Влияние легирования на жаропрочные свойства стали

Максимальное упрочняющее влияние хрома в молибдено- вольфрамованадиевой стали наблюдается при содержании его около 1%. При более высоком содержании хрома в связи с появлением в структуре стали тригонального карбида Сг?С3 сопротивление ползучести резко уменьшается, достигая минимума примерно при 7% Сг. Дальнейшее увеличение содержания хрома, вызывающее замену карбида Сг7С3 кубическим карбидом Сг2зСе, сопровождается лишь очень небольшим повышением жаропрочности. Поэтому упрочняющие элементы в 12%-ной хромистой жаропрочной стали играют более важную роль, чем в перлитной стали с 1—3% Сг.

Известно, что полуферритные стали, очень пластичные в условиях эксплуатации, имеют высокое значение отношения предела длительной прочности к пределу ползучести. С одной стороны, это хорошо, так как уменьшается опасность неожиданного разрушения детали и тем самым повышается эксплуатационная надежность конструкции из этой стали, но, с другой стороны, относительно низкий предел ползучести является «слабым местом» стали этого класса, так как в условиях энергомашиностроения деформация деталей в процессе эксплуатации строго ограничена и в результате этого как бы не используется весь запас по длительной прочности материала. Отсюда вытекает необходимость повышения сопротивления ползучести 12%- ной хромистой стали и понятен большой интерес исследователей к данным о влиянии легирующих элементов на скорость пластической деформации. В литературе имеется очень мало данных о стабильности сталей этого класса в условиях длительной работы в интервале температур 460—600 °С и напряжений 15 — 6 кГ/мм2.

Проведенные авторами работы позволили получить довольно большой материал по влиянию легирующих элементов на ползучесть хромистой нержавеющей стали полуферритного класса при температуре 550—600 °С.

Испытания проводились методом кольцевого образца равно-го сопротивления, предложенным И. А. Одингом, позволяющим испытывать одновременно 20 образцов в одной печи при одинаковых условиях с замером деформации по ходу процесса. Длительность испытаний была не менее 1000 час., а для сталей с вольфрамом и ниобием — до 10000 час.

влияние легирующих элементов

сравнивались скорости ползучести в одном интервале времени

При анализе влияния легирующих элементов сравнивались скорости ползучести в одном интервале времени (600— 76 1000 час.). Первичные кривые ползучести 12%-ных хромистых сталей, легированных различным количеством вольфрама и ниобия. Разброс данных на параллельных образцах относительно невелик. На основании результатов обработки первичных кривых построены графики зависимости скорости ползучести от содержания легирующих элементов. Сопротивление ползучести при 550°—630 °С стали, содержащей только хром и молибден, очень мало. При легировании этой ста-ли небольшим количеством ванадия (до 0,28%) скорость ползучести уменьшается, т. е. повышается сопротивление ползучести.

Относительная эффективность небольших присадок ванадия сохраняется на протяжении всего исследованного интервала температур. Однако при увеличении содержания ванадия наступает быстрое разупрочнение стали, причем при более высоких температурах интенсивность этого процесса сильно возрастает.

Учитывая положительное влияние небольших присадок ванадия на сопротивление ползучести стали при всех исследованных температурах, этот элемент в пределах 0,2—0,3% вводили во все плавки при исследовании влияния других элементов.

При изыскании 12%-ной хромистой стали для деталей с рабочей температурой до 550—560 °С А. И. Чижик и Е. А. Хейн также пришли к выводу, что легирование молибденом или вольфрамом совместно с ванадием, который вводили в количестве 0,30%, более эффективно повышает жаропрочные свойства этой стали при 550 °С, чем легирование тем же количеством молибдена или вольфрама без ванадия; жаропрочные свойства при более высоких температурах не исследовались.

Ниобий в количестве до 0,15% при 550 °С не оказывает за-метного влияния на скорость ползучести стали; при .дальнейшем увеличении содержания ниобия до 0,71% сопротивление ползучести стали непрерывно возрастает. При темпера-туре испытания 600 °С наиболее резкое повышение сопротивления ползучести получено при введении всего 0,15% Nb. Увеличение содержания ниобия до 0,45% не приводит к существенному улучшению свойств стали и только легирование большим количеством (до 0,71%) несколько повышает сопротивление ползучести.

Эффективность небольших присадок ниобия

сопротивление ползучести стали резко снижается

Эффективность небольших присадок ниобия (до 0,15%) больше при 630 °С (по сравнению с 600 °С). При 630 °С минимальной скоростью ползучести обладает сплав с 0,45% Nb. При большем содержании ниобия (0,71%) сопротивление ползучести стали резко снижается. Таким образом, наибольшее сопротивление ползучести стали в исследуемом интервале температур наблюдается при содержании ниобия в пределах 0,2—0.4%.

Влияние титана также зависит от температуры испытания. При 550 °С только небольшие присадки титана оказываются полезными и несколько понижают скорость ползучести стали. Более высокое содержание этого элемента приводит к резкому ухудшению свойств стали. Следовательно, при этой температуре титан мало эффективен, однако при более высоких температурах характер влияния титана резко изменяется. При 600 °С уже не наблюдается уменьшения сопротивления ползучести при увеличении содержания титана в стали до 0,55%. При 630 °С* и сравнительно низком напряжении (4 кГ/мм2) максимальное упрочнение стали достигается при наибольшем содержании титана 0,55%, причем уменьшение скорости ползучести составляет целый порядок.

Вывод авторов исследования о том, что введение ниобия и титана в 12%-ную хромистую сталь ухудшает жаропрочность, экспериментально подтверждается только при сравнительно низ ких температурах и высоких напряжениях. Стали, легированные титаном в исследованных пределах в интервале температур 550—600 °С, обладают сравнительно низким сопротивлением ползучести и не могут быть рекомендованы в качестве материала для лопаток или других деталей паровых турбин с высокими рабочими напряжениями (диски, ротор и др.).

Из всех исследуемых элементов наиболее слабым карбидо- образователем является вольфрам. Его вводили в сталь для максимального упрочнения твердого раствора феррита. Влияние вольфрама на сопротивление ползучести стали также зависит от температуры.

Наибольший эффект упрочнения

в результате легирования стали этим элементом

Наибольший эффект упрочнения в результате легирования стали этим элементом наблюдается при 600 °С. При введении 0,32% W скорость ползучести понижается на целый порядок. Увеличение содержания вольфрама до 3,9% приводит к дальнейшему уменьшению скорости ползучести.

Влияние вольфрама при 550 °С значительно слабее, причем изменение содержания этого элемента в пределах от 0,32 до 3,9% не влияет на сопротивление ползучести стали. При 630 °С вольфрам повышает сопротивление ползучести стали только при содержании его более 1,15%. В присутствии ниобия (около 0,4%) влияние вольфрама на сопротивление ползучести стали выражено в меньшей степени.

При 565 °С влияние вольфрама на сопротивление ползучести стали практически отсутствует, а при 600 °С лучшими свойствами обладает сталь, содержащая 3,4% W.

Для получения более полных данных об эффективности одновременного упрочнения феррита вольфрамом и ниобием определен условный предел ползучести сталей с различным содержанием вольфрама при скорости деформации 1 X 10_5%/час. Полученные данные подтверждают, что существенное упрочнение 12%-ной хромистой стали при наличии в ней ниобия (— 0,4%) достигается только при введении значительного количества вольфрама небольшие присадки вольфрама даже несколько снижают предел ползучести.

При оценке жаропрочных свойств исследуемых сталей сле-дует учитывать характер изменения скорости деформации в ус-ловиях длительных испытаний. По первичным кривым ползучести видно, что у большинства сплавов при 600 °С равномерная скорость деформации сохраняется в течение дли-тельного времени (II участок кривой), что свидетельствует о достаточной стабильности свойств. Однако такая температура для этого класса сталей, по-видимому, близка к предельно допустимой. В некоторых сплавах после нескольких тысяч часов испытания резко увеличивается скорость ползучести и кривая деформации поднимается резко вверх, что связано с нарушением стабильности структуры. Увеличение скорости ползучести наблюдается при содержании в стали 0,7Ь°/0 Nb и 1,15% W.