Тарасенко_Материалы для поршневых двигателей (831918), страница 15
Текст из файла (страница 15)
7.1. Кривая ползучести• предел длительной прочности, σtτ — напряжение, вызывающее разрушение при заданной температуре t и при заданнойпродолжительности действия нагрузки τ; например, предел длительной прочности σ700100 = 450 МПа означает, что при температуре700 ◦ С за 100 ч материал выдерживает 450 МПа до начала разрушения;• предел ползучести, σtδ/τ — напряжение, под действием которого материал при температуре t деформируется на определеннуювеличину δ за определенный промежуток времени τ; например,предел ползучести σ7000,1/1000 = 220 МПа означает, что при темпера◦туре 700 С за 1000 ч материал деформируется на величину 0,1 %.В качестве жаропрочных материалов для работы при температурe до 800 ◦ С могут быть применены стали и никелевые сплавы.Жаропрочность сплавов зависит от химического состава, технологии получения (выплавка, литье, деформирование) и термической обработки, которые определяют структурно-фазовое состояние.
Это структурно-фазовое состояние должно обеспечить «противостояние» внутренним процессам, происходящим в сплавах поддействием одновременно повышенной температуры и напряжений:• диффузия — массоперенос атомов и вакансий;• движения дислокаций;• перемещение (проскальзывание) по границам зерен.На сопротивление этим процессам влияют многочисленныефакторы:1) сила межатомных связей кристаллической решетки, которая в общем случае определяется температурой плавления.
Так,сплавы на основе титана (tпл = 1668 ◦ С) работоспособны до тем93пературы 600 ◦ С, на основе ОЦК-железа — до температуры 650 ◦ С,на основе ГЦК-железа — до температуры 800 ◦ С (tпл = 1536 ◦ С),на основе никеля (tпл = 1445 ◦ С) — до температуры 850 ◦ С;2) cкорость диффузии, которую, например, в сплавах на основежелеза и никеля возможно замедлить за счет легирования тугоплавкими элементами, такими, как молибден, хром, вольфрам;3) перемещение дислокаций в объеме зерен сплава, котороевозможно замедлить, используя различные механизмы упрочнения: твердорастворный, зеренный и, как наиболее эффективный,дисперсионное упрочнение.
Образующиеся при старении дисперсные частицы карбидов и интерметаллидов замедляют перемещение дислокаций и тем самым развитие ползучести сплава;4) перемещение дислокаций по границам зерен сплава, котороепри температуре (0,4. . .0,6)Тпл возможно замедлить двумя путями: а) вводя в сплав редкоземельные элементы, которые снижаютскорость диффузии по границам зерен; б) вводя в сплав бор илиуглерод, которые образуют карбиды или бориды по границам зерен, тем самым упрочняя их.Радикальным способом повышения жаропрочности сплавовявляется изменение технологии их получения: например, создание анизотропной структуры при направленной кристаллизации,получение монокристаллов и гранулированных сплавов.К перспективным жаропрочным материалам относятся композиционные порошковые материалы, сплавы на основе интерметаллидов, керамика и металлокерамика, КМ типа «углерод — углерод».Жаропрочные стали для лопаток турбины турбокомпрессора —это хромоникелевые стали мартенситного и аустенитного структурных классов.Т и п у п р о ч н е н и я в ж а р о п р о ч н ы х с т ал я х.
Стали мартенситного класса упрочняются в результатезакалки и отпуска, во время которого образуются карбиды хрома. Поэтому результирующий фазовый состав — это мартенсит икарбиды: М + К. В соответствии с химической природой упрочняющей фазы достигаемое дисперсионное упрочнение называетсякарбидным упрочнением.Стали аустенитного класса, содержащие только хром и никель(кроме углерода), являются однофазными. Одна фаза, аустенит, —94это твердый раствор хрома и никеля в аустените (А). Поэтому такие стали также называют гомогенными.
Однако поскольку в этихсталях часто присутствует небольшое количество карбидов титанаили ниобия (TiC, NbC), то они не являются истинно гомогенными(это слово ставится в кавычки).Аустенитные стали, легированные повышенным количествомуглерода, а также такими элементами, как молибден, вольфрам,титан, алюминий, после упрочняющей термообработки (закалки истарения, закалки и отпуска) имеют фазовый состав либо аустенити карбиды хрома (А + К), либо аустенит и интерметаллическаяγ -фаза (А + И).
В связи с этим тип упрочнения в сталях карбидный или интерметаллидный. Cтали упрочняются в результате закалки и старения. При старении образуются либо карбиды(карбидное упрочнение, либо интерметаллиды (интерметаллидноеупрочнение).Рабочая температура жаропрочных сталей зависит как от ихкласса, так и от типа упрочнения (рис. 7.2). Она повышается в ряду: стали мартенситного класса с карбидным упрочнением → стали аустенитного класса «гомогенные», с только твердорастворнымупрочнением → стали аустенитного класса с карбидным упрочнением → стали аустенитного класса с интерметаллидным упрочнением.Рис. 7.2.
Рабочие температуры жаропрочных сталей различных структурных классов и типов упрочнения:П — перлитный класс; М — мартенситный класс с карбидным упрочнением;А — аустенитный класс «гомогенный»; А + К — аустенитный класс с карбиднымупрочнением; А + И — аустенитный класс с интерметаллидным упрочнением95Стали мартенситного класса являются сложнолегированными, к хромоникелевой основе добавлены тугоплавкие элементы —молибен, вольфрам, ниобий, ванадий.
Стали принадлежат к системе Fe — Cr — Ni — (Co) — Mo — W — V — Nb — C и содержат0,07. . .0,16 % углерода.В л и я н и е л е г и р у ю щ и х э л е м е н т о в.Невысокое содержание углерода обеспечивает технологичность ихорошую свариваемость. Присутствие 11. . .15 % хрома придаетсталям жаростойкость, коррозионную стойкость и жаропрочность.Молибден и вольфрам (не более 5 % каждого) создают твердорастворное упрочнение; они также легируют карбиды и повышаютих термостабильность (т. е.
снижают склонность к коагуляции приповышенной температуре). Введение никеля (до 2 %) и кобальта при ограничении содержания Мо, W, Nb обеспечивает сталяммартенситную структуру, закаливающуюся на воздухе.Т е р м о о б р а б о т к а, ф а з о в ы й с о с т а в. Ксталям мартенситного класса применяют во время изготовлениядеталей все виды универсальных отжигов (I рода): гомогенизационный после выплавки, рекристаллизационный после холоднойдеформации, отжиг для снятия напряжений после различных технологических операций (обработка давлением, резанием, сварка).Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки отвысокой температуры (1050.
. .1150 ◦ С) и отпуска. Баланс легирующих элементов в сталях подобран таким образом, что сталиимеют высокую точку полиморфного превращения «мартенсит —аустенит» Ас1 . Это позволяет применить высокий отпуск при температуре 650. . .690 ◦ С, что, в свою очередь, определяет и высокиезначения рабочей температуры — до 650 ◦ С. При отпуске закаленного мартенсита не происходит эвтектоидного превращения, апротекает распад мартенсита по реакции старения: выделение изтвердого раствора дисперсных частиц на основе карбида хромаCr23 C6 . Этот карбид в жаропрочных сложнолегированных сталяхтакже является сложным по химическому составу: (Cr, Fe, Mo, W,V)23 C6 , поэтому он имеет общую формулу M23 C6 .С в о й с т в а.
Стали мартенситного класса наряду с жаропрочностью обладают уникальным сочетанием физических, механических и технологических свойств:96• механические свойства: более высокий предел выносливостиσ−1 = 460 . . . 530 МПа при комнатной температуре по сравнениюс σ−1 = 200 . . . 300 МПа для сталей аустенитного класса, что оченьважно при запуске двигателя из «холодного» состояния;• физические свойства: более низкий ТКЛР по сравнению сТКЛР сталей аустенитного класса, что позволяет конструкторампланировать малые зазоры между деталями; более высокая теплопроводность, что повышает сопротивление теплосменам;• химические свойства: жаростойкость и коррозионная стойкость благодаря высокому содержанию хрома;• технологические свойства: высокая прокаливаемость, хорошая технологичность при горячей деформации и свариваемостьразличными способами сварки.М а р к и.
Основными жаропрочными сталями мартенситного класса, которые могут применяться в двигателях с турбонаддувом, являются стали марок ЭИ961 (11Х11Н2В2МФ) и ЭП517(16Х12Н2М2ВФБ). По мере усложнения химического состава повышаются пределы длительной прочности, ползучести и выносливости сталей.Стали аустенитного класса содержат 11. . .27 % Cr, 9. . .29 %Ni, до 0,4 % C и могут быть легированы элементами: Ti, Nb, Mo,Al, W. В зависимости от содержания легирующих элементов иуглерода в сталях может быть достигнуто три вида упрочнения:только твердорастворное («гомогенные» стали), сочетание твердорастворного с карбидным (так называемые стали с карбиднымупрочнением); сочетание твердорастворного с интерметаллиднымупрочнением (стали с интерметаллидным упрочнением).Аустенитные стали с любым типом упрочнения более жаропрочны, чем стали мартенситного класса (рис. 7.3) по несколькимпричинам:• в ГЦК-решетке скорость диффузии меньше, чем в ОЦКрешетке;• стали имеют более высокую растворимость легирующих элементов, что позволяет вводить их в больших количествах, чем встали мартенситного класса.«Гомогенные» стали содержат незначительное количествоуглерода (0,08.
. .0,12 %), до 0,7 % титана и до 0,3 % ниобия.97Рис. 7.3. Предел 100-часовой длительной прочности жаропрочных сталейразличных структурных классов и типов упрочнения (обозначение то же,что на рис. 7.2)Эти элементы, соединяясь с углеродом, образуют нерастворимыепри закалке фазы — карбиды TiC или NbC, частицы которых препятствуют росту зерна стали при нагреве. Как известно, стали скрупным зерном имеют низкую ударную вязкость.Поскольку стали имеют аустенитную структуру без полиморфных превращений, при нагреве и охлаждении во время закалкиотжига в них не происходят фазовые превращения.
Гомогенныестали весьма пластичны при горячей и холодной деформации, чтообусловлено свойствами ГЦК-аустенита. Стали применяются длядлительной работы при температуре до 700 ◦ С. Марки сталей указаны в табл. 7.1.Наиболее распространенная марка сталей этой группы 0Х18Н8Тимеет предел длительной прочности при температуре 700 ◦ С набазе 105 ч — 45 МПа. Усложнение химического состава стали в пределах аустенитной структуры, например легирование вольфрамом(4 %) и введение бора, повышает предел длительной прочности при700 ◦ С почти в три раза, до 120 МПа (сталь 08Х15Н24В4ТР). Причиной подобного изменения свойств является не только усилениетвердорастворного упрочнения, но и добавление зернограничногомеханизма в результате выделения боридов по границам зерен.98Таблица 7.1Предел длительной прочности жаропрочных сталей аустенитногоклассаСтруктурныйкласс«Гомогенные»σtτ , МПа, при различнойтемпературеиспытания, ◦ С600650700800Марка сталиБаза,ч12Х18Н12Т1051006040–300–40–105––180–450370310150600480400180700–45025008Х15Н24В4ТР(ЭП164)Карбидноеупрочнение37Х12Н8Г8МФБ(ЭИ481)Интерметаллидноеупрочнение0Х11Н20Т3Р(ЭИ696)0Х14Н35М3Т2ЮР(ЭП105)102210Аустенитные стали с карбидным упрочнением содержат больше углерода (до 0,5 %), чтобы обеспечить при старении выделение из аустенита дисперсных карбидов хрома типа Me23 C6 вколичестве 1.
. .2 %. Стали обычно содержат тугоплавкие элементы (молибден, вольфрам, ванадий), которые замедляют скоростьдиффузии и повышают температуру рекристаллизации. Типоваятермическая обработка заключается в закалке при температуре от 1050. . .1100 ◦ С и последующем старении при температуре600. . .750 ◦ С. Фазовый состав после термообработки: многокомпонентный аустенит с сильным твердорастворным упрочнением икарбиды хрома, частицы которого создают дисперсионное упрочнение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
