Лекция 3 (Конспект)
Описание файла
Файл "Лекция 3" внутри архива находится в папке "Конспект". Документ из архива "Конспект", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "конструирование и расчёт аппаратов и машин (крам)" из 5 семестр, которые можно найти в файловом архиве МПУ. Не смотря на прямую связь этого архива с МПУ, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "лекции и семинары", в предмете "конструирование и расчёт аппаратов и машин (крам)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Лекция 3"
Текст из документа "Лекция 3"
Лекция 3
1.УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
(для работы в условиях климатического холода)
Обозначение легирующей добавки:
{X-Cr; H-Ni; B-W; M- Mo; Ф – V; T – Ti; Ю- Al;Д-Cu; Г- Mn;C- Si;К-Co;Ц-цирконий;Р- B (бор);Б- Nb (ниобий); А- N2 азот, если в середине и качественная сталь, если в конце.
Обычно криогенные установки работают внутри отапливаемого здания, но часть аппаратов устанавливается на открытом воздухе ,при температуре воздуха более 220К.
Свариваемые углеродистые и низколегированные стали составляют 70% объема потребления металла в криогенной технике.
1.1.Углеродистые стали
А) Ст 3, Сталь 20
Низкая коррозионная стойкость, невысокая прочность ( в=450 МПа), повышенная пластичность КСИ=700 кДж/м2
Используется- днища, корпуса сосудов под давлением, обечайки .
Б).Сталь 45 (в=640 МПа,КСИ=430 кДж/м2)
Среднеуглеродистая сталь, низкая коррозионная стойкость, подвергается термообработке –поверхностное уплотнение токами ВЧ и отпуск.
Используется- детали, к которым предъявляют требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации (валы); трубы для изготовления баллонов без ограничения по давлению и т=223-423К.
1.2.Низколегированные хромосодержащие стали
А).Сталь 20Х ( в=400-450 МПа, КСИ=700 кДж/м2)
Цементируемая сталь с низкой коррозионной стойкость, износоустойчивая поверхность при вязкой сердцевине.
Используются- детали средних размеров повышенной точности (втулки, шпиндели) ; детали, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях ( плунжеры, штоки впускных клапанов кислородных установок)
Б).Сталь 40Х (в=600-700 МПа, КСИ=600 кДж/м2)
Повышенная прочность
Используется- колен. валы ; фрикционные диски ; шестерни ; роторы турбокомпрессоров; седла клапанов .
Рабочий диапазон температур Т=200-700К. Может использоваться для крепежных деталей.
В).Сталь 38Х2МЮА или 38ХМЮА ( в1000 МПа,02 850 МПа,
КСU900 кДж/м2, HRC 50.
-
конструкционная высококачественная, упрочняется азотированием работать ответственные детали с высокой твердостью и минимальной доводкой при т/о -- плунжерные насосы для жидких азота и кислорода, втулки криогенно-газовых машин, цилиндры насосов.
1.3 Хромистые нержавеющие стали
Работают в среде влажного пара.
А).Сталь 20Х13 (в=700-800 МПа,02=450-650 МПа, КСU=600-800 кДж/м2
Применяется для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам: седла клапанов, тарелки, уплотняющие элементы арматуры, крепежные детали;
Б).Сталь 30Х13
Применяется для деталей с повышенной твердостью: клапаны арматуры, штоки, втулки цилиндров, крепежные детали.
2.Легированные стали для криогенных температур
2.1 Никелесодержащие среднелегированные конструкционные стали.
Для повышения вязкости используют закалку и высокий отжиг
А).Сталь 12ХНЗА – высокая поверхностная твердость в сочетании с вязкой сердцевиной.
Используется- корпуса клапанов, валы, цилиндры поршневых детандеров.
Б).18Х2Н4ВА (В- вольфрам)
18Х2Н4МА ( М- молибден) – (в=1000-1100 МПа, 02=750-800 МПа, KCU=600-100 кДж/м2.
Металл используется до 75К, но при статической нагрузке, при т/о в=1400 МПа.
высококачественные цементируемые стали мартенситного класса
Используется на ответственных высоконагруженных деталях при статических, циклических и динамических нагрузках при температуре Т=200-670К: шпильки, подвески, оси, валы турбодетандеров
2.2 Нержавеющие стареющие стали
Дисперсионно-твердеющие стали аустенитного класса
ЭП –электросталь пробная (з-д Электросталь)
ЭП-164 или 08Х15Н24В4ТР
ЭП-33 или 10Х11Н23Т3МР
ЭП 921 или 03Х9К14Н6МЗД
Разрабатывались как жаропрочные конструкционные материалы. После т/о и старения имеют повышенную прочность (выше 800 МПа) при сохранении удовлетворительной вязкости при Т20К. Рабочий диапазон температур
4-1000К.
А). Сталь ЭП-164 –08Х15Н24В4ТР
Используются: для нагруженных несварных деталей , подвески внутренних сосудов Дьюара, фланцевые соединения, штоки арматуры.
Имеет в750 МПа, 02450 МПа, KCU=1100 кДж/м2 при Т=293 К и KCU=900 кДж/м2 при Т=20 К.
Б). ЭП-33 - 10Х11Н23ТЗМР
Состав- 0,1 % С; 0,6% Si; 0,6 Mn; 10-12,5% Cr; 21-25 % Ni; 2,6-3,2% Ti;
1,0-1,6 %Mo.
в возрастает от 1100 МПа при комнатной температуре до 1560 МПа при Т=20К. Удельная вязкость снижается с 500 до 450 кДж/м2.
Рабочий диапазон температур 20-870 К
Используются: тяжелонагруженные несварные детали, крепеж, пружины.
Т , К | в, МПа | 02, МПа | KCU, кДж/м2 |
293 | 1100 | 850 | 500 |
77 | 1410 | 1000 | 480 |
20 | 1540 | 1140 | 450 |
В). ЭП 921 - 03Х9К14Н6МЗД – нержавеющая сталь мартенситного класса.
Состав – 0,03% C; 0,01% P; 0,1 Si; 8,5-9,5% Cr; 13-14% Co; 6-7% Ni; 3-4% Mo; 1,0-1,5% Cu; 0,2-0,6% Mn; 0,1-0,25% V.
Характеризуется высокой прочностью и твердостью, удовлетворительной пластичностью и вязкостью при низких температурах.Используется: высоконагруженные детали, уплотнительные узлы арматуры
( седла, валы), элементы турбодетандеров- валы, подпятники.
Рабочая температура - Т=20-670К.
Для горячекатаных листов
Т,К | в, МПа | 02, МПа | KCU, кДж/м2 |
293 | 1500 | 1400 | 750 |
77 | 1850 | 1650 | 550 |
20 | 1900 | 1740 | 350 |
2.3. Хромоникелевые аустенитные стали.
Основные стали для криогенной техники. Содержат Ni- 8-12%; Cr- 18-20%.
Обладают
-
высокой пластичностью
-
высокими коррозионными свойствами
-
хорошая технологичность
-
высокая усталостная прочность
-
высокая эксплутационная надежность при длительном статическом нагружении для криотемператур
-
малая чувствительность к многократно повторяющимся охлаждениям и отогревам под нагрузкой.
Недостатки:
-
высокая стоимость из-за дефицита никеля
-
низкая прочность, особенно по пределу текучести при нормальных температурах
-
при повторных нагреваниях ( сварка ) из-за образования карбидов Cr по границам зерен стали и сталь становится склонна к межкристаллической коррозии.
Необходимо введение добавок титана и ниобия.
Использование: криогенные емкости и трубопроводы, ракеты , космические корабли, баки под жидкий водород
А). Сталь 12Х18НН10Т
Т=4-870К без ограничения давления.
Свариваемость хорошая аргонодуговой сваркой под слоем флюса.
Используется: сварные элементы аппаратов, емкостей, трубопроводов – обечайки, днища, патрубки, фланцы; детали арматуры – шпильки, клапаны.
После закалки
Т,К | в, МПа | 02, МПа | KCU, кДж/м2 |
293 | 660 | 250 | 310 |
77 | 1520 | 450 | 250 |
20 | 1420 | 520 | 230 |
Б). Сталь 04Х18Н10
Особо низколегированная сталь .Сохраняет свойства во всем интервале низких температур. Использование – аналогично А).Рабочие температуры Т=4-725К.
Т,К | в, МПа | 02, МПа | KCU, кДж/м2 |
293 | 600 | 230 | 250 |
77 | 1440 | 400 | 200 |
20 | 1710 | 410 | 150 |
2.4. Хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые аустенитные стали.
Из-за высокой стоимости никеля его частично или полностью заменяют марганцем, который так же является стабилизатором аустенита. Для повышения прочности аустенитные стали легируют азотом ( он повышает стабильность аустенита, способствует сопротивлению пластической деформации).
Следует отметить, что введение в сталь азота осложняет ее сварку. В сталях с азотом необходимо ограничивать содержание углерода с 0,12% до 0,03%.
А), Сталь 10Х14Г14Н4Т
Имеет низкую прочность при высоких пластичности и вязкости при низких температурах.
Используется: для изготовления сварных элементов сосудов и аппаратов ( обечаек, днищ, фланцев, патрубков) , трубопроводов при Т=70-770К.
Б). Сталь 07Х21Г7АН5 (ЭП 222)
Обладает повышенной прочностью и удовлетворительной вязкостью при криотемпературах.
Используется: несварные термообрабатываемые детали – шпиндели, подвески, шпилька.
В). Сталь 07Х13Н4АГ20 (ЧС 52) - в=680 МПа, 02=360 МПа,
KCU=1700 кДж/м2
Обладает повышенным пределом текучести, немагнитная. Использование: сварные элементы сосудов и аппаратов.
Г). Сталь 03Х20Н16АГ6
Особо низкоуглеродистая сталь. Обладает высокой пластичностью и вязкостью во всем диапазоне температур.
Используется: для криогенных сосудов, оболочек, теплообменных аппаратов, трубопроводов, арматуры, работающей под давлением.
Т,К | в, МПа | 02, МПа | KCU, кДж/м2 |
293 | 680 | 370 | 150 |
77 | 1250 | 800 | 120 |
20 | 1470 | 950 | 100 |
4 | 1500 | 1000 | 60 |
Д). Сталь 03Х13АГ19 (ЧС 36 )
Рекомендуется для замены стали 12Х18Н10Т при работе в вакууме.
2.5 Железо-никелевые сплавы с низким температурным коэффициентом линейного расширения.
Инвары – сплавы железа с никелем, содержание которого 35-50%.
Используется: для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры:
Жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при Т20К.
При этом отпадает необходимость установки сильфонов, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.
Теплопроводность инвара примерно в два раза меньше, чем у аустенитных сталей.в=420 МПа, 02=240 МПа.
Они имеют стоимость в 5-10 раз ниже 12Х18Н10Т
А). Сплав 36НХ
Состав: 0,05% C; 0,3% Si; 0,02 S; 0,02%P; 0,025% Cu; 0,3-0,6% Mn; 0,4-0,7% Cr; 35-36% Ni; Fe- основа.
Б). Сплав 47НД
Имеет температурный коэффициент расширения близким к стеклу.Обладает магнитными свойствами.
Используется: для корпусов герметичных электрических вводов.
Вакуумно-плотный спай сплава 47НД и стекла сохраняет работоспособность при охлаждении до 4К.