Большое число деталей турбин, котлов, теплообменники, паропроводы и другие работают при повышенных и высоких температурах, испытывая одновременно большие напряжения. В зависимости от условий эксплуатации различают жаростойкие и жаропрочные материалы.

Жаростойкость — способность материалов сопротивляться газовой коррозии (не окисляться) при высокой температуре в течение длительного времени.

Жаростойкие стали в процессе работы, как правило, не испытывают больших рабочих нагрузок, и от них требуется только высокая окалиностойкость при повышенных температурах.

В окислительных средах при высоких температурах образуются продукты газовой коррозии — оксиды FeO (вюстит), Fe₃O₄ (магнетит), Fe₂O₃ (гематит). При плотной оксидной пленке скорость нарастания окалины определяется скоростью диффузии атомов сквозь толщину окалины, что в свою очередь зависит от температуры и строения оксидной пленки.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины. При введении в сталь соответствующего количества хрома, алюминия, кремния, обладающих большим сродством и кислороду, чем железо, в процессе окисления на поверхности образуются плотные оксиды Сr₂O₃, Al₂O₃ или SiO₂, диффузия кислорода сквозь которые происходит с трудом. Например, для обеспечения окалиностойкости при рабочей температуре 1100 ⁰С содержание хрома должно быть 25%.

Жаропрочность — способность материалов сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

Жаропрочные материалы должны работать длительное время при высоких температурах и рабочих нагрузках. При их выборе необходимо учитывать то, что при увеличении температуры прочностные свойства уменьшаются, кроме того, при высоких температурах становится существенным фактор времени. Металл элементов котельных агрегатов, работающих при температурах выше 450 ⁰С подвержен ползучести.

Ползучесть есть свойство металла, нагруженного при высокой температуре, медленно и непрерывно пластически деформироваться под воздействием постоянной нагрузки.

Деталь, проработавшая определенное время в условиях ползучести, разрушается при пластической деформации во много раз меньшей, чем при разрушении от кратковременной перегрузки при той же температуре. Повышение рабочих температур на тепловых электростанциях привело к тому, что многие детали работают в области температур, при которых проявляется ползучесть.

Для испытания на ползучесть образец устанавливается в захваты машины и помещают в печь, где поддерживается постоянная температура. К образцу прикладывается постоянная нагрузка. В течение всего времени испытания замеряется деформация образца вплоть до его полного разрушения. По результатам испытаний строится кривая ползучести в координатах «суммарная деформация – время», на которой отмечаются участки соответствующие трем стадиям процесса ползучести (рисунок 50).

Рисунок 50 — Кривые ползучести при постоянной температуре и различных напряжениях

При приложении нагрузки происходит мгновенная деформация, не относящаяся еще к деформации ползучести (точка Д).

Первая стадия (I) охватывает деформацию с убывающей скоростью — стадия неустановившейся ползучести.

Во второй стадии процесса (II) пластическая деформация нарастает с постоянной скоростью — стадия установившейся ползучести (участок АВ).

Третья стадия процесса (III) охватывает деформацию с нарастающей скоростью (участок ВС) — стадия разрушения.

Длительность каждой стадии зависит для данного сплава от температуры и напряжения.

Иногда ползучесть может протекать в течение весьма длительного времени и практически не достигать третьей стадии (рисунок 50, кривая 2). Если напряжения или температура очень высоки, то вторая стадия процесса ползучести может отсутствовать (кривая 3). Условный предел ползучести — это напряжение, которое вызывает при определенной температуре заданную скорость ползучести на второй стадии процесса.

За предел ползучести элементов котельных установок принимают обычно напряжение, которое вызывает остаточную деформацию в 1% за 100 тыс. ч эксплуатации. Для котельных материалов это напряжение равно напряжению, вызывающему скорость ползучести 10-5 %/ч. Предел ползучести обозначается sigma^T_d/t, где T — температура испытания 0С; d — деформация, %; t — время испытания, ч. Например, сталь 15Х5М имеет пределы ползучести sigma⁴⁸⁰_1/100000= 69 МПа, sigma⁵⁴⁰_1/100000= 39 МПа.

Явление ползучести проявляется в случаях: при температурах выше температуры, при которой наблюдаются процессы разупрочнения наклепанного металла (температура рекристаллизации); при напряжениях выше предела упругости.

Из этого следует, что скорость ползучести будет тем больше, чем быстрее разупрочняется металл под действием рекристаллизационных процессов и чем ниже прочность при кратковременных испытаниях. Поскольку скорость ползучести зависит от состава и строения металла, то стремятся улучшить ее соответствующим легированием и термической обработкой. Чем выше температура плавления металла, тем выше и температура его рекристаллизации. Поэтому для изготовления жаропрочных деталей применяют металлы с высокой температурой плавления. Как правило, максимальная рабочая температура не может превышать значений, равных (0,7…0,8) Т_пл.

Влияние легирующих элементов на жаропрочность. Высокая жаропрочность стали достигается путем легирования ее хромом, никелем, молибденом, вольфрамом, ниобием, ванадием, кобальтом, титаном, алюминием. По мере увеличения в сплаве числа легирующих элементов и повышения их концентрации жаропрочность многокомпонентных металлических сплавов увеличивается. Жаропрочность в сильной степени зависит и от типа кристаллической структуры. Ферритные стали, обладающие ОЦК решеткой, менее жаропрочны, чем аустенитные, кристаллическая решетка которых ГЦК.

Никель как аустенитообразующий элемент является одним из главных легирующих элементов жаропрочных сплавов.

В жаропрочных сталях особую роль играют углерод, бор и другие элементы, образующие фазы внедрения.

Углерод, связывая молибден и вольфрам в карбиды, уменьшает количество этих элементов в твердом растворе и тем самым отрицательно влияет на жаропрочность. Поэтому легирование такими элементами, как титан, ниобий, тантал, связывающие углерод, приводит к увеличению жаропрочности. Обычно в жаропрочных сталях аустенитного класса углерода содержится около 0,1 %. Жаростойкость снижается при введении в сталь легкоплавких и нерастворимых в железе металлов (свинец, висмут, и др.), а также образующих с железом легкоплавкие эвтектики (сера, селен).

Жаропрочные стали. В зависимости от предельных рабочих температур стали подразделяются на: теплопрочные перлитного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов, работающих при температурах 350…600 ⁰С и жаропрочные аустенитного класса, работающие при 500…700 ⁰С. Эти стали применяются главным образом в котлостроении для изготовления паропроводов, пароперегревателей, подвергаемых длительным механическим воздействиям при высоких температурах.

Стали перлитного класса содержат до 0,16 % С и молибдена до 0,7 %, который увеличивает температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает жаропрочность. Аналогично, но слабее, действует хром. Присадка ванадия измельчает зерно, а также повышает жаропрочность. Обычный режим термической обработки — закалка в масле или нормализация при температурах 950…1030 ⁰С и отпуск при 720…750 ⁰С (Ас₁ = 760 ⁰С). Предельная рабочая температура 550…580 ⁰С. Структура сталей после охлаждения на воздухе перлит и карбиды М₃С. Область применения сталей приведена в таблице 13.

Таблица 13 — Назначение сталей перлитного класса

Марка стали	Назначение	Предельная рабочая темп., 0С
16ГНМА	Барабаны паровых котлов высоких параметров пара, корпусное оборудование, работающее под давлением	450
12ХМ	Пароперегреватели, паропроводы, коллекторы, сосуды — с температурой среды до 540 0С	530…540
15ХМ	Паропровод и пароперегреватели, сосуды, работающие под давлением	550
12Х1МФ	Коллекторы котлов, паропроводы и корпусное оборудование высокого и сверхвысокого давления, корпуса котлов	570-585
15Х1М1Ф	Коллекторы котлов и паропроводы высокого и сверхвысокого давления	575
12Х2МФБ, 12Х2МФСР	Поверхности нагрева паровых котлов (пароперегреватели)	585
12Х2М	Корпусное оборудование, пучки трубок тепло-обменников, работающие до 500 0С, паропроводы, с рабочей температурой до 545 0С	545

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов содержат 8…13 % Сr и легируются вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором. Эти стали, помимо более высокого значения длительной прочности, обладают высокой жаропрочностью. Структура этих сталей состоит из мартенсита, феррита и карбидов типа М23С6, М6С, М2С, МС и фазы Лавеса — Fe₂W, Fe₂Мо.

Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметаллидных фаз. Предельная рабочая температура 580…600 ⁰С. Стали применяют после закалки на воздухе или в масле от 1050…1100 ⁰С и отпуска при 650…750 ⁰С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М₂₃С₆ и М₆С в аустените. Область применения сталей приведена в таблице 14.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремниевые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. Наиболее широко применяются сильхромы марок 40Х9С2 и 40Х10С2М (0,7…0,9 % Мо). Закалка в масле от 1000…1050 ⁰С и отпуск при 720…800 ⁰С с охлаждением на воздухе или в воде. Рабочая температура до 500…600 ⁰С.

Таблица 14 — Назначения сталей мартенситного класса

Марка стали	Назначение	Макси- мальная рабочая темп., 0С	Начало окалинообраз-я в воздушной среде,0С
15Х5 40Х9С2 40Х10С2М, 30Х13Н7С2 15Х5М, 15Х5ВФ 12Х8ВФ 40Х10С2М 11Х11Н2В2МФ 16Х11Н2В2МФ 20Х13, 12Х13 15Х11МФ 18Х11МНФБ 15Х12ВНМФ 18Х12ВМБФР	Трубы Трубы рекуператоров, теплообменники, колосники Клапаны двигателей Детали насосов, задвижки, крепеж Трубы печей, аппаратов Клапаны двигателей, крепеж Диски компрессора, лопатки Лопатки паровых и газовых турбин, клапаны, болты, трубы, детали котлов Диски, валы, лопатки и другие детали, работающие в условиях высокой влажности Лопатки паровых турбин, детали клапанов, роторы паровых и газовых турбин Роторы, диски, лопатки, болты Лопатки турбин, клапаны, болты, трубы	580 580 580 580 600 500 650 600 500 500 600 780 650	— 850 850 950 650 650 850 750 750 750 750 950 750

Стали аустенитного класса для достижения высокой жаропрочности дополнительно легируют Мо, W, V, Nb, B. Их применяют для деталей, работающих при 500…700 ⁰С. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем пер- литных, мартенситных и мартенситно-ферритных. Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются, но несколько затруднена их обработка резанием.

По способу упрочнения стали подразделяются на три группы:

1. твердые растворы, не упрочняемые старением;
2. твердые растворы с карбидным упрочнением (первичные TiC, VC, ZrC, NbC и другие, вторичные М23С, M6C, M7C3);
3. твердые растворы с интерметаллидным упрочнением (Ni₃Ti, Ni₃Al, Ni₃Nb). Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем с карбидным упрочнением.

Стали второй и третьей группы упрочняются термической обработкой. Температура нагрева под закалку 1050…1100 ⁰С с охлаждением в воде, масле или на воздухе. Затем следует старение при 600…850 ⁰С; оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора.

Применение некоторых аустенитных сталей приведено в таблице 15.

Таблица 15 — Назначение некоторых жаропрочных сталей