Конструкционные материалы, устойчивые к воздействию рабочей среды и температуры

Глава 8. Конструкционные материалы, устойчивые к воздействию рабочей среды и температуры

§1. Конструкционные материалы, устойчивые к воздействию среды (коррозии)

Коррозия – постепенное повреждение материала в результате электрохимического или химического воздействия с окружающей средой.

Скорость коррозии [мм/год] [г/(м² ● час)]

Коррозия бывает электрохимическая ( в средах, содержащей влагу) и химическая (в средах, не содержащих влагу).

1. Электрохимическая коррозия

1.1. Взаимодействие Ме с электролитом

Вначале Me ―› Meⁿ⁺ + nē, затем при переходе в раствор некоторого количества атомов на Ме накапливаются избыточные электроны, процесс перейдет в равновесную стадию:

Me <=> Meⁿ⁺ + nē.

Процесс коррозии остановится.

Ме А ―› источник электронов, анод (-), Ме Б ―› приемник электронов, катод (+).

Me ―› Meⁿ⁺ + nē ―›

● при контакте двух разных Ме, заряженные частицы непрерывно перемещаются по замкнутому контуру, начинается ток;

● ток является признаком коррозии;

● повреждается всегда Ме-анод. Потенциал, накопленный Ме к моменту достижения равновесия называется обратимым равновесным потенциалом.

● чем отрицательнее потенциал, тем легче корродирует раствор;

● «+» - добровольно в раствор не переходят, благородные Ме;

● разновидность коррозии:

 Контактная коррозия

а) контакт 2-х Ме;

б) контакт 2-х фаз

матрица К + частица А;  Матрица А + частица К – дуралюмин CuAl₂ (упрочняющая фаза);

в) межкристаллитная коррозия (МКК);

г) коррозия растрескивания (КР);

д) щелевая коррозия.

Скорость коррозии зависит от:

- разница в обратимости потенциалов (чем больше потенциал, тем быстрее скорость коррозии);

- среды

- наличия или отсутствия стойкой плотно прилегающей оксидной пленки (если такая пленка образуется, то наступает явление пассивации, т.е. коррозия замедляется или вообще прекращается), пассиваторы: Ti, Al, Cr, Ni, W, Mo.

1.2. Материалы, устойчивые к электрохимической коррозии (коррозионностойкие)

Коррозионностойкие:

● благородные Cu, Ag, Pt, Au, всегда в контакте (К), т.е. не повреждаются.

Cu – полублагородный, КР (коррозия растрескивания);

● пассивирующиеся

―› Ti + TiO₂ – суперстойкая пленка, стоит почти во всех средах, не подвержена коррозии;

―› Al + Al₂O₃ – хорошо стоит в пресной воде, в морской воде не стоит (Cl^-, J^-, B^-)

При введении 12 и более % Cr становится пассивирующейся, Cr ≥ 12% - нержавеющая сталь.

Коррозионностойкие стали 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13 – 13% Cr.

C + Сr ―› Cr₂₃C₆.

Углерод уводит хром с образующейся карбидной фазы, коррозионная стойкость мала. Для атмосферных условий, а не агрессивных фаз.

1.3. Коррозионностойкие покрытия

● благородные Cu+Au, Ni+Ag;

● более благородные (Fe + Sn), защищает, пока целое;

● более электроотрицательные (менее благородные) (Fe + Zn);

● пассивирующиеся Ме (Fe + Ni/Cr);

● протекторная.

2. Химическая коррозия

1.1. Взаимодействие Ме с О₂ при t_выс

В начале , затем О + 2ē ―› О^2-,

Для продолжения окисления оксид должен быть проницаемым для электронов и ионов.

Скорость окисления зависит от:

● проницаемости окисления

   - менее проницаемы Cr₂O₃, SiO₂;

   - наименее проницаемы Me₃O₄, решетка типа шпинели: FeCr₂O₄, FeAl₂O₄;

● от плотности прилегания окислов. Плотнее прилегают те окислы, у которых близкие удельные объемы в Ме

(рыхлые Ме) 1 <  < 2,5

● коэффициент линейного расширения;

● плотнее прилегают при меньшей шероховатости;

● без нагружения.

1.2. Материалы, устойчивые против окисления - жаростойкие

- Mg, W, Mo, Ti

      15Х28, Т ~ 1250°С

05Х27Ю5, Т ~ 1300°С

«Ф»-класс

σ_U ~ 400-600 МПа (комн. t);

σ_U ~ 40-60 МПа (1100-1200°С).

Применение: нагреватели, т.к. нагружения не выдерживает, задача удержать себя.

§2. Материалы, устойчивые к воздействию рабочих температур

1. Особенности поведения нагретого Ме при нагружении

При нагреве:

- колебания атомов увеличивается;

- количество вакансий возрастает;

- диффузионная подвижность повышается;

- подвижность дислокаций увеличивается.

Итог: в нагретом Ме при нагружении дислокации не могут удерживаться на своих местах и постоянно смещаются, т.е. наблюдается явление ползучести.

Ползучесть:

АВ – стадия устойчивости;

СА – неустановившаяся стадия;

ВС – стадия быстрого разрушения.

Разрушающее напряжение:

Для ползучести:

Длительная прочность σ₁₀₀⁹⁰⁰ = 150 МПа.

Ме выдерживает 150 МПа при 900°С 100 часов.

Предел ползучести σ_1/1000⁹⁰⁰ = 150 МПа, где 1 – ε%

При нагрузке 150 МПа за 1000 часов при t = 900°С ползучесть составляет не более 1%

Скорость ползучести замедляется, если:

1) температура плавления выше и высокие Е. т.к. скорость диффузии меньше при высокой t, дислокации перемещаются труднее при высоких Е;

2) упрочнение дисперсными частицами, которые не рассасываются в матрице (HfO₂, ThO₂);

3) ползучесть меньше при крупном зерне (монокристалл).

2. Жаропрочные материалы

1) 300-600°С – теплостойкие, котельные стали, до 100000 часов, 25Х2МФ – «П»;

2) 750-1050°С – авиационные двигатели, сплавы Cr + Ni, ХН77ТЮ;

3) ≥ 1100°С.

15Х11М9 – «М»,

Рекомендуем посмотреть лекцию "Ультразвуковая анатомия щитовидной железы".

03Х18Н10 – «А»,

закалка + старение 800°С 16 часов, 100-200 МПа.

Жаропрочные материалы работающие при температуре ≥ 1100°С:

W,  σ_U ~ 230 МПа (1100°С),

W + Re (27%), σ_U ~ 700 МПа (1200°С), σ_U ~ 1000-2000 МПа (1500-1600°С).

Необходима защита от окисления, трудно из него сделать какую-либо деталь.