Влияние легирующих элементов на жаропрочные свойства перлитной стали

Для изготовления деталей современных энергетических агрегатов на параметр пара 540—565°С применяют малолегированные дешевые хромомолибденованадиевые стали перлитного класса. За последние 5—8 лет советскими исследователями разработано несколько вариантов теплоустойчивых перлитных сталей, удовлетворяющих требованиям современного энергетического машиностроения. В настоящее время для изготовления литых и кованых деталей турбин, работающих при 540—565 °С, применяют стали, химический состав.

При длительной эксплуатации жаропрочные свойства указанных сталей будут зависеть от исходной структуры и ее стабильности. Поэтому весьма желательно применять теплоустойчивые стали со структурой, приближающейся к равновесному состоянию.

Повышение сопротивления ползучести металлов и сплавов достигается созданием в результате термической или термомеханической обработок и легирования препятствии для прохождения элементарных актов пластической деформации, т. е. для движения дислокаций. При термической и особенно при термомеханической обработках увеличивается степень разориентировки между соседними областями кристалла и, следовательно, затрудняется движение дислокаций на границе микро- или субмикрообластей зерна. Высокотемпературная термомехаиическая обработка (ВТМО), проводимая со скоростью, обеспечивающей подавление процесса рекристаллизации, позволяет при охлаждении после пластической деформации фиксировать развитую полигональную субструктуру в объеме зерен. Получение тонкой структуры зерна с большой степенью разориентировки между соседними областями зерна является одним из эффективных путей повышения жаропрочных свойств. Однако применение термической, термомеханической и других видов обработок, приводящих к повышению жаропрочных свойств за счет структурных нарушений в объеме зерна, не обеспечивает существенных пре-имуществ при весьма длительных сроках эксплуатации. Использование указанных методов для литых деталей ограничивается технологическими условиями обработки литья (термомеханическая) и масштабным фактором (термическая).

Повышение жаропрочных свойств металла

литых деталей может быть получено при определенном легировании

Повышение жаропрочных свойств металла литых деталей может быть получено при определенном легировании, в результате которого достигаются достаточно устойчивые нарушения правильной периодичности строения решетки не на границе микро- или субмикрообластей, а внутри этих областей. Нарушения, вызываемые наличием атомов легирующих элементов, оказывают большое влияние на сопротивление движению дислокаций. Эффективными методами повышения жаропрочных свойств литых сталей перлитного класса являются оптимальное легирование, термическая обработка и технология выплавки, обеспечивающие наименьшее содержание легкоплавких примесей. Для правильного выбора легирования сталей перлитного класса очень важно знать влияние легирующих элементов на механические свойства а-феррита при нормальной и повышенных температурах.

Согласно исследованиям. легирующие элементы по влиянию на прочность а-феррита при 20°С можно расположить в следующий ряд: С, Mn, Si, V, Nb, Mo, Сг, W, Ni, Ti . Больший эффект упрочнения достигается при легировании феррита элементами, имеющими различный атомный радиус и другую решетку. При 500—650 °С влияние легирующих элементов на прочность феррита существенно изменяется: при указанных температурах наиболее упрочняют феррит молибден, ванадий, хром, титан, вольфрам, имеющие объемноцентрированную кубическую решетку.

Кремний незначительно упрочняет феррит при 650°С, а никель и алюминий, имеющие гранецентрированную решетку, практически его не упрочняют.

прочности феррита

повышение длительной прочности феррита легирующие элементы

По эффекту влияния на повышение длительной прочности феррита легирующие элементы можно расположить в следующем порядке: Mo, V, Nb, Сг, W, Si,Ni, Со; кремний, никель и особенно кобальт повышают длительную прочность феррита незначительно.

Относительное удлинение и сужение феррита, легированного * хромом, ванадием, молибденом, ниобием, вольфрамом, титаном и никелем в количестве до 1% (ат.), практически не изменяются при нормальной и повышенной температурах.

Углерод и кремний при содержании последнего свыше 2% (ат.) значительно понижают характеристики пластичности а-феррита.

Углерод при содержании более 0,2% (ат.), а также кремний и марганец в количествах свыше 1,5% (ат.) понижают ударную вязкость феррита при 20 °С и при повышенных температурах испытания. Ударную вязкость феррита повышают молибден и вольфрам при содержании их свыше 4% (ат.); ванадий, ниобий и титан — при содержании до 1% (ат.).

Имеющиеся данные о влиянии основных легирующих элементов на жаропрочные свойства а-феррита и перлитных хромо-молибденованадиевых сталей указывают на принципиальную их идентичность.