Изменения механических свойств стали

Изменения механических свойств стали и в первую очередь удар-ной вязкости после длительных тепловых выдержек при высоких температурах в значительной мере характеризуют структурные изменения, происходящие в сталях, главным образом в результате диффузионных процессов. Дисперсионные выделения частиц и их последующая коагуляция приводят, как правило, к охрупчиванию материала: увеличению твердости пределов прочности и текучести, снижению ударной вязкости, относительного удлинения и уменьшению площади поперечного сечения. С течением времени в результате коагуляции мелко-дисперсных фаз прочностные свойства могут снова понизиться, а пластические свойства и ударная вязкость остаются без изменения, на низком уровне. Основной причиной этого является ухудшение состояния границ зерен и появление выделений внутри зерна по линиям сдвигов кристаллов, вокруг включений и других дефектных участков металла, поверхность раздела которых является готовой «подкладкой» для выделения и роста новых фаз. Замечено, что коагуляция на границах зерен идет медленно и часто в аустенитных и легированных вольфрамом и молибденом хромистых сталях сопровождается появлением новых фаз, например а-фазы, а-фазы и фазы Лавеса МА (Мв)2

Кроме теплового воздействия, на скорость выделения и коагуляцию дисперсных частиц в сильной мере влияют напряжения, возникающие в материале лопаток и достигающие 6— 10 кГ/мм2.

Процессы упрочнения, связанные с дисперсным выделением частиц и накоплением пластической деформации, и разупрочнения, связанные с коагуляцией, обеднением твердого раствора основными легирующими элементами и рекристаллизацией, чрезвычайно сложны и, непрерывно пакладываясь друг на друга, сказываются на изменении механических свойств.

Предел длительной прочности является одним из основных критериев при оценке пригодности материала для работы при повышенных температурах и особенно при больших напряжениях.

Для транспортных и стационарных установок предел дли-тельной прочности определяют обычно за 10000 и 100000 час.

Приведены данные по длительной прочности ма-териалов для лопаток турбин, используемых в отечественной и зарубежной практике. Данные экстраполированы в логарифмических координатах lga—lgx.

Отечественные стали испытывались на образцах диаметром 10 мм с расчетной длиной 100—150 мм, изготовленных из заготовок, соизмеримых с толщиной лопатки.

Наряду с длительной прочностью для характеристики работы лопаток служит запас пластичности, который выявляется при длительном разрушении. При испытании образцов на длительную прочность пластичность обычно определяют по конечному удлинению при разрушении. При сравнительно низких напряжениях, т. е. при длительных испытаниях, разрушение обычно носит смешанный характер или межкристаллитный.

У сильно стареющих сталей аустенитного класса в момент разрыва часто удлинение составляет 0,5—2%; практически образец разрушается хрупко, что весьма опасно при работе де-тали, особенно такой, как лопатка. Высокохромистые стали для лопаток в этом отношении весьма выгодно отличаются от ряда других материалов. Удлинение при длительном разрыве за 1000—10000 час. у них изменяется в пределах 6—25%, в большинстве случаев сохраняясь на уровне 7—12%. Кривые длительной прочности имеют хорошо развитый третий участок ползучести.

Особенно хорошо это заметно на сталях ЭИ756, ЭИ757, ЭИ802, содержащих вольфрам. Достаточно большое со-противление ползучести очень важно для лопаток, так как ло-патки работают при малых зазорах и деформация их должна быть минимальной.

Одной из важнейших характеристик материалов для лопаток является также способность длительное время выдерживать знакопеременные нагрузки. Легирование твердого раствора упрочняющими элементами значительно увеличивает предел вы-носливости хромистой стали, что видно из сравнения данных по сопротивлению усталости двух сталей: 2X13 и ЭИ757. Испытания проводились на гладких цилиндрических образцах на базе 107 циклов. Предел выносливости при 20 °С у стали 2X13 составляет 37, у стали ЭИ757 50 кГ/мм2. При 550 °С сталь 2X13 имеет предел выносливости 25, а сталь ЭИ757 — 33—34 кГ/мм2.

Сталь ЭИ757 сохраняет при высоких температурах значительную величину модуля упругости (при 600 °С до 75% от модуля при 20 °С), что 10же весьма важно для материалов, при-меняемых при изготовлении лопаток.

Одно из важнейших свойств — коэффициент линейного расширения, предопределяющий надежность сварных соединений в работе у высокохромистых жаропрочных сталей, близок к ко-эффициенту линейного расширения перлитной стали и нихромов и значительно отличается от такового для аустенитных сталей. Наиболее вероятным сочетанием могут быть лопатки из хромистой стали и диск (или ротор) из перлитных или хромистых ста-лей, и такое сварное соединение должно работать достаточно надежно. Это подтверждается и на практике. Сварные соединения у лопаток из опытных 12%-ных хромистых легированных сталей, выполненные электродами близкого химического состава, например ЦЛ-32, оказались вполне прочными и более надежными, чем у сталей того же класса— 1X13 и 2X13, наиболее часто применяемых.