Жаропрочные стали и сплавы.

Из жаропрочных материалов изготавливают детали котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т.д.

С повышением температуры уменьшаются силы межатомных связей, поэтому снижается модуль упругости, предел текучести и все другие прочностные характеристики. Кроме того, при длительном воздействии силы металл деформируется с определенной скоростью даже ниже предела текучести. Это явление получило название ползучести.

Пример обозначения предела ползучести: , что означает допуск на деформацию 0,2% за 100ч. работы при 700⁰С.

Предел длительной прочности обозначается , что означает напряжение, которое выдержит материал при 700⁰С в течение 1000ч.

Если при низких температурах границы зерен тормозят движение дислокаций, то при высоких на границах зерен наиболее активно идет диффузия и разупрочнение, что приводит к перемещению под напряжением одного зерна относительно другого, т.е. к ползучести.

Чем выше температура плавления сплава, тем он более жаропрочен, т.к. температура плавления характеризует силу межатомных связей. Легирование стали элементами, усиливающими энергию связи между атомами, приводит к повышению жаропрочности.

Жаропрочные стали.

Если рабочая температура не превышает 400⁰С и действуют небольшие нагрузки, применяют нормализованные малоуглеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К в виде листов и труб. Цифра в марке – содержание углерода в сотых долях %, «К» - котельная.

Для более нагруженных изделий при рабочей температуре до 600⁰С применяют низколегированные стали (12Х1МФ, 12Х2МФСР). Например, для изготовления рабочих лопаток паровых турбин используется сталь 15ХНМФ. Наиболее высокие показатели длительной прочности достигаются после термического улучшения (закалка плюс высокий отпуск).

Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок применяют высокохромистые (8-13% Cr) стали с добавками W, Mo, V, Nb, B. Эти стали обладают, помимо жаропрочности, высокой жаростойкостью, т.е. они не окисляются (не горят) при высокой температуре на воздухе или в среде других газов; хром образует защитную пленку прочных оксидов на поверхности деталей, препятствующих образованию окалины.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют сильхромы(легированные Si и Сr). Наиболее известны сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М, которые обладают высокой жаростойкостью (кремний также, как и Cr, образует прочный оксид SiO₂). При нагреве выше 600⁰С прочность сильхромов резко падает, поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Жаропрочные стали аустенитного класса.Стали со структурой аустенита имеют более высокую жаропрочность, чем стали перлитного, ферритного или мартенситного класса; их применяют для деталей, работающих при 500-750⁰С. Эти стали по составу близки хромоникелевым нержавеющим сталям. Упрочнение этих сталей достигается термообработкой: закалка плюс искусственное старение, в процессе которого выделяются дисперсные карбиды или нитриды, для образования которых стали содержат много различных легирующих элементов. Например, для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении применяется сталь 45Х14Н14В2М, упрочняющаяся карбидами; диски и лопатки газовых турбин изготавливают из стали 10Х11Н23Т3МР, упрочняющейся интерметаллидами (Ni₃Ti, Ni₃ (AlTi)).

Сплавы на железноникелевой основе типа ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и др. деталей, работающих при 500-750⁰С.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе называются нимониками. Они работают при температуре до 850⁰С длительное время. Они находят применение в авиационных двигателях, газовых турбинах, в химическом аппаратостроении. Наилучшими свойствами обладают сплавы ХН77ТЮР и ХН70ВТЮ. Упрочняются термической обработкой: закалка плюс искусственное старение, при этом выделяются дисперсные интерметаллиды

Ni₃ (Ti, Al), карбиды Ti C и нитриды TiN. Появление нимоников было вызвано развитием реактивной авиации. Для повышения жаростойкости нимоников их подвергают алитированию (насыщение поверхности алюминием).