Жаропрочные и жаростойкие стали.

Жаропрочность – способность материала, сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Жаростойкость – сопротивление металла окислению при высоких t.

Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести.

Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочность, ползучесть.

Кратковременная прочность определяется с помощью испытаний на растяжение разрывных образцов. Образцы помещают в печь и испытывают при заданной температуре. Обозначают кратковременную прочность σ_в =, например

при 300^oС σ_в = 300МПа.

Прочность зависит от продолжительности испытаний.

Пределом длительной прочности называется максимальное напряжение , которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

Ползучесть – свойство металла медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке выражается кривой состоящей из трех участков (рис. 11.1):

Рис. 11.1. Кривая ползучести

ОА – упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

АВ – участок, соответствующий начальной скорости ползучести;

ВС – участок установившейся скорости ползучести, когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то протекает третья стадия (участок СД), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400^oС.

Деформация ползучести - величина пластической деформации в процентах, полученная деталью при ползучести за данный промежуток времени.

Скорость ползучести - величина пластической деформации (линейной), называемая ползучестью, отнесенная к единице длины в единицу времени. Скорость ползучести определяется обычно во второй (устанавливающийся) стадии ползучести и измеряется в % /ч или мм/ч.

Предел ползучести – напряжение, под действием которого материал разрушается в конце заданного промежутка времени при определенной температуре.

НапримерХН77ТЮР σ⁷⁵⁰₁₀₀=32МПа, где верхний индекс – температура испытания в ^oС, нижний индекс – заданная продолжительность испытания в часах.

В качестве современных жаропрочных материалов можно отметить мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, никелевые и кобальтоавые жаропрочные сплавы, тугоплавкие металлы.

Химический состав (%) и твердость некоторых конструкционных легированных сталей в состоянии поставки

Продолжение таблицы

Примечание:характеристики твердости НВ приведены для отожженной или высоко-отпущенной стали диаметром или толщиной > 5 мм.

Для изготовления деталей планера в зависимости от условий работы и эксплуатации применяются стали различных классов: среднелегированные, высоколегированные мартенситно-стареющие, коррозионностойкие аустенитного, мартенситного и переходного аустенитно-мартенситного классов.

Среднелегированные конструкционные стали служат для изготовления деталей шасси, лонжеронов, крепежа, деталей центроплана и т.д. Прочность этих сталей составляет 900-1900 МПа, обеспечивается содержанием углерода в пределах 0,2—0,4% и термической обработкой, состоящей в закалке и отпуске при температурах 200-300°С (на прочность более 1400 МПа) или 500-620°С (на прочность 900-1200 МПа). Помимо углерода такие стали содержат 4-6% (в сумме) таких элементов, как хром, никель, марганец, кремний, молибден, позволяющих получить при закалке однородную высокопрочную мартенситную структуру по всему сечению детали.

Из мартенситно-стареющих высокопрочных сталей типа 03H18K9M5T изготовляют тяжелонагруженные детали шасси, болты и т.д. Эти стали легированы 18% никеля, 9% кобальта, 5% молибдена и 0,9% титана. Такое легирование при низком содержании углерода (<0,03%) позволяет получить после закалки мартенсит, отличающийся высокой пластичностью, но низкой прочностью. В закалённом состоянии стали хорошо обрабатываются резанием и легко подвергаются пластической деформации. Стали упрочняются до 1700-2100 МПа путём старения при температурах 480-550°С.

Слабостареющие стали мартенситного класса (08Х15Н5Д2Т, 06Х14Н6Д2МБТ) применяются для изготовления сложных сварных конструкций (лонжероны, рамы) и элементов обшивки, работающих во всех климатических условиях. Эти стали после закалки имеют мартенситную структуру с некоторым количеством остаточного аустенита. Стали подвергаются старению при температурах 410-525°С и имеют прочность примерно 1300 МПа, обеспечиваемую легированием углеродом (0,07%) и медью (2%), которая вызывает дисперсионное упрочнение. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и не требуют после сварки термической обработки.

Стали для деталей двигателя работают при повышенных температурах, сохраняя в этих условиях высокую прочность и хорошее сопротивление окислению поверхности. Жаропрочные стали мартенситного класса (типа 1Х12Н2ВМФ) легированы такими элементами, как хром, никель, углерод, азот, вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, обеспечивающими окалиностойкость, мартенситное состояние матрицы и её карбонитридное упрочнение. Эти стали после закалки подвергают отпуску при 350-720°С; работоспособны до температур 550-650°С. Для работы при 650-800°С применяют высоколегированные аустенитные стали типа Х12Н20Т3МР, упрочняющиеся при старении.

Все перечисленные стали используются в авиастроении в деформированном виде. Кроме того, для изготовления различных деталей планёра, двигателя и агрегатов разработаны специальные литейные стали - среднелегированные (типа 35ХГСЛ) и нержавеющие (типа 07Х14Н5Д2МБЛ); эти стали термообрабатываются на уровень прочности 1000-1200 МПа. Применение литейных сталей в авиастроении позволяет снизить трудоёмкость механической обработки и сократить расход металла.