книги из ГПНТБ / Шведов Л.И. Хромоникельалюминиевая жаростойкая сталь
.pdfрепа |
также |
возможность |
охлаждения его струей воз |
||||||
духа. |
|
опытах режим работы |
установки следую |
||||||
В наших |
|||||||||
щий: |
образец |
нагревается |
проходящим |
током |
до |
||||
900 °С в течение 50 сек, |
затем ток |
отключается и об |
|||||||
разец |
15 сек |
охлаждается проточной водой. |
Такой ре |
||||||
жим обеспечивает прогрев |
и охлаждение |
образцов |
до |
||||||
постоянных |
температур |
и |
некоторую |
выдержку при |
|||||
этих температурах для релаксации напряжений. |
|
||||||||
В отличие от применяемых установок для испытания |
|||||||||
термостойкости в описанной |
установке применен литой |
||||||||
необработанный |
образец круглого сечения постоянного |
диаметра, получаемый методом вакуумного всасывания жидкого металла в фарфоровые трубочки. Этот метод получения образцов является наиболее простым и быст рым [8]. Очень просто решен вопрос охлаждения образ цов водой или воздухом за счет периодического подвода струи. Критерием термостойкости принято количество теплосмен (циклов) до появления трещины, видимой визуально или фиксируемой автоматически.
2. Влияние алюминия на сталь 12-14
Влияние алюминия на свойства и структуру стали, содержащей 0,3% углерода, 12% хрома, 14% никеля, изучалось на сплавах, состав которых приведен в табл. 1 (сплавы 1—7). На рис. 8, а показаны зависимости меха нических свойств этих сплавов при комнатной темпера туре от химического состава.
Как видно из рисунка, твердость HRB при введении небольшого количества алюминия (до 3%) несколько снижается по сравнению с твердостью исходной стали. Подобное снижение твердости отмечалось ранее в рабо тах [45, 46] на марганцевых и никельмарганцевых ста лях. Увеличение количества алюминия до 4% ведет к резкому возрастанию твердости. Это связано главным образом с выделением в сплаве значительного количест
ва р'-фазы, |
а |
также при охлаждении с образованием |
||
тонкой гетерогенной структуры, |
вызывающей упрочне |
|||
ние. Углерод, |
как известно, имеет весьма ограниченную |
|||
растворимость |
в |
хромоннкелевых |
сталях. |
Предельная |
растворимость |
его в стали типа 18-8 при |
температурах |
||
ниже 600 °С составляет всего 0,02% (см. |
рис. 1,в); при |
30
i
Рис. 8. Влияние алюминия на механические свойства стали ЗХ12Н14 |
(а) ЗХ18Н19 (б) |
3X1849^ ( в i |
никеля на |
||||
свойства стали ЗХ18Н14Ю4 |
(г): 1 „ 2 -тв е р д о с ть после |
ЦТО |
и в |
литом состоянии’; |
3 - предел |
||
прочности. |
|||||||
кгс/мм ; 4 |
относительное удлинение, |
%; |
5 — ударная вязкость, кгсм/см'2 |
||||
|
Т а б л и ц а 1
|
Химический состав опытных хромоникелевых |
сталей, |
% |
|||||||
Н о м е р |
С |
С г |
N i |
А1 |
Н о м е р |
с |
С г |
N i |
А1 |
|
с п л а в а |
с п л а в а |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
0 , 3 |
12 |
14 |
|
24 |
0 , 3 |
18 |
25 |
6 , 5 |
|
2 |
0 , 3 |
12 |
14 |
1 , 9 |
25 |
0 , 3 5 |
18 |
1 4 , 2 |
4 , 3 |
|
3 |
0 , 3 |
1 2 , 6 |
14 |
3 , 0 |
26 |
0 , 3 |
18 |
16 |
4 , 3 |
|
4 |
0 , 2 8 |
1 1 , 8 |
14 |
4 , 0 - |
27 |
0 , 2 8 |
18 |
1 8 ,5 |
4 , 2 |
|
5 |
0 , 3 |
12 |
14 |
5 , 0 |
28 |
0 , 3 |
18 |
20 |
4 , 2 |
|
6 |
0 , 3 |
12 |
14 |
5 , 4 |
29 |
0 , 4 |
18 |
14 |
— |
|
7 |
0 , 3 |
12 |
14 |
5 , 8 |
30 |
0 , 3 |
18 |
14 |
0 , 9 |
|
8 |
0 , 3 |
18 |
19 |
— |
31 |
0 , 3 |
18 |
14 |
2 , 0 |
|
9 |
0 , 3 |
18 |
1 7 , 6 |
1 , 9 |
32 |
0 , 3 |
18 |
14 |
2 , 6 5 |
|
10 |
0 , 3 |
18 |
1 8 , 0 |
3 , 3 |
33 |
0 , 4 3 |
18 |
14 |
3 , 2 5 |
|
11 |
0 , 2 5 |
18 |
19 |
4 , 0 |
34 |
0 , 3 |
18 |
14 |
3 , 7 — 3 , 8 |
|
12 |
0 , 3 |
18 |
19 |
4 , 2 |
35 |
0 , 3 7 |
1 8 , 6 |
1 4, 1 5 |
3 , 8 |
|
13 |
0 , 3 |
18 |
19 |
4 , 8 |
36 |
0 , 3 8 |
18 |
14 |
3 , 9 2 |
|
14 |
0 , 3 |
18 |
19 |
5 , 2 |
37 |
0 , 2 6 |
18 |
14 |
4 , 5 |
|
15 |
0 , 3 |
18 |
19 |
5 , 8 |
38 |
0 , 2 8 |
18 |
14 |
5 , 3 5 |
|
16 |
0 , 3 |
18 |
25 |
— |
39 |
0 , 3 |
18 |
14 |
6 , 3 |
|
17 |
0 , 3 |
18 |
2 4 , 1 |
2 , 2 |
40 |
0 , 0 6 |
18 |
14 |
4 , 0 |
|
18 |
0 , 3 1 |
18 |
25 |
3 , 0 |
41 |
0 , 2 2 |
18 |
14 |
4 , 0 |
|
19 |
0 , 3 2 |
18 |
2 5 , 3 |
3 , 8 |
42 |
0 , 3 |
1 7, 4 |
14 |
3 , 8 |
|
2 0 |
0 , 3 |
18 |
25 |
4 , 4 |
43 |
0 , 3 8 |
1 8, 6 |
1 4 , 1 5 |
3 , 8 |
|
21 |
0 , 3 |
18 |
25 |
4 , 7 |
44 |
0 , 4 8 |
18 |
1 3 , 6 |
4 , 0 |
|
22 |
0 , 3 |
18 |
25 |
5 , 7 |
45 |
0 , 5 5 |
18 |
14 |
4 , 0 |
|
23 |
0 , 3 |
18 |
1 2 4 , 0 |
6,1 |
|
|
|
|
|
температуре плавления она повышается до 0,4—0,5%, Следовательно, эти стали склонны к дисперсионному упрочнению за счет образования наряду с {/-фазой хро мистых карбидов.
Введение алюминия, как будет показано ниже, еще больше уменьшает растворимость углерода в исследуе мых сталях, чем способствует более сильному упрочне нию. В структуре сплавов, содержащих более 4% алюминия, появляется ферритная составляющая. Твер дость при этом продолжает расти как за счет увеличи вающегося количества упрочняющих фаз, так и за счет выпадения феррита. Твердость сплавов после ЦТО выше, чем в литом состоянии. Это связано с тем, что при ЦТО происходит более полный распад пересыщенного твердого раствора, в результате чего выделяется большее количе
32
ство частиц упрочняющих фаз. Сталь 12-И, содержащая до 4% алюминия, в литом состоянии имеет аустенитную структуру с характерным для этого состояния дендрит ным строением. При содержания алюминия 4% в от дельных местах в междендритных зонах встречаются включения феррита. Это связано с ликвацией легирую щих элементов — обогащением хромом осей дендритов и оттеснением алюминия как менее тугоплавкого элемен та в междендритные области. После ЦТО включений феррита в структуре этого сплава не обнаружено. При циклических нагревах до 900 °С происходит некоторое выравнивание состава за счет диффузионных процессов. Но зато после ЦТО в структуре наблюдается большое количество частиц упрочняющих фаз — карбидов хрома и интерметаллического соединения никеля с алюминием. Они расположены в основном в междендритных об ластях.
В микроструктуре сплава с 4,8% |
алюминия ферри г |
|
присутствует как в литом |
состоянии, |
так и после ЦТО. |
После ЦТО включения |
феррита более крупные, округ |
лой формы. На графике, показанном на рис. 8, а, прове дена жирная вертикальная линия, соответствующая гра ннце области появления феррита в структуре. Предел прочности (оп) опытных сплавов в зависимости от со держания алюминия качественно изменяется, подобно твердости, и это объясняется теми же причинами. Коли чественно алюминий оказывает менее существенное влияние на предел прочности, чем на твердость. Прак тически значительного повышения ав при легировании стали 12-14 алюминием в литом состоянии не отмечается. Пластичность сплавов, характеризующаяся относитель ным удлинением б, начинает снижаться при содержании алюминия более 4%, что связано с появлением боле: хрупкой, чем аустенит, ферритной составляющей и р7 фазы. При легировании стали 12-14 алюминием до 4% имеет место незначительное снижение ударной вязкости. В сплавах, содержащих более 4% алюминия, ударная вязкость резко снижается. Это связано главным образо:я с появлением в структуре ферритной составляющей. Определенную роль играет при этом и возрастающее ко личество упрочняющих фаз. Образующийся высоколеги рованный хромом и алюминием феррит характеризуется низкими пластичностью п ударной вязкостью.
3. Зак. 16 |
33 |
В работе 147 | указывается, что хромистая ферритная сталь имеет очень низкую ударную вязкость. Однако ударная вязкость опытных сплавов в литом состоянии остается на достаточном уровне даже при 6% алюминия. Она равна 7,1 кгсм/см2. В процессе ЦТО ударная вяз кость сильно понижается. Так, например, в сплаве с 5% алюминия она снизилась после 200 циклов ЦТО с
Рис. 9. Влияние алюминия на необратимый прирост длины образцов при ЦТО для сталей ЗХ12Н14 (/), ЗХ18Н19 (2) и ЗХ18Н25 (3)
13 до 1 кгсм/см2, а сплава с 5,4% алюминия — с 8 до
0,0 кгсм/см2.
Алюминий оказывает сильное влияние на необрати мое изменение размеров стали при ЦТО. Зависимость относительного изменения длины образцов от содержа ния алюминия после 200 циклов приведена на рис. 9. При введении до 3% алюминия в сталь 12-14 длина образ цов во время ЦТО несколько увеличивается. При более высоком содержании их прирост резко снижается. В сплавах, содержащих 4—6% алюминия, прирост длины образцов получается очень малый: в несколько раз мень ше, чем у исходной стали 12-14. Это связано с появле нием нпкельалюминиевой фазы -р', которая, выделяясь в большом количестве во время ЦТО, упрочняет сплавы, уменьшает пластическую деформацию под действием термических напряжений и этим снижает прирост.
Алюминий интенсивно повышает жаростойкость хро моникелевой стали 12-14, особенно при введении его более 4%. Так, например, увеличение массы образцов за 100 ч при температуре 900 °С для сплава с 5% алюми ния равно 0,159 г/ч-м2, что в 17 раз меньше, чем у ис ходной стали [48].
34
3. Влияние алюминия па сталь 18-10
Зависимость свойств исследованных сплавов от со держания алюминия при комнатной температуре показа на на рис. 8, б.
Введение алюминия в сталь, содержащую 18% хрома и 19% никеля, оказывает качественно примерно такое же влияние на свойства, как и в стали 12-14.
Твердость сплавов с введением алюминия вначале также несколько снижается, а затем при содержании его полее 3% начинает расти. Также изменяется и предел прочности. Более высокий уровень твердости в этих спла вах по сравнению с предыдущими объясняется тем, что они содержат повышенное количество хрома и никеля, которые несколько упрочняют основу стали — твердый раствор при растворении в нем.
Кривая пластичности сплавов с увеличением алюми ния вначале постепенно снижается, а при содержании его выше 4% падает более к{)уто. Ударная вязкость так же падает при содержании алюминия более 4% в обла сти, где появляется феррит. Резкое изменение механи ческих свойств сплавов при концентрации алюминия свыше 3—4% объясняется тем, что при таком содержа нии алюминия начинается образование никельалюминиевой фазы, а при содержании его 4,2% в структуре ли тых образцов появляется также и феррит.
Прирост длины образцов при ЦТО уменьшается при содержании алюминия более 3,3% (рис. 9). Алюминий значительно влияет на жаростойкость этих сплавов при 1100°С. При введении 3,3% алюминия получено значи тельно меньшее увеличение массы образцов, чем у спла ва с 1,9% алюминия (0,123 и 2,35 г/ч-м2 соответственно).
4. Влияние алюминия на сталь 18-25
При легировании алюминием стали, содержащей 18% хрома, 25% никеля, получены менее резкие изменения свойств с увеличением количества алюминия, чем на сталях 12-14 и 18-19. Как видно из рис. 8, в, при содер жании алюминия 3% и более твердость несколько повы шается, а пластичность начинает снижаться. Ударная вязкость резко уменьшается при содержании алюминия более 4,5%. Феррит в структуре этих сплавов обнаружен
з* |
35 |
при Г),7% алюмшшя в литом состоянии и при 6,1% после выдержки 100 ч при 900 °С.
Как видно из кривых, приведенных на рис. 8, в, зна чительное снижение пластичности и вязкости этой груп пы сплавов начинается раньше, чем появляется ферритпая составляющая. Эго объясняется тем, что в их струк туре выделяется значительно большее количество карбидов и ннкельалюминпевой фазы, чем в сплавах, описанных выше.
Причиной этого является более высокое содержание никеля. В структуре сплавов, содержащих более 4% алюминия, после циклической термообработки видны выделившиеся в большом количестве частицы карбид ной п ннкельалюминпевой фаз.
Необратимый относительный прирост длины образ цов во время термоциклирования начинает уменьшаться при введении алюминия 2% и более (рис. 9, кривая 3). Значительное повышение жаростойкости отмечено при содержании алюминия 3%.
5. Влияние алюминия на сталь 18-14
Более широко были исследованы свойства стали с основой, содержащей 18%, хрома и 14% никеля [49]. Результаты испытания этих сплавов в зависимости от содержания алюминия представлены на рис. 10.
Как видно из рисунка, твердость сплавов в литом со стоянии сохраняется примерно на одном уровне при со держании алюминия до 4,5% и резко возрастает при даль нейшем увеличении его концентрации. Подобным же об разом изменяется твердость сплавов, прошедших ЦТО (200 циклов). Отличие здесь заключается лишь в том, что резкое возрастание твердости наблюдается при меньших концентрациях алюминия и, кроме того, при низком содержании алюминия твердость образцов после цикли ческой термообработки имеет меньшие значения, чем в литом состоянии. Предел прочности сплавов при ком натной температуре постепенно снижается с увеличе нием содержания алюминия, в то время как удлинение резко падает до низких значений при изменении концен трации алюминия от примерно 2,9 до 3,6% (рис. 10). Такой характер изменения пластических свойств вызы вается увеличением в структуре вначале количества кар-
Рис. |
10. Влияние алюминия |
па |
свойства |
стали ЗХ18Н14: 1 — твер |
||||
дость |
в литом |
состоянии, 2 — после ЦТО; 3 — предел прочности |
при |
|||||
20 СС, |
4 — при |
900 °С; |
5 — относительное |
удлинение при 20 °С, 6 — |
||||
при 900 °С; 7 — ударна;! |
вязкость в литом состоянии, в — после ЦТО; |
|||||||
9 — жаростойкость (увеличение |
массы) при |
1100СС, |
10 — при 900 |
СС; |
||||
11 — термостойкость (число |
циклов до образования |
трещины); 1 |
2 —- |
|||||
необратимый прирост длины после 200 циклов, 13 - - |
после 100 циклов |
бидов, а затем образованием пптерметаллида н сильно легированного феррита.
Резкое падение пластичности при содержании 3— 4% алюминия связано с выпадением большого количест ва интерметаллидной фазы и феррита при этих концен трациях алюминия. Снижение механических свойств при
комнатной температуре |
объясняется также образова |
нием крупнозернистой |
структуры в сплавах с высоким |
содержанием алюминия. |
Циклическая термообработка, |
приводящая к более полному выделению упрочняющих фаз из а- и у-растворов, вызывает резкое возрастание твердости после ЦТО при меньших концентрациях алю миния, чем в литом состоянии. При небольших концен трациях алюминия циклическая термообработка приво
дит лишь к более равновесному состоянию сплавов и в |
|
связи с этим к некоторому |
понижению их твердости. |
При температуре 900 °С |
предел прочности и относи |
тельное удлинение сплавов с увеличением концентрации
алюминия до 4,5% |
практически не изменяются |
и лишь |
||
при более высоком его содержании |
отмечается |
некото |
||
рое снижение указанных характеристик. |
|
|||
Ударная вязкость сплавов |
в |
литом состоянии |
||
(рис 10, кривая 7) |
непрерывно |
понижается с увеличе |
нием содержания алюминия. После ЦТО алюминий оказывает влияние на нее в таком же направлении. По мимо этого, сама циклическая термообработка приводит к значительному снижению ударной вязкости стали (кривая 8). Ударная вязкость образцов после цикличе ской термообработки при содержании алюминия при мерно до 2,5% сохраняется на достаточно высоком уров не, и лишь при дальнейшем увеличении концентрации алюминия отмечается постепенное ее снижение.
Легирование сплавов алюминием повышает их жаро стойкость. Уже при 2% алюминия отмечается резкое па дение увеличения массы при 1100°С (рис. 10, кривая 9). Жаростойкость сплавов при 900°С была высокой. Увели чение массы образцов стали, не содержащей алюминия, при этой температуре составляет менее 0,1 г!м2-ч, а с введением последнего еще несколько снижается.
Термостойкость стали при легировании алюминием изменяется по кривой с максимумом, который распола гается при 4,5% алюминия (кривая 11). Кривые измене ния длины образцов в процессе ЦТО в зависимости от
38