Как работает сталь при высоких температурах

Обновлено: 10.05.2024

Уже были рассмотрены методы организа­ции процессов, обеспечивающих оптимальные условия работы металла элементов паровых котлов, работающих при высоком давлении. Но даже в этих условиях металл ответствен­ных узлов (трубы поверхностей нагрева, ба­рабан, коллекторы, паропроводы) находится в тяжелых условиях, так как в стационарных режимах он подвергается воздействию напря­жений от внутреннего давления и собственной массы при высокой температуре. В перемен­ных режимах (пусках, остановах) металл на­ходится под дополнительным воздействием пе­ременной температуры и давления. В некото­рых режимах могут возникать и переменные температуры циклического характера.

Кроме того, на металл ответственных узлов котла действуют высокая температура и кор- розионно-активные в химическом отношении среды: топочные газы, насыщенный и пере­гретый пар, пароводяная смесь и питательная вода. Под воздействием этих сред возникает коррозия металла.

Многие элементы котла, особенно детали водяной и паровой арматуры и труб поверх­ностей нагрева, работают в условиях эрозион­ного и абразивного износа. Эрозионным на­зывают износ под влиянием воздействия струи жидкости, газа или пара, абразивным— механический износ под действием твердых частиц — абразивов (например, золовой износ труб поверхностей нагрева). Эрозия метал­ла — сложный процесс, сочетающий в себе коррозию от химического воздействия среды и механический износ под влиянием динамики потока жидкости или пара (механический из­нос может усиливаться в процессе эрозии при наличии в среде твердых абразивных частиц).

Металл труб воздухоподогревателя испы­тывает небольшое давление (до 7—8 кПа), и потому механические усилия незначительны, но металл работает при высокой температуре (до 400—450°С).

Особенно в тяжелых условиях работают находящиеся в газоходах неохлаждаемые эле­менты, предназначенные для подвески и креп­ления поверхностей нагрева. Эти элементы несут большую весовую нагрузку и подвер­жены воздействию агрессивных газов при вы­сокой температуре (до 800°С).

Каркас котла также несет большую весо­вую нагрузку, но работает он при темпера­туре окружающего атмосферного воздуха. Только в подвесных конструкциях паровых котлов отдельные так называемые «горячие» подвески каркаса, кроме того, подвержены высокой температуре, определяемой темпера­турой протекающей через них рабочей среды.

Элементы котла, работающие под избыточ­ным давлением, условно можно разделить на две группы:

1) элементы, работающие при температуре ниже 350—400°С: барабан, парообразующие трубы и их коллекторы, трубы экономайзера и переходной зоны и их коллекторы, трубо­проводы и арматуры для воды и насыщенного пара;

2) элементы, работающие при температуре выше 350—400°С: пароперегреватели и их коллекторы, пароохладители, трубопроводы и арматура перегретого пара.

Специфическую опасность для надежной работы ответственных элементов парового котла представляет длительное воздействие напряжений от внутреннего давления и высо­кой температуры перегретого пара, если она превышает 450°С. Под совместным влиянием температуры выше 450°С и напряжений (тру­бы пароперегревателей, их коллекторы и ма­гистральные паропроводы) в стали развива­ется опасное явление ползучести (крипа). Ползучесть представляет собой медленное и непрерывное накопление пластической дефор­мации, т. е. постепенное увеличение размеров детали. Это особый вид пластической дефор­мации, протекающей при напряжении ниже предела текучести. Опасной особенностью процесса ползучести является то, что по до­стижении определенных пределов остаточной
пластической деформации металл разрушает­ся. Поэтому размеры деталей, работающих в условиях развития ползучести, непрерывно контролируют.

Наконец, следует опасный период III на­растающей ползучести бс, в течение которого наступает разрушение детали — точка с и ко­торому предшествует сильная пластическая деформация, например раздутие труб поверх­ности нагрева. Надежная работа деталей воз­можна только в пределах периода II устано­вившейся ползучести. При более высокой температуре (/2 и ^з) процесс ползучести проте­кает аналогично, но более активно во време­ни; скорость установившейся ползучести повы­шается, а разрушение наотупает раньше. На­пряжение, при котором скорость ползучести в периоде II не превышает заданной, или на­пряжение, вызывающее за заданный срок службы суммарную деформацию не более не­которого безопасного, допустимого предела, называют условным пределом ползучести аП - Для большинства марок сталей допускается суммарная деформация в 1% за 100 тыс. ч работы. Этому соответствует скорость ползу­чести Уп=10~7 мм/(мм-ч), или 10~5% /ч.

Характеристикой прочности металла при работе в условиях ползучести служит предел длительной прочности. При нагружении ме­талла в условиях ползучести длительность ра­боты детали до разрушения зависит от испы­тываемого напряжения. Напряжение, вызы­вающее разрушение металла в условиях ползучести за заданный период, называют пре­делом длительной прочности.

Зависимость времени до разрушения при постоянной температуре тР от напряжения чаще всего выражают степенным уравнением

Где В и m — постоянные для данного металла и данной температуры.

Следовательно, в двойных логарифмиче­ских координатах график зависимости тР от а выражается прямыми, показанными на рис. 25.2 для трех температур 11, t2 и /з (ti

Длительность безопасной работы детали при данном напряжении (без разрушения) может быть установлена по рис. 25.2. Сле­довательно, расчет на прочность деталей, ра­ботающих в условиях ползучести, можно про­водить не по пределу ползучести, а по пределу длительной прочности. Задавшись временем безопасной работы и введя запас прочности, можно рассчитать напряжение, при котором деталь буде г надежно работать в течение за­данного времени.

Физическая природа предела ползучести и предела длительной прочности неодинакова. Предел ползучести характеризует сопротивле­ние металла малой пластической деформации при повышенной температуре, а предел дли­тельной прочности — сопротивление металла разрушению в условиях ползучести. Тем не менее в зависимости от обстоятельств каждая из этих характеристик может фигурировать в расчетах на прочность в условиях ползуче­сти, тем более, что для каждого материала между этими характеристиками имеется опре­деленная взаимосвязь.

Рис. 25.2. Зависимость предела длительной прочности от времени до разрушения.

До последнего времени для расчета дета­лей, работающих в условиях ползучести, пре­дусматривалась подстановка в расчетные формулы допускаемого напряжения по преде­лу длительной прочности при данной темпе­ратуре стенки за заданный период работы (обычно 100 тыс. ч). Предел длительной проч­ности обозначается О д. п (/ — температура стенки). При коэффициенте использования рабочего времени /СРаб=0,85, т=100 тыс. ч эквивалентно сроку службы при расчетных параметрах пара — примерно 15 годам. Для дорогостоящего оборудования, каким являют­ся паровой котел и паровая турбина с труд - нозаменяемыми элементами (паропроводы, пароперегреватели, коллекторы, головная часть турбины и др.), этот срок службы в на­стоящее время считается недостаточным, если учитывать большие запасы прочности, зало­женные в расчетах прочности. По сроку амор­тизации рекомендуется его увеличить пример­но в 2 раза, т. е. до 200 тыс. ч. Это может несколько снизить длительную прочность к концу ресурса металла по сравнению с дли­тельной прочностью при 100 тыс. ч. Учиты­вая, однако, улучшение технологии производ­ства сталей и их термообработки, повышение культуры эксплуатации оборудования, улуч­шение методов контроля работы металла в эксплуатации оборудования, следует ожи­дать небольшого снижения длительной проч­ности при намеченном ресурсе металла в 200 тыс. ч. Новые нормы расчета на проч­ность [4] позволяют производить расчеты деталей паровых котлов на 200 тыс. ч.

Работа металла при повышенных темпе­ратурах отличается также той особенностью, что при этих температурах получают развитие диффузионные процессы, под влиянием кото­рых могут существенно изменяться структура, а следовательно, и свойства металла. В этих условиях металл разупрочняется в результате охрупчивания и графитизации. Разупрочнение может привести к аварийной потере прочно­сти.

Работа сталей в условиях воздействия то­почных газов и перегретого пара при повы­шенных и высоких температурах сопровож­дается также активизацией процессов элек­трохимической коррозии и как следствие уси­лением окисления и окаллнообразования на поверхностях, соприкасающихся с активными средами. От воздействия топочных газов осо­бенно страдают внешние поверхности труб пароперегревателей, от воздействия перегре­того пара — внутренние поверхности этих труб, коллекторов перегретого пара и маги­стральных паропроводов. Окалинообразова - ние может быть настолько значительным, что толщина стенки трубы уменьшается до опас­ных пределов, влекущих за собой прежде­временную ползучесть и даже разрушение труб. Образование окалины усугубляется ин­тенсивными тепловыми нагрузками, высо­кими напряжениями, возникающими от внут­реннего давления. Утонение металла вследст­вие окалинообразования учитывают в проч­ностных расчетах.

С увеличением единичной мощности требо­вания к надежности выше, а обеспечить ее сложнее из-за большой металлоемкости по­верхности нагрева и огромного числа сварных соединений. Увеличение единичной мощности часто сопровождается повышением парамет­ров пара, что связано с применением более прочных, но менее пластичных сталей. По­следние более чувствительны к концентраци­ям напряжений, и поэтому для них даже не­большие дефекты металла более опасны.

В итоге современные паровые котлы боль­шой мощности требуют не только улучшения технологии производства, но и получения по результатам контроля широкой информации о работе металла в сложных условиях экс­плуатации: его ползучести, структуре, соста­ве, механических свойствах и возникающих напряжениях.

Условия работы металла при высоких тем­пературах и давлениях позволяют сформули­ровать следующие основные требования к стали для обеспечения длительной надеж­ной работы котельной установки: высокий предел ползучести; высокий предел дли­тельной прочности; высокая стойкость про­тив окалинообразования; стабильность струк­туры, гарантирующая отсутствие опасного изменения свойств в процессе длительной работы; хорошая свариваемость; отсутст­вие металлургических и механических де­фектов поверхности, ослабляющих сечение элементов и являющихся концентраторами напряжений.

Марки жаропрочной стали, виды и особенности

Жаропрочная сталь – востребованный материал в современном мире. Из нее изготавливаются печи и дымоходы. Характеристики материала раскрывают все его преимущества и позволяют судить о его уникальности.

Понятие жаропрочности

Данное свойство металлов определяет их устойчивость к коррозии при воздействии высоких температур. В агрессивной среде жаропрочная сталь не разрушается и не деформируется.

Применяется данный материал в производстве деталей, контактирующих с температурным режимом свыше 550 градусов и подверженные вибрационным нагрузкам: турбины, отопительные котлы, компрессоры и прочее. Для того чтобы повысить показатель жаропрочности, в металлические сплавы добавляют определенные вещества:

Задача таких добавок — создать защитный слой. Данные вещества при контакте с металлом во время нагревания образуют на нем тонкую пленку, которая снижает окисление. В зависимости от количества добавляемых веществ будет регулироваться уровень жаропрочности.

При производстве жаропрочной стали она проходит определенное тестирование. Первым делом полученный сплав нагревают до конкретной температуры, а затем на него воздействуют растягиванием. После удачного тестирования готовая продукция допускается к реализации.

Особенности жаропрочной стали

Преимущества жаропрочных изделий очевидны:

• При постоянном и долгом воздействии высоких температур эксплуатационные свойства металла остаются неизменными.
• Повышается устойчивость к механическим воздействиям. В условиях агрессивной среды сплав сохраняет свою прочность.
• Несмотря на влияние газовой среды и взаимодействие с кислотами стальной сплав сохраняет первоначальный химический состав.
• Добавляемые в сплав вещества придают ему свойство коррозионной устойчивости.

По длительности воздействия агрессивной среды жаропрочную сталь можно разделить на типы длительного и кратковременного нагрева. Для стали длительного нагрева характерна выдержка высоких температур долгое время. Однако при этом значение температурного режима не достигает критической отметки. В случае со сталью кратковременного нагрева ее применение требуется там, где происходят резкие скачки температуры до нескольких тысяч градусов.

Но все же данные параметры не являются определяющими для классификации жаропрочной стали по типам. Основным фактором здесь выступают дополнительные примеси, наделяющие сплав особыми свойствами.

Видео описание

Жаропрочные и жаростойкие стали

Виды жаропрочной стали

Выделяют несколько видов стали в зависимости от ее внутренней структуры:

• мартенситная;
• перлитная;
• аустенитная;
• мартенситно-ферритная.

Жаропрочную сталь делят ещё на два типа:

Здесь определяющим является входящий в состав феррит.

Марки жаропрочной стали мартенситного типа

Самые популярные марки:

• X5. Предназначается для труб, используемых при температурном режиме 650 градусов. На большую температуру данная марка не рассчитана.
• 1Х8ВФ. Применяется для изготовления деталей паровых турбин. Выдерживает температуру 500 градусов. При этом срок их эксплуатации равен 10 000 часам.
• Несколько марок объединены в одну группу, так как имеют схожие характеристики: Х5М, Х5ВФ, 1 Х8ВФ, Х6СМ, 1 Х12Н2ВМФ. Предназначаются для элементов, изготовленных для эксплуатации при температурном режиме от 500 до 600 градусов. Срок службы деталей варьируется от 1000 часов до 10 000 часов.
• Ещё две марки объединены по общим показателям: 3Х13Н7С2, 4Х9С2. Из них изготавливаются клапаны транспортных двигателей. Способны выдержать температуру от 850 до 950 градусов.

Мартенситные стали имеют в составе перлит. При повышении уровня хрома в сплаве он меняет свое состояние. Марки стали, содержащей перлит и хром:

Принцип производства мартенситных сталей заключается в соединении составных элементов и дальнейшей их закалки при температуре 1000 градусов. Для повышения уровня жаропрочности происходит отпуск сплава при температурном режиме 8100 градусов. Именно эта процедура позволяет стали выдерживать длительное нагревание.

Марки ферритных сплавов

В таких соединениях содержится порядка 30% хрома. Мелкозернистая структура металла приобретается путем отжига. К таким сталям относят:

Производство ферритной стали проходит этапы закалки, обжига, а впоследствии отпуска. Из-за мелкозернистой структуры нагрев сплава может производиться только при температуре 180 градусов. Увеличение температурного режима приведет к нарушению целостности и сделает сплав хрупким. Используются такие сплавы в основном для теплообменных устройств.

Мартенсит и феррит — марки стали

Стоит отметить, что сталь может быть мартенситно-ферритной. Такой материал используют в машиностроении. Отличительной особенностью является устойчивость к температуре 600 градусов. При таком воздействии, даже длительном, эксплуатационные свойства стали не изменяются.

Марки стали такого состава:

• 2Х12ВМБФР;
• Х6СЮ;
• 1Х12В2МФ;
• 1Х13;
• 1Х12ВНМФ;
• 1 Х11МФ.

Характеристикой состава мартенситно-ферритных сплавов является присутствие хрома не более 14% и не менее 10%. В качестве добавочных металлов используют вольфрам, ванадий и молибден.

Конструкционные и инструментальные углеродистые стали.

Аустенитная и аустенитно-ферритная сталь

Особенностями таких сплавов является присутствие никеля, который формирует структуру материала, а также хрома, обеспечивающего жароустойчивость. В некоторых марках стали этой категории наблюдается присутствие титана и ниобия.

Аустенитная сталь является нержавеющей. Она устойчива к образованию окалины при воздействии рабочей среды до 1000 градусов.

Жаропрочные составы делятся на две категории:

Гомогенные стали используются для изготовления арматуры, труб с эксплуатацией при повышенных нагрузках. Воздействие на конструкцию происходит не только на температурном уровне, но и с высоким давлением и ударных нагрузках. К маркам этого вида стали относят:

• 1Х14Н16Б.
• Х25Н20С2.
• 1Х14Н18В2Б.
• Х25Н16Г7АР.
• Х18Н12Т.
• Х23Н18.
• Х18Н10Т.

Дисперсионно-твердеющие составы применяются для изготовления турбинного оборудования и моторных клапанов. Для них характерен долгий и регулярный нагрев, а также частое охлаждение. Перепады температурного режима не сказываются на эксплуатационных характеристиках сплава. Марки дисперсионно-твердеющей стали:

• 0Х14Н28В3Т3ЮР.
• Х12Н20Т3Р.
• 4Х14Н14В2М.
• 4Х12Н8Г8МФБ.

Аустенитная сталь относится к разряду дисперсионно-твердеющих составов. Для высоких качественных показателей в них добавляют карбид, а также интерметаллидный уплотнитель. Применяется такая жаропрочная сталь для печи. Состав может выдерживать температуру равную 700 градусам.

Аустенитные и аустенитно-ферритные металлы делятся на три категории:

• с пониженным содержанием добавочных металлов;
• сплавы с повышенным содержанием карбидов;
• сталь с присутствием интерметаллидного упрочнения.

Последний вид — самый прочный и жаростойкий. Это обусловлено входящими в состав компонентами:

• титан;
• алюминий;
• молибден;
• бром;
• вольфрам.

Такие сплавы закаливаются при 1050 градусах либо воздушным способом, либо в жидкости.

Тугоплавкие металлы

• вольфрам, как основной металл, и рений в качестве легирующего вещества (30%);
• железо как основа (48%), а добавочные вещества: ниобий – 15%, молибден – 5%, цирконий – 1%;
• ванадий (60%) и легирующий ниобий (40%);
• вольфрам и тантал в равно соотношении – 10%.

Существуют сплавы, которые способны выдерживать огромные температуры, даже свыше 3000 градусов:

• Вольфрам. Не реагирует на агрессивную среду. Его порог температуры — 3410 градусов.
• Рений. Наиболее жаропрочный металл, который способен выдержать температуру 3180 градусов.
• Тантал. Не менее жаропрочен, чем рений. Его максимальная прочность определяется температурой 3000 градусов.
• Молибден. Выдерживает нагрев до 2600 градусов.
• Ниобий – 2415 градусов.
• Гафний. Используется в сплавах, которые впоследствии будут применяться при накале в 2000 градусов.
• Ванадий. На него можно воздействовать средой в 1900 градусов.
• Цирконий. Эксплуатируется при 1855 градусов максимально.

Принимая во внимание описанные свойства и характеристики жаропрочной стали, можно сделать вывод, что классификация выстраивается в зависимости от следующих показателей:

• допустимый температурный режим, при котором сплав не деформируется;
• период нагревания металла;
• стойкость к кислотной среде и повышенной влажности.

Никелевые сплавы

Жаропрочные стали могут быть изготовлены из никеля с содержанием его в соотношении 55%. Также возможно применение никеля с железом (65%). Такой состав повышает жаропрочность и делает сплав более прочным. В качестве легирующего компонента выступает хром, который находится в соотношении не более 23%.

Наиболее популярны марки жаропрочной стали на основе никеля:

• ХН78Т.
• ХН60В.
• ХН78МТЮ.
• ХН67ВМТЮ.
• ХН77ТЮ.
• ХН70.
• ХН70МВТЮБ.

Некоторые виды марок используются для конкретных изделий:

• ХН35ВМТ, ХН35ВТ – роторы в качестве турбинного оборудования;
• ХН5ВМТЮ – детали газовых коммуникаций;
• ХН35ВТЮ – составные детали для компрессоров, например, диски;
• ХН5ВТР – некоторые детали конструкции турбины.

Жаропрочные марки стальных сплавов способы работать при повышенных температурах. В зависимости от состава сплава зависят их эксплуатационные характеристики. Легирующие компоненты придают прочность металлу, предел которой зависит от типа дополнительного вещества. В совокупности все показатели влияют на сферу применения изделий из жаропрочной стали. Некоторые марки используются только лишь в промышленных целях, а другие подходят для бытового применения.

Выбор марки стали для печей или бани

Жаропрочные стали для использования в домашних условиях значительно отличаются от промышленных вариантов. Для печи, например, следует подбирать сплавы, способные разогреваться до 500 градусов. Причем возможно применение различных вариантов сплавов в зависимости от используемого элемента конструкции. Марки стали, в том числе жаропрочной, для отдельных деталей печи:

• 08Х17Т, AISI430 – подойдут для отделения топки. Если возникнут трудности с приобретением этих марок, то их сможет заменить сталь Ст-10.
• 08ПС, 08Ю – используются для тепловых щитов.
• Ст-3 – подходит для печного корпуса.
• Большинство марок жаропрочной стали могут применяться для печного заслона. В некоторых случаях может использоваться чугун.

Для постройки банной печи используется сталь, в которой содержится хром не менее 12%. Важно учитывать толщину стального листа. Для подобной конструкции он должен быть 5 мм. Жаропрочная сталь применяется для оборудования, отапливающего большую площадь.

Заключение

Разновидностей жаропрочной стали множество. Каждый вид имеет свои особенности. Практически все легирующие компоненты помимо прочности придают металлу антикоррозийные свойства. Это значительным образом продлевает срок эксплуатации изделий. Однако процесс создания такой стали трудоемкий. Соответственно и расценки на материал будут значительно выше. Во многих случаях стоимость жаропрочных изделий оправдана. Ведь дополнительные компоненты могут придавать сплавам иные характеристики, например, электропроводность. В этом случае состав жаропрочной стали обеспечивает максимальную безопасность и надежность.

7 основных классов жаропрочной стали

Жаропрочная сталь используется в режиме повышенных температур в течение долгого времени в сложно напряженном состоянии. Необходимо проводить различение между жаропрочными и жаростойкими сталями. Последние выделяются большой антикоррозионностью при температурных условиях, превышающих 550 гр. Цельсия в среде, содержащей агрессивные газы. Иными словами, жаростойкость – это качество, которое связано с устойчивостью к окислению. Жаропрочность – качество, которое позволяет выдерживать деформационные воздействия, когда материалы находятся в условиях повышенной температуры и нагрузок напряжения.

Характеристики жаропрочных материалов

Главный параметр жаропрочных металлов – возможность противостоять механическим напряжениям и нагружению при нагревании до высоких значений, не разрушаясь и не деформируясь.

• Нагрузки растягивания в статическом состоянии.
• Нагрузки посредством изгибания и скручивания.
• Температурные, предполагающие различные режимы нагрева.
• Переменные нагрузки динамического характера.
• Нагружения, оказываемые посредством направления потоков газов на металл.

Жаростойкие металлические материалы отличаются еще и повышенной антикоррозионностью и стойкостью к факторам окисления в условиях повышенных термических воздействий.

Технологический параметр ползучести

Наиболее значимая характеристика в технологических процедурах, где присутствуют жаропрочные стали, — это ползучесть. Эта характеристика свойственна любым твердым телам: кристаллическим и аморфным.
Для металлических материалов она выражается в медленных и постепенных пластических деформационных процессах, происходящих под влиянием неизменяемой нагрузки. Чем меньше скорость деформирования и ниже скорость ползучести, тем более высоко можно оценить жаропрочность металла, если напряжение и температурный режим остаются постоянными и заданными.

Характеристики ползучести могут различаться по критерию временной длительности.
Соответственно этому ползучесть бывает

• Длительной. Характеристики этого вида ползучести определяются нагрузками на жаропрочную сталь для печи, которые продолжаются долгое время. Наибольшее напряжение за период времени, которое разрушает разогретый материал, определяет предел ползучести.
• Кратковременной. Испытания для ее определения проводят в печи, которую нагревают до определенного уровня, и оказывают на металл растягивающую нагрузку в течение короткого времени.

Ползучесть описывается определенным графиком кривой, на котором прослеживаются различные стадии. Высокое сопротивление ползучести — один из факторов жаропрочности.
Предел ползучести – это уровень напряжения, при котором за время, специально заданное, достигается определенная деформация.
Эти расчеты принимаются во внимание в различных видах машиностроения: в авиационном моторостроении за такое время принимается величина 100-200 часов.
Жаропрочностью отличаются сплавы, содержащие Cr и Ni (хромоникелевые), а также содержащие Cr, Ni, Mn (хромоникелевомарганцевые). Эта характеристика проявляется следующим образом: при нагревании они не демонстрируют качество ползучести.

Варианты производства жаропрочных материалов

Изготавливается жаропрочная сталь, проходя предварительную термическую обработку. Применяются процедуры легирования такими элементами, как Cr, добавления Mo, Ni, Ti и иных легирующих компонентов.

Хром – Cr -увеличивает жаростойкость, повышает коррозионную стойкость.

Никель – Ni – повышает свариваемость.

Молибден – Mo – увеличивает термические показатели рекристаллизации.

Титан – Ti – повышает прочность, она удерживается в течение большого временного периода, и эластичность.

Классификация материалов жаропрочных и жаростойких

Среди всех железосодержащих материалов, ориентированных в эксплуатации на повышенный температурный режим, выделяются 3 основных класса:

Вид материала	Уровень нагруженности	Термические условия
Теплоустойчивые	Состояние в условиях нагрузки	До 600 градусов Цельсия долгое время
Жаропрочные	Состояние нагруженное	Высокие показатели температуры
Жаростойкие (окалиностойкие)	Ненагруженное, слабонагруженное состояние	Температура более 550 гр. Цельсия

• Литейными. Идут на изготовление фасонных отливок.
• Деформируемыми. Получаются в виде слитков, затем обрабатываются с помощью ковки, прокатываются, штампуются, используется волочение и другие способы.

Разновидности жаропрочных и жаростойких материалов по структурным критериям

Состояние внутренней структуры металлов определяет тип сталей и сплавов.

Выделяется ряд категорий жаропрочных стальных материалов, исходя из состояний внутренней структуры.

Аустенитный класс

Аустенитный класс формирует внутреннюю структуру благодаря большому процентному содержанию хрома и никеля. Получение стабильного аустенита, гранецентрированной кристаллической решетки железа, предполагает легирование стали никелем. Жаростойкость определяется хромовыми добавками.

Аустенитные сплавы — высоколегированные. Для целей легирования используются Nb (ниобий) и (Ti) титан для увеличения устойчивости к коррозии. Эта характеристика позволяет отнести их к группе стабилизированных.
Коррозионностойкие жаропрочные стали с относятся к труднообрабатываемым металлам.

Когда температуры повышаются до значений, близких к 1000 градусам С. и длительно поддерживаются, аустенитная нержавеющая сталь сохраняет стойкость к образованию слоя окалины, сохраняя качество жаростойких материалов.

Часто встречаются на производстве сплавы аустенитного типа, принадлежащие к дисперсионно–твердеющему подклассу. Качественные характеристики могут улучшаться путем добавления различных элементов: карбидных, интерметаллических упрочнителей.
Эти элементы обеспечивают деформационно-термическое упрочнение благодаря усилению аустенитной матрицы с помощью дисперсионного твердения.

Карбидообразующие элементы: ванадий-V, ниобий-Nb, вольфрам-W, молибден-Mo.

Интерметаллиды получаются благодаря дополнительным добавкам хрома–Cr, никеля-Ni, и титана–Ti.

Структура аустенитов

• Гомогенной. Материал с такой структурой не проходит термообработку для упрочнения, в нем мало углерода и большой процент легирующих компонентов. Это обусловливает хорошую стойкость к ползучести.
  Применяются в температурной среде ниже 500 градусов.
• Гетерогенной. В таком материале, прошедшем термоупрочнение, получаются карбонитридные и интерметаллидные фазы.
  Это позволяет повысить температуру использования под нагрузками напряжения до 700 градусов..

Материалы с никелевыми и кобальтовыми присадками подвергаются эксплуатационным воздействиям при терморежиме до 900 градусов. Сохраняют стабильность структуры долгое время.

Нихромы, в которых никеля больше 55%, отличаются и жаропрочностью, и качествами жаростойкости.

Тугоплавкие металлы: вольфрам, ниобий, ванадий обеспечивают устойчивость металлов, когда термический режим приближается к 1500 гр. С.

Из Х25Н16Г7АР производят различные металлические полуфабрикаты: лист, проволока, готовые детали для функционального использования при 950 гр. при умеренных нагрузках.

Аустенитно-ферритный класс

Перлитный класс

Перлитные жаропрочные стальные материалы относятся к категории низколегированных. Стали содержащие в виде присадок хром и молибден ориентированы на работу при температуре 450-550 гр. С., содержащие, помимо Cr и Mo еще и ванадий, нацелены на рабочий режим при температуре 550-600 гр. С.

Легирование хромом влияет на жаростойкость материалов в сторону повышения этой характеристики, также усиливается сопротивляемость окислительным процессам. Добавки молибдена увеличивают прочностные характеристики при большом нагреве материалов.

Ванадий, объединяясь с углеродом, создает повышение прочностных характеристик стальных материалов карбидами с высокодисперсными качествами.

Технология нормализации металлов улучшает и оптимизирует механические свойства сплавов. Технология закаливания и следующего за ней температурного отпуска выполняет ту же функцию. Получается структурная матрица, в которой присутствует дисперсная феррито карбидная фактура.

12Х1МФ — производство труб пароперегревателей, трубопроводов и коллекторов высокого давления.

Мартенситный класс

Методом, который превращает один вид стального материала в другой, является закаливание, за которым следует отпуск. Итог процесса – перестроение кристаллической решетки и повышение твердости. Однако возрастает хрупкость.

40Х10С2М идет на изготовление клапанов авиадвигателей, двигателей для дизельного автотранспорта, крепежа при температурах до 500 градусов.

3Х13Н7С2 и 4Х9С2 могут подвергаться нагреву порядка 900 гр. С.
Это обуславливает их пригодность для производства двигательных клапанов.

Ферритный класс

0Х17Т зарекомендовал себя в производстве изделий для работы в окислительных средах, таких как трубы и теплообменники

Из Х18СЮ производятся трубы пиролизных установок, аппаратура.

Мартенситно-ферритный класс

1Х11МФ работает в виде лопаток турбин, из него производят поковки для эксплуатационных температур до 560 гр. С.

Сплавы, имеющие никелевую основу, и железо никелевые

ХН35ВМТЮ участвует в производстве газовых конструкционных элементов коммуникаций.

Из ХН35ВТР изготавливают конструкции турбинных устройств.

Это металлы, отличающиеся экстремально высокими температурными показателями плавления. Их характеризует также повышенная износостойкость. Использование их для легирования сталей и сплавов, увеличивает те же показатели материалов, к которым их добавляют.

Температуры плавления следующие:

Вольфрам	W	3410 градусов
Тантал	Ta	3000 градусов
Ниобий	Nb	2415 градусов
Ванадий	V	1900 градусов
Цирконий	Zr	1855 градусов
Рений	Re	3180 градусов
Молибден	Mo	2600 градусов
Гафний	Hf	2222 градусов

Применение

Стальные материалы жаропрочного класса широко применимы в различных областях экономики.

Это сферы энергетики, нефтехимии, химическом производстве, авиастроении и автомобилестроении, других направлениях машиностроительной отрасли.

СТАЛИ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ, ОСНОВЫ ИХ ЛЕГИРОВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ

Принципы легирования теплоустойчивых сталей отличаются от принципов создания конструкционных сталей, так как основным тре­бованием к теплоустойчивым сталям является стабильность структу­ры и свойств при высоких температурах

Наиболее широкое применение теплоустойчивые стали нашли в теплоэнергетике, однако в последнее время низколегированные тепло­устойчивые стали применяются также в химическом машиностроении.

В этом случае, наряду с пределом длительной прочности, выстав­ляется требование и по пределу прочности.

Из низколегированных теплоустойчивых сталей наиболее широ­кое применение в отечественной промышленности нашли Сг—Мо—V стали, например, 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Отличаются эти стали, в ос­новном, содержанием молибдена — в первой стали его содержание колеблется в пределах 0,25—0,35 %, а во второй — 0,9—1,2 %.

Длительный опыт эксплуатации этих сталей (более 100 тыс. ч) при температурах до 560 °С на мощных энергоблоках 300—800 Дж подтвердил их хорошую работоспособность и надежность.

Свойства этих сталей, их надежность в процессе длительной служ­бы в исходном состоянии определяются структурой, которая, в свою очередь, определяет механизм их упрочнения.

При правильном выборе химического состава стали и оптимальном режиме термической обработки упрочнение может проходить по трем механизмам в результате фазового наклепа при у -> а превра­щении; дисперсионного твердения частицами второй фазы (в низко­легированных сталях, в первую очередь, карбидов); взаимодействия атомов легирующих элементов (молибдена и пар V—Сг с дислокация­ми в твердом растворе).

Как правило, наибольший вклад в упрочнение вносится в резуль­тате выделения высокодисперсных частиц (в Сг—Mo—V стали, на­пример, карбидов VC) ~55 %, меньший вклад от упрочнения твер­дого раствора ~30 % и наименьший (от фазового наклепа) ~15 %. Однако чем ниже температура использования стали и меньше дли­тельность пребывания стали при высоких температурах, тем значи­тельнее вклад от фазового наклепа. Этот эффект может достигать 30 %.

Механизмы упрочнения частицами второй фазы и фазового на­клепа взаимосвязаны. Создание субструктуры, полученной в резуль­тате фазового наклепа, предопределяет равномерное распределение частиц карбидной фазы, что, в свою очередь, увеличивает эффект дисперсионного твердения, а также способствует наиболее длитель­ному сохранению общего упрочнения.

Все три механизма упрочнения реализуются в Сг—Mo—V стали, подвергнутой закалке и затем отпуску, в интервале максимального выделения мелкодисперсных частиц второй фазы. В этом случае до­стигается максимальная жаропрочность при сохранении удовлетво­рительной длительной пластичности. В этой же стали, подвергнутой нормализации и отпуску, реализуется также три механизма упроч­нения, но только частично. Упрочнение от фазового наклепа является недостаточным и в этом случае жаропрочность значительно ниже, чем в закаленном и отпущенном состоянии. В случае замедленного охлаждения с температуры аустенизации (отжига) или, например, охлаждения особо толстостенных изделий на воздухе реализуется только один механизм упрочнения — от твердого раствора, при этом эффект упрочнения наиболее низкий.

Если рассматривать Сг—Мо стали, содержащие даже в 2—3 раза больше молибдена, но не содержащие ванадий, то в них реализуется только два механизма упрочнения, а именно: от фазового наклепа

Кривые ползучести исследованных сталей:

1 — 12ХГНМ; 2 — 12XFHM с 0,8—0,8 % Мп и Ni; 3 — 12ХГМФ; 4 — 12ХГНМФ с 0,6— 0,8 % Мп и Ni; 5_,—. 12ХГНМФ с В, РЗМ и цирконием (Мо — 0,2 %),

и взаимодействия атомов молибдена с дислокациями. Третий механизм отсутствует. Благодаря этому, жаропрочность Сг—Мо сталей зна­чительно ниже, чем Сг—Мо—V. Стабильность структуры, определя­ющей стабильность свойств, значительно ниже, чем в Сг—Мо—V сталей, так как отсутствие термически стабильных частиц карбидов YC приводит к более быстрому протеканию процесса пластической деформации от действия напряжений, а также рекристаллизации. Исходя из этого, Сг—Мо стали, даже с высоким содержанием молиб­дена ~1 %, нецелесообразно использовать при высоких температу­рах и давлениях, а следует применять при низких температурах.

Основные элементы теплоустойчивых низколегированных сталей, хром, молибден, ванадий. Первый является обязательным элементом так как повышает сопротивление стали к коррозии от воздействия воды, пара, газовой среды и других агрессивных сред. Кроме того, хром, входя в твердый раствор, повышает прокаливаемость стали и уменьшает склонность к рекристаллизации, а входя в карбиды М3С, повышает их термическую устойчивость.

Молибден — основной элемент, упрочняющий твердый раствор. Он повышает прокаливаемость стали: чем его больше в стали, тем больше в структуре бейнитной составляющей, и выше кратковремен­ная прочность (пределы прочности и текучести). По данным дифферен­циального фазового анализа примерно 50 % Мо может находиться

Читайте также:

  
• Алюминий это сталь или нет
  
• Упражнения для стального пресса
  
• 31173 2003 блоки дверные стальные
  
• Сталь hw что это
  
• Стальной человек из дэдпула