6.4.4. Жаропрочные стали и сплавы

При длительной работе под нагрузкой, не превышающей предела текучести, и нагреве до температур около 0,4…0,5 или более от абсолютной температуры плавления Т_пл металл испытывает медленную пластическую деформацию. Такая деформация называется ползучестью или крипом.

При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате рекристаллизации. Если второй процесс преобладает, то в металле начинает развиваться диффузионное разупрочнение  отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Основными критериями жаропрочности металлов является предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуре за определенное время, соответствующее условиям эксплуатации изделий.

Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную суммарную деформацию за определенное время при заданной температуре.

Срок службы, на который рассчитана машина или механизм, определяет выбор критерия жаропрочности и материала для их изготовления.

Различают следующие виды жаропрочных конструкционных сталей.

Мартенситные стали. Стали мартенситного класса используют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно работающих при температурах 600…620 С. Стали более значительно легированы хромом, а также вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаропрочность этих сталей достигается при закалке от 1000…1050 С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или тростит.

Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания небольшой и средней мощности изготовляют из сильхромов  хромокремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны более мощных двигателей изготовляют из аустенитных сталей.

Аустенитные стали. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающих при температурах 600…700 С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, бором и другими элементами. К жаропрочным сталям аустенитного класса относятся стали 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М.

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

Более высокие рабочие температуры (до 1000…1100 С и более) выдерживают так называемые суперсплавы, выплавленные на основе элементов VIII группы периодической системы  никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Для работы при еще более высоких температурах применяют тугоплавкие металлы и керамические материалы.