Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

Аустенитные стали

Это наиболее важный класс коррозионно-стойких сталей по масштабам использования и универсальности применения. По химическому составу эти стали разделяют на хромоникелевые и хромомарганцевые стали (табл. 15.1).

Преимуществами аустенитных сталей кроме коррозионной стойкости являются высокая пластичность и вязкость. Изделия, включая тонкую ленту и фольгу, легко получают всеми способами пластического деформирования; стали имеют хороший комплекс литейных свойств и свариваемость. Исключением является обработка резанием — стали обрабатываются хуже углеродистых и низколегированных из-за высокой пластичности и упрочнения при резании. Сталь 12Х18Н10Е с добавкой 0,18 - 0,36 % Se является автоматной.

К недостаткам аустенитных сталей относят низкие значения предела текучести, а также подверженность опасным видам местной коррозии — коррозионному растрескиванию и МКК.

Структура аустенита обеспечивается при определенном соотношении между феррито- и аустенитообразующими элементами. Так, у хромоникелевых сталей достаточно иметь 9 - 11 % Ni при 17 - 19% Сг; у хромомарганцевых сталей из-за пониженной аустенитообразующей активности марганца необходимо дополнительное легирование никелем (до 4 - 5 %) и азотом (до 0,5 %) или одновременно обоими элементами при увеличении содержания хрома до 20 %.

Аустенитно-ферритные стали

Эти стали (078Х22Н6Т, 08Х21Н6М5Т, 08Х18Г8Н2Т) имеют оптимальный комплекс свойств при практически равном содержании аустенита и феррита, которое обеспечивается закалкой с 1000.. .1100° С. Эти стали дешевле аустенитных, так как содержат меньше никеля, прочнее их в 1,5-2

раза и имеют почти такое же сопротивление коррозии, как сталь 12Х18Н10Т. Во избежание МКК эти стали стабилизируют титаном. Изделия из аустенитно-ферритных сталей рекомендуется эксплуатировать при температурах не выше 350 ° С во избежание охрупчивания из-за структурных изменений.

Аустенитяо-мартенситные стали

По сравнению с аустенитными эти стали (07Х16Н6; 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5МЗ) имеют высокую прочность, которая достигается сложной термической обработкой, включающей закалку для получения аустенита, обработку холодом при — 70 ° С для превращения аустенита в мартенсит и старения мартенсита при 350 — 500° С. Обработка холодом может быть заменена пластическим деформированием, во время которого значительная часть аустенита превращается в мартенсит. Химический состав сталей отличается малым содержанием углерода (< 0,1 %), пониженным количеством никеля (5 - 8 %) и добавками Al, Ti, Сu, Мо для упрочнения мартенсита при старении. При 70 - 90 % (об.) мартенсита стали имеют σ0,2 = 700 ... 1000 МПа, σB= 1100 . .. 1400 МПа. При таком уровне прочности эти стали особенно склонны к коррозионному растрескиванию. Для защиты от этого вида коррозии старение рекомендуется прервать на стадии образования зон Г - П, не достигая максимума прочности. Особенностью этих сталей является стабилизация аустенита закаленной стали в течение нескольких часов при -20... + 100 ° С. После стабилизации при обработке холодом образуется меньше мартенсита. Чем больше непревращенного аустенита содержится в аустенитно-мартенситных сталях, тем выше их ударная вязкость.

Ферритные стали

Эти стали (08X13,12X17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28) не имеют фазового превращения γ↔α и не упрочняются термической обработкой. Они содержат 0,08 - 0,15 % С и 13 - 30 % Сr (табл. 15.2). Чем больше хрома в стали, тем выше ее сопротивление коррозии. Так, стали, содержащие 25 - 28 % Сr, коррозионно-стойки в кипящих растворах 40 %-й и более HNO3. Стали с концентрацией хрома 25 - 28 % в горячих растворах щелочей имеют лучшую стойкость, чем стали типа 12Х18Н10Т. После отжига они характеризуются

умеренной прочностью и пластичностью (σB = 400 .. .500 МПа, σ0,2 = 250 ..

.300 МПа, δ = 12... 20%), уступая аустенитным сталям по комплексу механических свойств и превосходя их только по сопротивлению коррозионному растрескиванию.

По техническим свойствам ферритные стали хуже аустенитных. Главный их недостаток — резкое охрупчивание после нагрева выше 1000 - 1100° С. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичного уменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750 - 800 ° С. По завершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допустить охрупчивание.

Мартенситиые стали

Эти стали (20X13, 30X13, 40X13, 20Х17Н2, 95X18) используют для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей и т.д. Структура отожженных сталей представляет собой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеют удовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока (для 30X13 и 40X13 σB = 500 .. .540 МПа). Прочность увеличивается после закалки и отпуска.

ЖАРОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционные металлические материалы в процессе обработки и эксплуатации при нагреве в коррозионно-активных средах подвергаются химической коррозии и разрушению.

ХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

Химическая коррозия развивается в сухих газах или жидких неэлектролитах. В большинстве случаев это кислородсодержащие газы: сухой воздух, углекислый газ, сухой водяной пар и чистый кислород. Известны также сернистая и сероводородная коррозии.

Движущей силой химической коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов в газовых средах при определенных давлении, температуре, активности газовой среды.

Способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах называют жаростойкостью.

Чаще всего поверхность металла окисляется. При невысоких температурах (около 20 - 25 ° С) на поверхности металла образуются тонкие оксидные пленки, называемые природными. Несмотря на малую толщину (3 - 10 нм), они обладают очень хорошими защитными свойствами. Эти невидимые глазом плотные пленки покрывают поверхность металла сплошным слоем. Кристаллическая решетка таких оксидов подобна решетке металла. Однако большинство РЗМ окисляется при 20 — 25 ° С целиком, и природные оксидные пленки эти металлы от окисления не защищают.

При нагреве растет толщина оксида и изменяется его кристаллическая структура: решетка оксида, по мере удаления от поверхности металла все больше приближается к решетке компактного оксида. Защитные свойства толстых оксидных пленок, образующихся при высоких температурах, определяются способностью оксидного слоя целиком покрывать поверхность металла и проницаемостью самого оксида для ионов металла и кислорода.

ЖАРОПРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

КРИТЕРИИ ЖАРОПРОЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению, когда рабочие температуры

деталей превышают 0,3 tпл. Многие детали современных паросиловых установок, металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других машин нагреваются до высоких температур и несут большие нагрузки.

Решающее значение при выборе материала имеют температура, длительность работы под нагрузкой и действующие напряжения.

Нагрев ослабляет межатомные связи, при высоких температурах уменьшаются модули упругости, временное сопротивление, предел текучести, твердость. Чем ниже tпл основы сплава, тем ниже оказываются его допустимые рабочие температуры.

При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации напряжений.

ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ ЖАРОПРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали используют при 450-700 ° С; по масштабам применения они занимают ведущее место среди жаропрочных материалов. Ниже 450 ° С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет необходимости заменять их жаропрочными.

Жаропрочные сплавы на основе алюминия, магния и титана легче сталей, однако они менее жаропрочны. Используют их при следующих температурах сплавы алюминия до 300 - 350 ° С (исключением являются сплавы САП, которые можно применять до 500 — 550° С); сплавы магния до 300 — 350 ° С; сплавы титана до 500 - 600 ° С. Указанные сплавы, несмотря на более высокую стоимость, применяют там, где из-за повышенных эксплуатационных температур невозможно использовать обычные сплавы этих металлов и нельзя применять стали из-за более высокой плотности.

Сплавы на основе никеля или кобальта жаропрочнее сталей. Первые применяют при 700 - 1000 ° С, а вторые не получили широкого распространения из-за дефицитности.

Тугоплавкие металлы и их сплавы, керамика на основе SiC и Si3N4, графит — это материалы с высокой жаропрочностью, применяемые при температуре выше 1000° С.

Перлитные стали

Перлитные стали предназначены для длительной эксплуатации при 450 - 580 ° С; используют их главным образом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1 % за 104 или 105 ч. Жаропрочность перлитных сталей обеспечивается выбором рационального химического состава и полученной в результате термической обработки структуры легированного феррита с равномерно распределенными в нем частицами карбидов.

Перлитные жаропрочные стали являются низкоуглеродистыми, со-

держат от 0,08 до 0,15 % С (иногда концентрацию углерода повышают до 0,2 - 0,3 %) и не более 2 - 3 % карбидообразующих элементов, из которых самые важные — Мо, Сr и V (табл. 15.7) (12Х1МФ, 25Х2М1Ф).

Перлитные стали пластичны в холодном состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. По теплопроводности и тепловому расширению они близки к обычным конструкционным сталям.

Стали, содержащие 0,12 - 0,15 % С, используют в паросиловых установках для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей, температура эксплуатации которых не превышает 570 — 580° С.

Перлитные стали с повышенным содержанием углерода (0,25 -0,30 %) по жаропрочности уступают перлитным сталям, содержащим 0,12-0,15%,и поэтому для них установлены максимальные температуры длительной эксплуатации, равные 525 - 565 ° С. Из этих сталей изготовляют валы и цельнокованые роторы стационарных и транспортных паровых турбин, плоские пружины и крепежные детали. Перлитные стали широко применяют благодаря невысокой стоимости, технологичности и удовлетворительной жаропрочности.

Мартенситные стали

Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при 450 - 600 ° С; от перлитных они отличаются повышенной стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. По своей жаропрочности эти стали немного превосходят перлитные. Критерий жаропрочности мартенситных сталей — предел ползучести с допустимой деформацией 0,1 % за 104 ч или 1 % за 105 ч.

Различают две группы мартенситных сталей:

1)стали с содержанием хрома 10 - 12 %, добавками Mo, V, Nb, W и низким (0,10-0,15%) содержанием углерода;

2)сильхромы с содержанием хрома 5-10%, добавками кремния в количестве до 2 - 3 % и повышенным содержанием углерода (до 0,4 %).

Стали первой группы используют в термически обработанном состоянии.

Стали второй группы — сильхромы — характеризуются повышенной жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Аустенитные стали

Аустенитные стали по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали, используют их при температурах выше 600 ° С. Основные легирующие элементы — хром и никель. Соотношение между ними и железом выбирают таким, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Иногда никель заменяют другими аустенитообразующими элементами — марганцем, азотом. Ферритообразующие элементы Mo, Nb, Ti, Al, W и другие вводят в стали для повышения жаропрочности; они образуют карбиды или промежуточные

фазы. Аустенитные стали содержат, как правило, ~ 0,1 % С и лишь иногда до

0,4% С.

Аустенитные жаропрочные стали подразделяют на три группы:

1)однофазные стали, не упрочняемые термической обработкой;

2)стали с карбидным упрочнением;

3)стали с интерметаллидным упрочнением.

Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбонитридов титана или ниобия (для предупреждения межкристаллитной коррозии). Такая структура получается после закалки от 1020 - 1100° С. Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, 12Х18Н10Т).

Аустенитные стали с карбидным упрочнением обычно содержат несколько карбидообразующих элементов: W, Mo, Ti, Nb, V, а также В — для обеспечения наивысшей жаропрочности. Из-за высокого содержания ферритообразующих элементов содержание никеля повышают до 14 %. Оптимальная структура получается после закалки от 1100 — 1150 ° С и старения полученного аустенита при 700 — 800 ° С для выделения карбидов.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением — самые жаропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Сr, Mo, W, добавки Al, Ti, Nb и Та служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа Ni3Аl. Их упрочняют закалкой и старением. Например, сталь 10Х11Н20ТЗР закаливают от 1100 - 1170° С и старят при 700 - 750 ° С в течение 15 - 25 ч.

Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием.

Жаропрочные никелевые сплавы

Жаропрочные никелевые сплавы содержат, как правило, 10 - 12 % Сr и такие элементы, как W, Mo, V, Со, Al, Ti, В и др.

Mo, W, Со, Сr упрочняют матричный твердый раствор на основе никеля; Аl и Ti вместе с Ni образуют метастабильную γ,-фазу с такой же структурой, как и матричный раствор (ГЦК); углерод в количестве до 0,1 - 0,15 % формирует дисперсные карбиды на границах зерен.

Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности. Помимо основного назначения — изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для производства штампов и матриц горячего деформирования металлов. Их используют при температурах от 750 ° С, но не выше 950 - 1000° С. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около 10% Сr, недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности алитированием и хромоалитированием. Жаропрочные никелевые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, они имеют низкую теплопроводность и значительное

тепловое расширение.

Тугоплавкие металлы и сплавы

К тугоплавким относят металлы, у которых температура плавления превышает 1700° С. Наибольшее применение получили металлы VA подгруппы — V, Nb, Та и металлы VIA подгруппы — Сr, Mo, W. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью. Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость — большой недостаток тугоплавких металлов.

По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное, оборудование.

Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: 1) сплавы со структурой твердого раствора; 2) сплавы, упрочняемые закалкой и старением.

Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (Ti, Zr, Nb, Mo, W, Та, Re) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.

Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома — наименее жаропрочны, тем не менее при 800 — 1000 ° С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до

1000 - 1100 ° С.

Сплавы на основе ниобия пригодны для использования до 1300 ° С, а при кратковременной эксплуатации выдерживают температуры до 1500° С. Их достоинство — небольшая плотность.

МАТЕРИАЛЫ С ОСОБЫМИ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

Материалы в магнитном поле намагничиваются. Намагничивание связано с наличием у атомов (ионов) собственного магнитного поля, которое и определяет степень намагниченности материала. Магнитный момент атома

является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. При наложении внешнего магнитного поля векторы ориентируются вдоль поля. Орбитальный момент при этом уменьшается, так как в атоме индуцируется добавочный момент, направленный против поля,

— диамагнитный эффект. Наличие некомпенсированных спинов электронов, наоборот, усиливает намагниченность атома — парамагнитный эффект. В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами и в результате преобладает тот или иной эффект.

Диамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает диамагнитный эффект. Это металлы Сu, Ag, Аu, Be, Zn, полупроводники Ge и Si, сверхпроводники. Они слабо намагничиваются в направлении, противоположном направлению магнитного поля.

Парамагнетиками называют кристаллы, в которых преобладает парамагнитный эффект. Это Pt, Al, Mg, Ti, Zr и тугоплавкие металлы. Они намагничиваются также слабо, но в направлении намагничивающего поля.

Особую группу составляют ферромагнетики, обладающие большим собственным магнитным полем и способные создавать при намагничивании большие магнитные поля. Ими являются металлы Fe, Ni, Со, многие редкоземельные металлы, а также химические соединения в сплавах. Ферромагнетизм — результат обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией. При положительном значении этой энергии более выгодным у атомов кристалла становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов; при отрицательном — антипараллельная. Значение и знак обменной энергии зависят от отношения периметра кристаллической решетки а к диаметру d незаполненного электронного подуровня. Согласно квантовой теории все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов.

МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитомягкие материалы намагничиваются в слабых магнитных полях (H ≤ 5 • 10 4 А/м) вследствие большой магнитной проницаемости ( µ,H ≤ 70 ·103 и µ,max ≤ 240 • 10 3) и малых потерь на перемагничивание.

Такие материалы применяют для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин.

При перемагничивании ферромагнетиков в магнитном поле возникает несколько видов энергетических потерь. Потери на гистерезис или перемагничивание для магнитомягких материалов невелики, в отличие от тепловых удельных потерь, связанных с возникновением токов Фуко.

При заданной напряженности магнитного поля H тепловые потери

растут пропорционально квадратам амплитуды магнитной продукции Вт, частоты магнитного поля f, толщины сердечника d и обратно пропорционально удельному электрическому сопротивлению ρ.

В переменных полях появляется еще один вид потерь, как результат сдвига по фазе индукции В и напряженности поля H. В таком поле магнитная проницаемость выражается комплексным числом

µ = µ1+ iµ2.

(16.2)

Потери энергии характеризует tgδ = µ2/ µ1. С ростом частоты поля µ1 снижается интенсивнее, чем растет µ2.

Тепловые потери и значение tgδ определяют допустимые рабочие частоты, поэтому магнитомягкие материалы подразделяют на низко- и высокочастотные.

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Низкочастотные магнитомягкие материалы в свою очередь подразделяют на низкочастотные с высокой индукцией насыщения Bs и низкочастотные с высокой магнитной проницаемостью µ (начальной µ н и максимальной µmax ).

Материалы с высокой индукцией насыщения

К этим материалам прежде всего относят железо, нелегированные и легированные электротехнические стали. Благодаря большой магнитной индукции (Bs < 2,15 Тл), малой коэрцитивной силе (Нс < 100 А/м), достаточно высокой магнитной проницаемости (µ,max ≤ 63 • 10 3) и хорошей технологичности их применяют в электротехнике для магнитных полей напряженностью от 102 до 5 • 10 4 А/м.

Карбонильное и электролитическое железо из-за сложной технологии используют только в изделиях небольших размеров.

Нелегированные электротехнические стали изготовляют теми же металлургическими способами, что и технически чистое железо; содержание углерода и примесей в них допускается в тех же количествах. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает стали различного сортамента, в том числе тонкий лист (табл. 16.2).

Первая цифра в марке стали указывает способ изготовления: 1 — горячекатаная сталь, 2 — холоднокатаная изотропная; вторая — тип по содержанию кремния (0 - < 0,03 %); третья — определяет основное свойство, которое гарантирует завод-изготовитель, например, цифра 8 обозначает коэрцитивную силу #с, а две последние цифры — значение Нс (в А/м).

Нелегированную сталь применяют в электротехнической промышленности. Однако низкое удельное электрическое сопротивление (р < < 0,1 мкОм • м) увеличивает тепловые потери при перемагничивании, а это ограничивает ее применение устройствами с постоянным магнитным полем.

Магнитные свойства легированной электротехнической стали приведены в табл. 16.3.

Первая цифра в марке определяет вид проката и структуру: 1 — горячекатаная изотропная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная с кристаллографической текстурой направления

[100]; вторая — процентное содержание Si: 0- < 0,4%, 1 - 0,4 - 0,8 %, 2- > 0,8- 1,8 %,3- > 1,8-2,8 %,4- > 2,8-3,8 %, 5-3,8-4,8 %; третья — потери на гистерезис и тепловые потери при определенном значении В и f (например, 1