Стали ферритного класса содержат 10 %), вольфрама, кремния, ограничивающих область существования g-твердого раствора и расширяющих область a-твердого раствора. В них при их нагреве не наблюдается полиморфных превращений, а происходит рост зерна. Микроструктура легированной стали ферритного класса приведена на рисунке 4.

При введении в сталь 12 ¸ 14 % Cr ее электрохимический потенциал становится положительным, и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, ряде кислот, солей и щелочей. Под коррозией понимается поверхностное разруше ние металла под воздействием внешней среды. В качестве нержавеющих широко применяют стали: 08Х13, 12Х13, 12Х17, 08Х17Т, 14Х17Н2.

При повышенном содержании хрома сталь приобретает жаростойкие свойства. Под жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами понимают стали и сплавы, обладающие устойчивостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 500 0 С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Для приобретения жаростойких свойств при рабочей температуре

900 0 С сталь должна содержать не менее 10 % хрома, а при рабочей температуре

1100 0 С – не менее 20 ¸ 25 % хрома. Примеры сталей: 12Х17, 15Х28, 15Х25Т, 14Х17Н2.

Данные стали содержат небольшие добавки титана, никеля, ниобия, молибдена. Титан, ниобий, молибден вводят для измельчения зерна, предотвращения межкристаллитной коррозии, а никель для повышения прочности.

Большим недостатком сталей ферритного класса является то, что возникающая при перегреве (например, при сварке) крупнозернистость не может быть устранена термической обработкой, так как в этих сталях нет фазовых превращений. Крупнозернистость создает повышенную хрупкость стали (порог хладноломкости повышается и переходит в область положительных температур).

Стали аустенитного класса содержат любое количество углерода. Основные легирующие элементы этих сталей – хром, никель, марганец.

Суммарное содержание хрома и никеля около 30 % (Cr + Ni » » 30 %), содержание марганца более 10 % (Mn > 10 %). Легирующие элементы – Ni и Mn, стабилизируют аустенит и позволяют сохранить данную структуру при комнатных температурах (рис. 5).

Стали этого класса в зависимости от природы легирующих элементов и их количества, а также от характера термической обработки могут обладать самыми различными высокоценными свойствами: низким пределом текучести, умеренной прочностью, высокой пластичностью, высокой вязкостью, высоким сопротивлением истиранию, малым коэффициентом теплового расширения, немагнитностью, хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах и другими специальными свойствами.

Представителями аустенитных сталей являются: 12Х18Н9Т, 10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4 (коррозионно-стойкие); 06Х25Н28МДТ (кислотостойкие); 07Х21Г7АН5, 03Х19Г10Н7АМ2 (криогенные стали – работают при низких температурах, до –296 0 С); 12Х25Н16Г7АР, 30Х24Н12СЛ (жаростойкие стали); 110Г13Л, 30Х10Г10 (износостойкие стали); 45Г17Ю3А, 55Г9Н9Х3 (маломагнитные); 4Х12Н8Г8МФБ, 08Х14Н28В3Т3ЮР, 45Х14Н14В2М (жаропрочные – обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах).

Стали мартенситного класса являются среднеуглеродистыми, содержат 0,25 ¸ 0,6 % С. Содержание легирующих элементов свыше 5 % (Cr >10 % или сумма легирующих элементов > 5 %).

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе с такой же концентрацией, как и у исходного аустенита. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Типичная микроструктура мартенсита стали имеет характерный игольчатый вид. Аустенит, который существует при нормальной температуре наряду с мартенситом, называется остаточным аустенитом (светлые поля между иглами мартенсита). Микроструктура легированной стали мартенситного класса приведена на рисунке 6.

Стали этого класса характеризуются высокой твердостью, большой хрупкостью и плохой обрабатываемостью. Из них изготавли

Примеры сталей мартенситного класса: 40Х10С2М, Х7СМ (жаропрочные (сильхромы)); 40Х13, 30Х13 (коррозионно-стойкие); 25Х2Н4ВА (высокопрочные).

Стали карбидного (ледебуритного) классасодержат более 0,5 % углерода (0,7 ¸ 2,20 % С) и повышенное количество карбидообразующих элементов (V, W, Mo, Cr,). Весь углерод в отожженной стали находится в связанном состоянии в виде специальных карбидов.

Ковка изменяет строение быстрорежущей стали, так как разбивает эвтектику на отдельные обособленные карбиды. В кованой отожженной стали можно наблюдать три вида карбидов: крупные обособленные первичные карбиды, более мелкие вторичные и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в основной сорбитовый фон (рис. 7, в). Количество карбидов в этих сталях достигает 30 ¸ 35 %.

Примером сталей карбидного класса могут быть быстрорежущие стали. Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью, износостойкостью, красностойкостью, работают в условиях больших скоростей трения. Высокая твердость у быстрорежущих сталей сохраняется до 500 ¸ 600 0 С.

Из этих сталей изготавливают – резцы, сверла, фрезы, метчики, плашки, развертки, зенкеры, пилы, напильники.

Примеры сталей карбидного класса: Р9, Р18, Р6М5, Р10К5Ф5.

Также к сталям карбидного (ледебуритного) класса можно отнести высокохромистые стали (11,0 ¸ 13,0 % Cr при 1,0 ¸ 2,2 %С), которые нашли широкое применение для холодных штампов и других инструментов, деформирующих металл в холодном или относительно невысоко нагретом состоянии. Эти стали обладают высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке. Примеры: Х12, Х12ВМ.

Классификация легированных сталей

Классификацию легированных сталей разные авторы осуществляют по-разному. Наиболее общеприменимые способы классификации легированных сталей предлагается, в частности, в литературных источниках [1, 2]; авторы классифицируют легированные стали: по равновесной структуре (структура в равновесном состоянии), по структуре после охлаждения на воздухе, по составу легированных сталей (количеству легирующих элементов) и по их назначению.

Классификация легированных сталей по равновесной структуре

Классификация легированных сталей по структуре в равновесном состоянии (по равновесной структуре) предложена Обергоффером и иногда называется классификация по Обергофферу. Изначально эта классификация включала в себя четыре основных класса (доэвтектоидные стали, эвтектоидные стали, заэвтектоидные стали, ледебуритные стали); впоследствии была доработана.

Структурные классы легированных сталей

Структурные классы легированных сталей – классификационная характеристика легированных сталей по структуре в условиях равновесия [3]. Существуют доэвтектоидные стали, содержащие в структуре эвтектоид и избыточный легированный феррит; эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру, и заэвтектоидные стали, содержащие эвтектоид и избыточные (вторичные) карбиды типа М₃С, выделяющиеся при охлаждении из аустенита. Все эти стали объединяют в один класс – перлитные стали. Стали, имеющие в структуре в литом состоянии эвтектику типа ледебурита, называют ледебуритными сталями. При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента образуется сталь со структурой из легированного феррита с некоторым количеством карбидов – сталь ферритного класса. При высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяющего область γ-фазы (Ni, Mn), получается структура аустенита, а сталь называют сталью аустенитного класса. Стали, в которых частично протекает превращение α γ, называют сталями полу-ферритного и полу-аустенитного класса, и их структура состоит из аустенита и феррита.

Для наглядности дополнительно представим структурные классы легированных сталей в виде списка:

• Перлитные стали:
  • доэвтектоидные стали;
  • эвтектоидные;
  • заэвтектоидные стали.
• Сталь ледебуритного класса;
• Сталь ферритного класса;
• Сталь аустенитного класса;
• Стали полуферритного и полуаустенитного класса (аустенито-ферритная сталь).

Классификация легированных сталей по структуре после охлаждения на воздухе

Классификация легированных сталей по структуре после охлаждения на воздухе была предложена французским учёным Гийе и поэтому иногда называется классификация по Гийе. Эта классификация учитывает структуру, получаемую на спокойном воздухе стальных образцов небольшой толщины; выделяют три основных класса сталей:

1. перлитный класс;
2. мартенситный класс;
3. аустенитный класс.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, стали мартенситного класса — более значительным и, наконец, стали аустенитного класса — высоким содержанием легирующих элементов.

Классификация легированных сталей по структуре после охлаждения на воздухе условна и относится только к случаю охлаждения на воздухе стальных образцов относительно небольшого размера.

Классификация легированных сталей по составу

Классификационным признаком в данном случае является наличие в стали тех или иных легирующих элементов. В зависимости от состава легированные стали классифицируют на никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.п. [1].

Классификация легированных сталей по назначению

В зависимости от назначения легированные стали объединяются в следующие группы:

• Конструкционная сталь
• Инструментальная сталь
• Стали и сплавы с особыми свойствами

Помимо вышеописанного стали также иногда классифицируют: по степени легирования (низколегированные, среднелегированные, высоколегированные); по числу легирующих элементов (трёхкомпонентные, четырёхкомпонентные) и т.д.

Маркировка легированных сталей

Принципы маркировки легированных сталей в России. Система маркировки легированных сталей в России разработана буквенно-цифровая, принятая в ГОСТах, когда каждая марка легированной стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы при этом обозначаются следующими буквами: X — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, Г — марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц — цирконий, Б — ниобий, Р — бор. Буква А указывает содержание азота, если находится в середине марки легированной стали; в конце марки буква А обозначает, что сталь высококачественная. Цифры в марках сталей обозначают содержание элементов по определённым существующим правилам. Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения марок, по различным признакам. Более подробно с принципами маркировки сталей можно ознакомиться в литературе [1, 2].

Несмотря на то, что для всех сталей невозможно применить в полном объёме систему маркировки ГОСТов, она всё же наиболее удобна, наглядна, и значительно превосходит в этом смысле принятую систему маркировки сталей в других странах.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Лит.:

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочная сталь используется при изготовлении разных деталей, которые контактируют с агрессивными средами, при этом подвергаются значительным нагрузкам, вибрациям и высокому термическому воздействию. К примеру, сюда относятся следующие изделия: турбины, печи, котлы, компрессоры и т.п. Далее представлены характеристики термостойких, жаропрочных сплавов, классификация, марки, особенности их применения.

Жаростойкая сталь (или окалиностойкая) – металлический сплав, используемый в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и способный на протяжении длительного времени в условиях высоких температур (более 550 ºС) сопротивляться газовой коррозии. Жаропрочные металлы – изделия, которые под высоким термическим воздействием сохраняют свою структуру, не разрушаются, не поддаются пластической деформации. Важная характеристика таких металлов – условный предел ползучести и длительной прочности. Жаропрочные сплавы могут быть жаростойкими, однако не всегда такими бывают, поэтому в агрессивных средах могут быстро повредиться по причине окисления.

Свойства жаростойких и жаропрочных сплавов

Для повышения жаростойкости используются легирующие добавки, которые также улучшают прочность металлов. Благодаря легированию на поверхности сплавов образуется защитная пленка, снижающая скорость окисления изделий. Основные легирующие элементы: никель, хром, алюминий, кремний. В процессе нагрева образуются защитные оксидные пленки (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2О. При содержании 5–8 % хрома жаростойкость стали увеличивается до 700–750 градусов по Цельсию, 17 % хрома – до 1000 градусов, при 25 % хрома – до 1100 градусов.

Жаропрочные марки металлов – сплавы на основе железа, никеля, титана, кобальта, упрочненные выделениями избыточных фаз (карбидов, карбонитридов и др.). Жаропрочностью обладают хромоникелевые и хромоникелевомарганцевые стали. Под воздействием высоких температур они не склонны к ползучести (медленная деформация при наличии постоянных нагрузок). Температура плавления жаропрочной стали составляет 1400-1500 °С.

Классификация жаропрочных и жаростойких сплавов

При температуре до 300 ºС используется обычная конструкционная (углеродистая) сталь – прочный и термостойкий металл. Для работы в условиях свыше 350 ºС требуется применение жаропрочных металлов. Основные виды сплавов повышенной термостойкости и термопрочности:

• Перлитные, мартенситные и аустенитные;
• кобальтовые и никелевые сплавы;
• тугоплавкие металлы.

К перлитным жаропрочным сталям относят котельные стали и сильхромы, содержащие малый процент углерода. Температура рекристаллизации материала повышается за счет легирования молибденом, хромом, ванадием. Сплавы характеризуются неплохой свариваемостью. Производство мартенситных сталей осуществляется с использованием перлитных и добавок хрома, закалки при 950–1100 ºС. Они содержат более 0,15 % углерода, 11-17 % хрома, небольшое количество никеля, вольфрама, молибдена, ванадия. Стали мартенситного класса устойчивы к воздействию коррозии в щелочных, кислотных растворах, повышенной влажности, в случае термообработки при 1050 градусах отличается высокой жаропрочностью.

Жаропрочные аустенитные стали могут иметь гомогенную или гетерогенную структуру. В сплаве с гомогенной структурой, не упрочняемых термообработкой, содержится минимум углерода, много легирующих элементов, что обеспечивает сопротивление ползучести. Такие материалы подходят для применения при температуре до 500 °С. В гетерогенных твердых растворах, упрочняемых термообработкой, образуются карбидные, интерметаллидные, карбонитридные фазы, что обеспечивает применение жаропрочных сплавов под напряжением при температуре до 700 °С.

При температуре до 900 °C эксплуатируют никелевые и кобальтовые сплавы: они применяются при производстве турбин реактивных двигателей, являются лучшими жаропрочными материалами. Кобальтовые сплавы по жаропрочности немного уступают никелевым, являются более редкостным. Отличаются высокой теплопроводностью, коррозионной устойчивостью при высоких температурах, стабильностью структуры в процессе длительной работы.

Содержание никеля в никелевом сплаве составляет свыше 55 %, углерода 0,06-0,12 %. В зависимости от структуры различают гомогенные (нихромы), гетерогенные (нимоники) сплавы никеля. Нихромы, изготавливаемые на основе никеля, в качестве легирующей добавки содержат хром. Им свойственна не только жаропрочность, но и высокая жаростойкость. Нимоники состоят из 20 % хрома, 2 % титана, 1 % алюминия. Марки сплавов: ХН77ТЮ, ХН55ВМТФКЮ, ХН70МВТЮБ.

При температурах до 1500 градусов и выше могут работать жаропрочные сплавы из тугоплавких металлов: вольфрама, ниобия, ванадия и др.

Стали перлитного класса марки

Heat-resistant steel. Specifications

МКС 77.080.20
ОКП 09 6001

Дата введения 1976-01-01

Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 13 августа 1974 г. N 1966 дата введения установлена 01.01.76

Ограничение срока действия снято по протоколу N 2-92 Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 2-93)

ВЗАМЕН ГОСТ 10500-63 в части теплоустойчивой стали и ГОСТ 5632-72 в части марок 15Х5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ

ИЗДАНИЕ с Изменениями N 1, 2, утвержденными в октябре 1980 г., декабре 1985 г. (ИУС 12-80, 3-86).

Настоящий стандарт распространяется на легированную теплоустойчивую сталь перлитного и мартенситного классов горячекатаную и кованую диаметром или толщиной до 200 мм, калиброванную, изготовляемую в прутках, полосах и мотках.

Сталь предназначается для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре до 600 °С в течение длительного времени.

В части норм химического состава стандарт распространяется на слитки, все виды проката, поковки и штамповки.

Показатели технического уровня, установленные настоящим стандартом, предусмотрены для высшей и первой категорий качества.

(Измененная редакция, Изм. N 2).

1. КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1. По видам обработки сталь подразделяют на:

1.2. По состоянию материала сталь подразделяют:

без термической обработки;

термически обработанную — Т;

нагартованную — Н (для калиброванной стали).

1.3. В зависимости от назначения горячекатаная и кованая сталь подразделяется на подгруппы:

а — для горячей обработки давлением;

б — для холодной механической обработки (обточки, строжки, фрезерования и другой обработки по всей поверхности);

в — для холодного волочения (подкат).

Назначение стали (подгруппа) должно быть указано в заказе.

2а. СОРТАМЕНТ

2.1а. Сортамент стали должен соответствовать требованиям:

ГОСТ 2590-88* — для горячекатаной круглой;
________________
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 2590-2006. — Примечание изготовителя базы данных.

ГОСТ 2591-88* — для горячекатаной квадратной;
________________
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 2591-2006, здесь и далее по тексту. — Примечание изготовителя базы данных.

ГОСТ 1133-71 — для кованой круглой и квадратной;

ГОСТ 103-76* и ГОСТ 4405-75 — для горячекатаной полосовой;
________________
* На территории Российской Федерации документ не действует. Действует ГОСТ 103-2006, здесь и далее по тексту. — Примечание изготовителя базы данных.

ГОСТ 7417-75 — для калиброванной круглой;

ГОСТ 14955-77 — для калиброванной круглой со специальной отделкой поверхности;

ГОСТ 8559-75 — для калиброванной квадратной;

ГОСТ 8560-78 — для калиброванной шестигранной.

1. Допускается изготовлять горячекатаную квадратную сталь со стороной квадрата до 100 мм по ГОСТ 2591-88 с углами, закругленными радиусом, не превышающим 0,15 стороны квадрата.

2. Допускается поставлять круглую калиброванную шлифованную сталь длиной не менее 2 м.

Примеры условных обозначений

Сталь горячекатаная квадратная, со сторонами квадрата 30 мм, обычной точности проката В по ГОСТ 2591-88 марки 20Х3МВФ, для горячей обработки, без термической обработки:

Сталь горячекатаная полосовая, толщиной 36 мм, шириной 90 мм, по ГОСТ 103-76 марки 20Х1М1Ф1БР-Ш, для холодной механической обработки, термически обработанная:

Сталь калиброванная круглая диаметром 25 мм, класса точности 4, ГОСТ 7417-75, марки 12Х1МФ, качество поверхности группы В, нагартованная:

Разд.2а. (Введен дополнительно, Изм. N 2).

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

2.1. Легированную теплоустойчивую сталь изготовляют в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке.

2.2. Марки и химический состав стали должны соответствовать указанным в табл.1.

Массовая доля серы и фосфора в стали высшей категории качества должна быть на 0,005% меньше значений, приведенных в табл.1.

Массовая доля элементов, %

1. Стали перлитного класса

2. Стали мартенситного класса

1. Химические элементы в марках стали обозначены следующими буквами: Б — ниобий, В — вольфрам, М — молибден, Н — никель, Р — бор, Т — титан, Ф — ванадий, Х — хром.

Наименование марок сталей состоит из обозначения элементов и следующих за ними цифр. Цифры, стоящие после букв, указывают среднюю массовую долю легирующего элемента в целых единицах, кроме элементов, присутствующих в стали в малых количествах. Цифры перед буквенным обозначением указывают среднюю или максимальную (при отсутствии нижнего предела) массовую долю углерода в стали в сотых долях процента.

Сталь, полученную методом электрошлакового переплава, дополнительно обозначают через тире в конце наименования марки буквой — Ш.

2. Указанное в таблице количество бора и церия химическим анализом не определяется.

3. Примесь меди не должна превышать 0,20%, а в стали, изготовленной скрап-процессом, не более 0,30%.

4. Сталь марки 25Х1МФ может изготовляться с массовой долей молибдена в пределах 0,6-0,8%, в этом случае она обозначается маркой 25Х1М1Ф (Р2).

5. Допускается наличие вольфрама до 0,2%, ванадия до 0,05%, титана до 0,03% (за исключением стали марки 20Х1М1Ф1БР) в сталях перлитного класса, не легированных этими элементами, если иное количество этих элементов не оговорено в документации, утвержденной в установленном порядке. В стали марки 20Х1М1Ф1БР титан химическим анализом не определяется.

6. Допускается наличие вольфрама до 0,3%, ванадия до 0,05%, молибдена до 0,2% и титана до 0,03% в сталях мартенситного класса, не легированных этими элементами, если иное количество этих элементов не оговорено в документации, утвержденной в установленном порядке.

7. Массовая доля серы в стали, выплавленной методом электрошлакового переплава, должна быть не более 0,015%.

2.1; 2.2. (Измененная редакция, Изм. N 2).

2.3. В готовом прокате и изделиях при соблюдении норм механических свойств и других требований настоящего стандарта допускаются отклонения по химическому составу, не превышающие норм, указанных в табл.2.

Жаропрочные стали

Жаропрочность — свойство материала сопротивляться развитию пластической деформации и разрушению при одновременном воздействии приложенной нагрузки и высоких температур (выше 0,3tпл) в течение определенного периода времени.

Жаропрочные стали используют в энергомашиностроении (в конструкциях газотурбинных, ракетных, поршневых и других двигателей), в котлотурбостроении, в агрегатах металлургической промышленности.

Жаропрочные стали, детали из которых эксплуатируются при температурах до 650 °С, иногда называют теплоустойчивыми.

Одновременное воздействие на сплав двух внешних факторов — температуры и напряжения вызывает развитие в нем структурного процесса, называемого ползучестью. Ползучесть — это процесс произвольной пластической деформации в при напряжениях более низких, чем кратковременный предел текучести при заданной температуре. Ползучесть протекает при температуре выше 0,3tпл. Развитие процесса ползучести во времени описывается кривой ползучести (рис. 15.1), характеризующейся тремя стадиями:

1) стадия неустановившейся ползучести — металл деформируется с неравномерной замедляющейся скоростью (отрезок ab);

2) стадия установившейся ползучести — металл деформируется с постоянной скоростью (отрезок bс);

3) стадия разрушения — металл деформируется с увеличивающейся скоростью, что заканчивается его разрушением (отрезок cd).

Деталь из жаропрочного сплава должна работать только тогда, когда металл находится на стадии установившейся ползучести. Чем длительнее эта стадия при данной температуре, тем больший ресурс работы изделия из жаропрочного материала.

Причиной развития ползучести является постепенное накопление изменений в микроструктуре материала при повышенной температуре под напряжением: перемещение атомов и дислокаций, проскальзывание по границам зерен. Зернограничное скольжение — это сдвиг зерен относительно друг друга вдоль общих границ в узкой приграничной области. В результате такого скольжения на границах зерен появляются несплошности — поры, накопление которых может привести к разрушению материала.

Для замедления процесса ползучести, продления установившейся стадии ползучести применяют соответствующее легирование сплавов:

• тугоплавкими элементами, которые повышают температуру рекристаллизации;

• элементами с переменной растворимостью в металле-основе, что позволяет проводить упрочняющую термическую обработку.

Жаропрочность характеризуется пределом ползучести, пределом длительной прочности.

Предел ползучести — напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре. При обозначении предела ползучести оib/t указывают три числовых индекса: верхний соответствует значению температуры испытания t, °С; нижний — показывает заданную суммарную деформацию b, %, которая должна быть получена за время т, ч.

Предел длительной прочности — напряжение, равное отношению нагрузки, при которой происходит разрушение образца через определенный промежуток времени, к первоначальной площади поперечного сечения. В обозначении предела длительной прочности oтt приводят два числовых индекса: верхний указывает температуру t, °C, а нижний— длительность т (или базу) испытания, ч. Например, о100в700, МПа, означает напряжение, при котором материал образца разрушается через 100 ч испытания при температуре 700 °С.

Жаропрочные стали используют в различных областях машиностроения, при разном сочетании условий эксплуатации деталей: температуре, времени, нагрузке. Это связано с многовариантностью изменения структурно-фазового состояния сталей за счет таких параметров, как:

• фазовые превращения в системах Fe—С, Fe—Cr—С, Fe—Cr—Ni;

• широкий интервал легирования;

• разнообразные варианты упрочняющей термической обработки (закалка + отпуск, изотермическая закалка, закалка + старение);

• принадлежность к структурным классам — перлитному, мар-тенситному, ферритно-мартенситному, аустенитному.

Структурный класс стали определяется по той структуре, которую сталь приобретает после нагрева до 950 °C и охлаждения на воздухе: перлит, мартенсит, аустенит или феррит с мартенситом. Стали всех классов, кроме перлитного, являются высоколегированными. Все стали являются многокомпонентными сплавами, в которых сочетание легирующих элементов направлено на обеспечение сопротивления ползучести (рис. 15.2).

Перлитные стали используют главным образом в теплоэнергетике: условия их эксплуатации включают атмосферу перегретого пара, давление пара с невысокими нагрузками.

По химическому составу перлитные стали являются низкоуглеродистыми и низколегированными, они содержат 0,08. 0,15 % С и не более 2. 3 % легирующих элементов, из которых самые важные — Mo, Cr и V. Молибден и хром упрочняют феррит, хром и ванадий образуют карбиды. Наиболее распространенные марки сталей перлитного класса: 12Х1М1Ф, 25Х2М1Ф.

Термическая обработка перлитных сталей включает нормализацию и высокий отпуск, во время которого образуются дисперсные карбиды (VC, Сr7С3, М02С), упрочняющие сплав.

Для перлитных сталей, детали из которых (трубы и другие элементы теплоэнергетических установок) эксплуатируются годами, особенно важна стабильность структуры и свойств.

Перлитные стали хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются.

Главными недостатками сталей перлитного класса являются низкие жаростойкость и коррозионная стойкость, так как содержание Cr в них не превышает 5 %. Поэтому на детали из этих сталей необходимо наносить специальные покрытия.

Стали, содержащие 0,12. 0,15 % С, применяют для изготовления трубопроводов, паропроводов, деталей паросиловых установок. Стали, в которых присутствует 0,25. 0,30 % С, являются более жаропрочными вследствие наличия большего количества карбидов. Поэтому из них изготовляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных паровых турбин, плоские пружины и крепежные детали.

Мартенситные стали содержат 12. 15 % Cr, они являются одновременно коррозионно-стойкими, жаростойкими и жаропрочными.

По химическому составу мартенситные стали являются низкоуглеродистыми, высоколегированными, содержат 0,08. 0,15 % С, 12. 15 % Cr, а также молибден, ванадий, ниобий. Применяемые в котлотурбостроении стали не содержат никель (15X11МФ); стали, используемые для производства деталей ГТД, легированы никелем (14Х12Н2В2МФБ), чтобы выдерживать сложные механические нагрузки, в том числе ударные.

Термическая обработка состоит в закалке на мартенсит и высоком отпуске при 650. 690 °С, во время которого образуется карбид Cr23C6.

Стали мартенситного класса обладают комплексом свойств, благоприятных для использования при повышенных температурах и в сложных условиях нагружения: жаропрочностью, жаростойкостью, высоким пределом выносливости, высокой ударной вязкостью.

Эти стали предназначены для производства изделий, работающих при температурах 450. 650 °С. Мартенситные стали применяют в котлотурбостроении и двигателестроении (детали компрессоров газотурбинных двигателей — ГТД).

В котлотурбостроении изделия из таких сталей эксплуатируются при более нагруженных условиях (температуры и давление перегретого пара выше, газовые среды более агрессивны), чем детали и конструкции из перлитных сталей.

В двигателестроении детали ГТД работают в сложных условиях нагружения: статические растягивающие и изгибающие нагрузки, циклические и динамические нагрузки, газовая коррозия, резкие теплосмены.

Стали аустенитного класса по рабочей температуре и уровню жаропрочных свойств превосходят стали перлитного и мартенситного классов (см. рис. 15.2 и 15.3). Это обусловлено наличием ГЦК-решетки, атомы в которой имеют более низкую диффузионную подвижность, чем в ОЦК-решетке, а также большей растворимостью легирующих элементов в аустените.

Аустенитные стали содержат, %: 11. 27 Cr, 9. 29 Ni, до 0,4 С; они могут быть легированы такими элементами, как Ti, Nb, Mo, Al, W. В зависимости от типа основной упрочняющей фазы стали подразделяют на три подгруппы:

• однофазные (гомогенные) стали типа 12X18Н9Т, не упрочняемые термической обработкой;

• стали с карбидным упрочнением (45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ);

• стали с интерметаллидным упрочнением (10X11Н20ТЗР).

Однофазные аустенитные стали обычно называют гомогенными. Основной упрочняющей фазой является высоколегированный аустенит. Титан добавляют для образования карбида TiC и предотвращения межкристаллитной коррозии (MKK).

Аустенитные стали с карбидным упрочнением имеют повышенное содержание углерода (до 0,5 %). Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении, во время которого из аустенита выделяется легированный карбид хрома (Cr, Ме)23С6. Возможно также образование карбида ванадия VC. Зачастую нагрев аустенитных сталей после закалки называют отпуском. Таким образом, в этих сталях по сравнению с гомогенными реализуется, кроме твердорастворного, еще и дисперсионное упрочнение за счет частиц карбида. Поэтому детали из этих сталей (рабочие лопатки газовых турбин, диски, роторы, крепежные детали) работают при более высоком нагружении и температуре на 100 °C выше (до 750 °C), чем детали из гомогенных сталей (см. рис. 15.3 и 15.4).

Аустенитные стали с интерметстлидным упрочнением содержат больше никеля, легированы титаном и алюминием. Они являются самыми жаропрочными в классе аустенитных сталей. К ним применяют закалку и старение. Титан и алюминий имеют переменную растворимость в хромоникелевом аустените, поэтому после закалки образуется пересыщенный твердый раствор, из которого при старении выделяется интерметаллическая фаза у’ — Ni3(Ti, Al). Жаропрочность сталей, упрочненных у’-фазой, выше, чем у сталей с карбидным упрочнением, что обусловлено следующими причинами:

• количество у’-фазы, образующейся при старении, больше, чем количество карбида (8. 10 % против 1,3. 3 %);

• дисперсность частиц у’-фазы выше, чем частиц карбида;

• частицы у’-фазы когерентно связаны с матрицей — когерентная граница является дополнительным препятствием для перемещения дислокаций.

К недостаткам сталей аустенитного класса следует отнести их высокую стоимость, трудность деформации в горячем состоянии (в сопоставлении со сталями мартенситного класса), меньшую термостойкость (из-за более высокого коэффициента линейного расширения и более низкой теплопроводности).