3 МСТУ 29.03.21 матеріалознавство № 9

 

Урок № 9 , 29.03.2021

Група – 3 МСТУ

Тема уроку. Жароміцні сталі і сплави.

1. Жароміцність та її природа.

  Під жароміцністю розуміють здатність сплавів зберігати міцність за високих температур,

  Висока жароміцність сплавів визначається двома основними фізичними чинниками — міцністю міжатомних зв'язків в сплаві і його структурою.

Зазвичай необхідну для високої міцності структуру отримують термічною обробкою, що приводить до зміни мікроструктури, а також у процесі легування тугоплавкими хімічними елементами (вольфрамом, молібденом, ванадієм) і елементами-зміцнювачами (титаном, алюмінієм, ніобієм, бором). В цьому випадку зміцнення обумовлене головним чином появою в сплавах рівномірно, розподілених дрібних часток хімічних сполук  мікроспотвореннями кристалічної решітки основи сплаву, викликаними наявністю цих часток. Відповідна структура жароміцного сплаву утрудняє утворення і рух дислокацій, а також підвищує кількість зв'язків між атомами, що одночасно беруть участь в опорі деформації. З іншого боку, високе значення величини міжатомних зв'язків дозволяє зберегти необхідну структуру при високих температурах протягом тривалого часу.

   

Крім того, високу жароміцність забезпечують, зменшуючи вміст свинцю, олова, сурми, вісмуту і сірки, додаючи рафінуючі елементи (кальцій, церій, барій і бор). Якщо вироби з жароміцних сплавів призначені для тривалої експлуатації при температурі понад 800° С, їхню поверхню додатково піддають дифузійній термохімічній обробці (алітуванню, хромоалітуванню, емалюванню, нанесенню тугоплавких оксидів тощо).

 

2.      Вимоги до властивостей жароміцних сплавів.

високий опір повзучості, підвищена температура рекристалізації, тривала міцність, стійкими проти корозії., пластичні, добре зварюватися, добре оброблятися різанням.

3.      Класифікація жароміцних сплавів

3.1. Жароміцні сплави за умовами роботи :

·                    сплави, які піддаються значним, але короткочасним (від секунд до годин) механічним навантаженням в умовах високих температур;

·                    сплави, які знаходяться під навантаженням при високих температурах протягом десятків і сотень годин;

·                    сплави, які призначені для роботи в умовах великих навантажень і високих температур протягом тисяч, десятків, а інколи сотень тисяч годин.

3.2.  за їх основою:

·         нікелеві,

·         залізні,

·         титанові,

·         берилієві тощо.

Назва за основою дає уявлення про інтервал робочих температур, який залежно від прикладених навантажень і тривалості їх дії складає 0,4…0,8 від температури плавлення основи.

3.3 за призначення жароміцні сплави виготовляють:

*  з підвищеним опором втомі і ерозії,

* з малою чутливістю до надрізів,

* термостійкі,

* для експлуатації при значних, але короткочасних навантаженнях та ін.

3.4. за температурою експлуатації

·      стали - для роботи до 850 ° С;

·     сплави па основі нікелю і кобальту - для роботи до 950 ... 1000 ° С;

·     сплави на основі тугоплавких металів (молібдену і ін.) - Для роботи при більш високих температурах - до 1300 ... 2000 ° С і вище.

4.      Застосування жароміцних сплавів

4.1. Сплави на основі нікелю.

Нікелеві сплави. Сумарний вміст нікелю і хрому в сплавах перевищує 50%. Температура рекристалізації сплавів і тому допустима температура експлуатації вище, ніж у сталей. Найбільшого поширення набули сплави на залізонікелевій і нікелевої основі.

До 1942 року у Великій Британії створено жароміцний сплав німонік-80(80%Ni — 20%Cr) — перший у серії високожароміцних дисперсно-тверднучих сплавів на нікель-хромовій основі. Творець сплаву — Вільям Гріффітс (англ. Griffiths W.T.)^[. Ключовими легувальними елементами сплаву німонік-80 були титан (2,5%) і алюміній (1,2%), що утворювали зміцнювальну фазу.. Сплав виявив помітну перевагу за жароміцністю над ніхромами чи спеціальними легованими сталями.

Сплави Nimonic-80 та 80A використовувались в деформованому стані для виготовлення робочих лопаток турбіни одного з перших газотурбінних двигунів «Rolls-Royce Nene» компанії «Rolls-Royce Limited», стендові випробування якого розпочались у жовтні 1944 року. Лопатки турбіни із сплаву Nimonic-80 відрізнялись високою тривалою міцністю за температурою 750…850 °C.

Аналогами німоніків у США є сплави Інконель, за ГОСТ 5632-72^[ — це сплави ХН60ВТ (Inconel 600, Inconel 601), ХН56МВКЮ (Inconel 617), ХН75МБТЮ (Inconel 625), ХН60Ю (Inconel 718), ХН70МВТЮБ (Inconel X-750), ХН80ТБЮ, ХН77ТЮ, ХН73МБТЮ тощо.

Тоді ж була виявлена можливість додаткового зміцнення жароміцних сплавів шляхом легування молібденом. Згодом, з цією ж метою почали використовувати добавки таких елементів, як вольфрам, ніобій, тантал, реній та гафній^.

4.2. Сплави на основі кобальту

    Ще на початку XX століття компанією «Гейнс» (англ. Haynes) були отримані патенти на сплави системи Co-Cr та Co-Cr-W. Ці сплави, що отримали назву «стеліти» використовувались при виготовленні різального інструменту та зносостійких деталей. В 1930-х роках було розроблено ливарний Co-Cr-Mo сплав віталіум (Vitallium^®) для зубногопротезування. Аналогічний за складом сплав HS-21 став використовуватись десятиліття по тому в турбонагнітачах і газових турбінах. Тоді ж почали використовувати сплав системи Co-Ni-Cr для напрямних лопаток газотурбінних двигунів. У 1943 році було розроблено ливарний сплав системи Co-Ni-Cr-W (X-40), що також знайшов застосування при виготовленні лопаток. У 1950–1970 роки було розроблено нові нікелеві жароміцні сплави, виготовлені шляхом вакуумного плавлення і зміцнювані за рахунок виділення фази {\displaystyle \gamma \,\!}. Це привело до зменшення використання сплавів на основі кобальту.

Особливості жароміцних сплавів на кобальтовій основі[

·         Температура плавлення у сплавів на кобальтовій основі є вищою. З цієї причини характеристики тривалої міцності є вищими. Ці жароміцні сплави можуть працювати за вищих температур, у порівнянні зі сплавами на основі нікелю чи заліза.

• Високий вміст хрому підвищує стійкість до гарячої корозії.
• Сплави характеризуються підвищеною стійкістю до термічної втоми і мають добру зварюваність.

4.3. Монокристалічні жароміцні сплави

У 1970–1980 роках розпочалось використання литих жароміцних сплавів, отриманих методами спрямованої кристалізації й монокристалічних сплавів на нікелевій основі. Застосування цих матеріалів дозволило збільшити міцність і термічну довговічність лопаток газових турбін.

Жароміцні сплави використовують для виготовлення лопаток газових турбін, кріпильних деталей і дисків турбін, а також авіаційних двигунів.

Домашнє завдання. Опрацювати матеріал. Відповісти письмово на контрольні запитання.

1.      Що таке жароміцність?

2.      Які властивості жароміцних сплавів?

3.      Які фактори забезпечують високу жароміцність сплавів?

4.      За якими ознаками класифікуються жароміцні сплави?

5.      Як поділяються  жароміцні сплави за умовами роботи? за їх основою? за призначення? за температурою експлуатації?

6.      Розшифруйте марки жароміцних сталей:

4Х9С2,  1Х12СЮ,  0Х20Н14С2, 4Х14Н14В2М, 1Х25Н25ТР, Х28, Х23Н13, ХН70ВМТЮ, ХН75МБТЮ.

Викладач             Максимова Т. В.