и положение точки Ми в сталях этого типа, что позволяет рассчитать состав стали. Ниже показано влияние легирующих элементов на количество б-ферри- та и положение мартенситной точки сталей переходного! класса (Ф. Б. Пикеринг):

Легирующий элемент .......

Изменение б-феррита, %, иа 1 % л. э. . Изменение Ми, С, на 1 % л. э.....

-288

Продолжение

Легирующий элемент .......

Изменение б-феррита, %, иа 1 % л. э. . Изменение Мд, С, на Г% л. э.....

Дополнительное упрочнение этих сталей может быть получено в результате дисперсионного твердения мартенсита при температурах 400-500 °С. Для этого в стали вводят такие элементы как алюминий, медь, титан. В этом случае в сталях возможно выделение интерметаллидной фазы NiAl, когерентной с о.ц.к.-матрицей, и NiTi или Ni(Al, Ti), также имеющих о. ц. к. структуру; при введении меди образуются комплексы, очень богатые медью (предположительно твердый раствор никеля в меди).

В процессе отпуска в сталях выделяются карбонитриды молибдена и ванадия, что также повышает прочность. Однако в результате старения падают характеристики пластичности, поэтому при легировании сталей стремятся к максимальному выигрышу в прочности при заданных характеристиках пластичности.

Экспериментально установлено, что оптимальное сочетание прочности и пластичности обеспечивает легирование молибденом и алюминием, что объясняет наиболее широкое распространение сталей соответствующих композиций.

5. Сплавы на железоникелевой и никелевой основе

При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и соляной кислотах, необходимо применять сплавы с более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали (табл. 35). Для этих целей используют сплавы на железоникелевой основе типа 04ХН40МДТЮи сплавы на никельмолибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ.

Структура сплава 04ХН40МДТЮ после закалки - аустенит с вклю. ченнями карбонитридов титана. После старения в сплаве наблюдается до 14% интерметаллидной у-фазы типа К!з(А1, Ti), что сопровождается значительным упрочнением. Сплавы этого типа могут работать в контакте с агрессивными среда.ми (например, растворы сернистой и фосфорной кислот) при наличии значительных механических напряжений.

Структура сплава Н70МФ после закалкн от 1070-1100 °С-а-твердый раствор молибдена в никеле и некоторое количество специаль-

19-970 289

Таблица 35. Состав и механические свойства коррозионностойких

сплавов на железоникелевой и никелевой основах

Сплав

04ХН40МДТЮ (ЭП288)

Н70МФ (ЭП814А) ХН58В (ЭП795) ,ХН65МВ

Содержание основных элементов, %

ных карбидов МОбС и VC. Нагрев сплава при 600-800 °С отрицательно сказывается на его коррозионной стойкости и сопротивлении МКК из-за выделения по границам зерен карбидов М012С н иитерметалли-ческих фаз типа Ni4Mo и NisMo. Сплав применяется для работы в органических кислотах, солянокислых средах н концентрированных растворах серной и фосфорной кислот.

Структура сплавов ХН58, ХН6ГМВ после закалки от оптимальных температур - а-твердый раствор с первичными карбидами типа МвцС-

При иагреве в интервале 800-1000° С в иих могут выделяться карбиды и интерметаллиды (МвгзСв, ц-фаза типа (N1, Сг)7(Мо, Ш)б), что отрицательно сказывается на их коррозионных свойствах. Эти сплавы предназначены для изготовления емкостей и трубопроводов в химическом машиностроении, для работы при повышенных температурах, в средах высокой агрессивности (солянокислые, сернокислые среды, хлор, уксусная кислота и др.).

Часть ЖАРОПРОЧНЫЕ седьмая И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Глава XXIII

ОСНОВЫ ЖАРОПРОЧНОСТИ

1. Основные определения и классификация

Жаропрочностью называется способность сталей и сплавов выдерживать механические нагрузки при высоких температурах в течение определенного в р е м е н и. При темпе-

ратурах до 600 С обычно применяют термин теплоустойчивость.

Жаростойкость характеризует сопротивление металлов и сплавов газовой коррозии при высоких температурах. Стали и сплавы, предназначенные для работы при повышенных и высоких температурах, должны, следовательно, обладать не только требуемой жаропрочностью, но и иметь достаточное сопротивление химическому воздействию газовой среды (жаростойкость) в течение заданного ресурса эксплуатации.

Стали и сплавы, предназначенные для работы при повышенных и высоких температурах, подразделяют на группы:

1) теплоустойчивые стали, работающие в нагруженном состоянии при температурах до 600 С в течение длительного времени;

2) жаропрочные стали и сплавы, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью;

3) жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С и обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах.

В технической литературе применяют различные классификации сталей и сплавов, например клапанные, котельные, лопаточные, т. е. по назначению; литейные и деформируемые, т. е. п о способу производства и другие.

Наиболее универсальной является классификация по составу и структуре, которая и принята ниже.

В группу теплоустойчивых сталей входят углеродистые, низколегированные и хромистые стали. Структура их зависит от степени легирования и режима термической обработки стали. После нормализации в структуре стали наблюдают феррит или феррито-карбидную смесь разной дисперсности (перлит, троостит, бейнит).

К жаропрочным относят стали аустенитного класса на хромоникелевой и хромоникельмарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Условно эти стали подразделяют на три подгруппы: гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твердого раствора; стали с карбидным упрочнением; стали с нитерметаллидным упрочнением. Такое разделение сделано по преимущественному типу упрочнения.

Жаропрочные сплавы разделены по металлу основы: сплавы на основе никеля и кобальта. Эти сплавы чаще всего подразделяют и по способу производства: на деформируемые и литые.

Жаростойкие стали и сплавы разделены на следующие группы: хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса, хромокреминстые стали мартенситного класса, а также хромоникелевые аустенитные стали и сплавы на хромоникелевой основе.

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы используются во многих отраслях промышленности. Достижения в металловедении жаропрочных материалов в значительной степени определяют уровень развития энергомашиностроения, авиационной и ракетно-космической техники.

Важно отметить, что жаропрочные материалы работают при различных схемах нагружения: статических растягивающих, изгибающих или скручивающих нагрузках, динамических переменных нагрузках различной частоты и амплитуды, термических нагрузках вследствие изменений температуры, динамическом воздействии скоростных газовых потоков иа поверхность.

Вследствие этого применяются разнообразные виды испытания иа жаропрочность и жаростойкость: испытания на ползучесть и длительную прочность при статическом нагруженин, испытания на высокотемпературную и термическую усталость, испытания на газовую коррозию в различных средах, испытания в скоростных газовых потоках и др.

Для оценки теплоустойчивости и жаропрочности наибольшее распространение в настоящее время в промышленности и в исследовательских работах получили испытания на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651-73), на ползучесть и длительную прочность, проводимые по схеме одноосного растяжения (ГОСТ 3248-81 и ГОСТ 10145-81).

Оценка жаростойкости производится по изменению массы стандартных образцов (ГОСТ 6130-71), механических или физических свойств сплавов.

Предел длительной прочности обозначается как напряжение а. (МПа) с двумя числовыми индексами - верхний указывает температуру испытания в °С, а нижний - длительность (или базу) испытация в часах. Например, ajoo означает, что испытания проводились при

800°С, длительностью в 100 ч, а, -соответственно при 700 С и в течение 100000 ч.

Очень часто в качестве характеристики жаропрочности пользуются временем до разрушения (в часах) при определенных температуре и напряжении. Например, указывают, что испытания проводились при f=900C и напряжении о=300 МПа, и сравнивают различные материалы (или один материал после различной обработки), считая, что чем больше время до разрушения, тем жаропрочнее материал.

Ползучестью называется непрерывная деформация металлов под действием постоянно приложенных напряжений.

При экспериментальном изучении ползучести определяют зависимость деформации (чаще удлинения) от времени при заданных напряжениях и температурах, получая первичные кривые ползучести (рис. 174). На этих кривых можно выделить 3 стадии ползучести (без учета мгновенной деформации, возникающей в момент приложения нагрузки): I - стадия неустановившейся ползучести, когда скорость ползучести уменьшается со временем испытания, II-стадия установившейся ползучести, имеющая постоянную скорость деформации, III- стадия ускоренной ползучести, когда скорость деформации возрастает, последняя стадия обычно предшествует разрушению.

Сопротивление ползучести характеризуется пределом ползучести - напряжением, которое вызывает заданную скорость ползучести или заданную суммарную деформацию ползучести за определенное время. Например, 0д з=15о МПа -это напряжение, вызывающее в металле скорость ползучести МО-%/ч при 700 °С. В качестве характеристик ползучести используют также суммарную деформацию ползучести 6 {%) за определенное время либо скорость установившейся стадии ползучести о, %/ч.

2. Влияние среды и условий эксплуатации иа жаропрочность

Решающим фактором при разработке жаропрочных материалов являются рабочая температура и действующие напряжения. Если величина напряжений зависит от конструкции детали, то уровень рабочих тем-19а-970 293

<?/fw испытания т

Рнс. 174. Кривые ползучести, полученные прн разных температурах н напряжениях (схема):

/- / - стадии ползучести; / - ползучесть при низких температурах и малых напряжениях; 2 - ползучесть прн средних температурах и напряжениях; 3 - ползучесть прн высоких температурах н напряжениях