1. Гомогенные стали

К этой группе относятся главным образом низкоуглеродис­тые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими у-твердый раствор. Их жаро­прочность обеспечивается в основном растворенными в твер­дом растворе легирующими элементами. Термин «гомоген­ные стали» следует понимать условно, так как в структуре этих сталей обычно присутствует некоторое количество кар­бидов и карбонитридов титана или ниобия.

Гомогенные аустенитные стали используются преиму­щественно в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов, арматуры установок сверхвысоких параметров и рассчитаны на длительную (до IO5 ч) службу при 650—700°С.

При легировании этих сталей стремятся получить мак­симально стабильную аустенитную структуру, избежать, или замедлить выделение вторых фаз (карбиды, карбонит – риды, фазы Лавеса, а-фазы и др.), что позволяет иметь не­обходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации. Важно для этих ста­лей обеспечить также высокие технологические свойства, такие как способность к горячей пластической деформа­ции, прошиваемость при изготовлении цельнотянутых труб, свариваемость и др. Эти цели достигаются повышен­ным содержанием никеля (отношение Ni/Cr>l), что при­дает стали глубоко стабильную аустенитную структуру.

OOiOOO —-а- сч оо

I, . о о

M I 22 г:

О о со сч

1 I, OO CD К 1 1 1 (М —

ООО

IOtDlO

-а-СО —

OOiO CS сч – а – (М —,

ООЙООЙ ою? ююй

CDCO CD TTcn

8 ю S S ю

OtDKKS

888 CD CD OO

888

CDSOO

Iliili

I I

G60—16 790

800—16

740—16 780—25

СО

IO

T

I

I

• I

Сч

—’

02

CD

I

T

I

"•с*

—*

О_

О"

О"

ХЭ стГ— 9 I

S-IIlJ

~ к сч – I О

Ttl

V/

S1 с о л >

З s^S

О vO vOtfS _ •»» в\ О4» LiJ

I

О

СО

6 о.

00 I

I

CD

I

CD

I ю

Ю –

I

-СО

I

•—I —,

-с*

*—

—1

"jjI

"jI

О"

I

О"

I

I

I

00

СО,

CO1

О"

О"

OfD

00,—, Ii

N – Я5

CO.^-

Си

Со {-

О

CN –

O

S

CN ©

U.

X Ж

SS

О Л

4T w

И о

А

2

S-

S

Ю со X

Я

Оо о

О.

H

H

CQ

CN

•*<

CS

X ¦

I

OO

Ю

X

X

О

OO

О

Низким содержанием углерода (в пределах 0,06—0,012%) и повышенным отношением Ti, Nb/C>10, что обеспечива­ет в исходном состоянии присутствие карбидов NbC, TiC и карбонитридов Nb, Ti (С, N), которые препятствуют обра­зованию при эксплуатации карбидных фаз типа Ме23Сб. Повышенная жаропрочность таких сталей объясняется вы­сокой легированностью у-твердого раствора такими элемен­тами, как вольфрам (до 2—3%), молибден (до 2,5%). На­личие стабильных карбонитридных фаз и высоколегирован­ного аустенита обусловливает высокие температуры рекристаллизации сталей этого типа. Так, для стали 1Х14Н18В2БР1 температура начала рекристаллизации (при деформации порядка 20%) лежит при 900°С, а кон­ца—при 1075°С.

Многими исследователями также отмечается положительное влия­ние бора и редкоземельных металлов (р. з. м.) на жаропрочность ста­лей этого типа. Бор, церий и другие редкоземельные элементы являют­ся сильными раскнслнтелямн, поэтому в нх присутствии уменьшается содержание газов н неметаллических включений в сталях, что повышает нх качество. Влияние малых добавок р. з. м. и бора на сопротивление ползучести также связывают с их горофнльностью, т. е. способностью адсорбироваться по границам зерен (В. И. Архаров), что затрудняет зернограннчную диффузию и упрочняет границы. Кроме то­го, бор образует в сталях сложные бориды типа Afe3B2 н Ale2B (напри­мер, (Cr, W, №)гВ), которые обладают высокими температурами плав­ления (например, для Cr2B температура плавления 1850 0C). Важно от­метить, что зависимость длительной прочности от содержания бора имеет экстремальный характер (см. рнс. 181). По-видимому это свя­зано с тем, что при высоком содержании бора (>0,3 %) в большом количестве образуются крупные борнды, которые обедняют твердый раствор ниобием, вольфрамом, хромом и другими элементами. Кроме то­го, бор обладает увеличенной склонностью к лнквацнн и образованию боридных эвтектнк, а в сталях, подвергнутых прокатке, способствует образованию строчечной структуры, что отрицательно сказывается на нх пластических н жаропрочных свойствах.

Таким образом, мнкролегированне аустеннтных сталей бором и р. з. м. оказывает положительное влияние на жаропрочность н пластич­ность как вследствие рафинирующего действия прн выплавке, так "и упрочнения границ зерен благодаря их горофильности.

В процессе длительной работы после 1—2-IO5 ч в этих сталях наблюдали выделения вторичных фаз (например, фазы Лавеса типа Fe2Mo, Fe2W), коагуляцию карбидных фаз и в некоторых сталях выделения в небольших коли­чествах (1—2%) интерметаллндов типа NiaTi. Эти измене­ния протекают очень медленно и незначительно влияют на пластичность и жаропрочность сталей.

Стали этого типа имеют высокую релаксационную стой­кость при длительной эксплуатации и их используют для изготовления крепежных деталей. Важное значение в обе­спечении высокого уровня жаропрочности аустенитные сталей этого типа имеет величина зерна: при испытаниях сталей выше 600 0C длительная прочность и сопротивление ползучести у крупнозернистых сталей выше, чем у мелкозер­нистых (рис. 188), при этом чем выше температура испы­таний, тем больше выигрыш в длительной прочности

8-7 Orf 4 3 2 Размер зерна, баллы

Рис. 188. Влияние размера зерна на скорость ползучести t>n;

,30 МПа, 800"С 60 МПа, 7О0°С

Юомпа, боо°с

9-Ю 8-7 7-В 4-5 3-2 Размер зерна, баллы

А —стали 10X18H12T (И. Р. Кря – нии); б —стали 10X14H14B2M (Е. Морлэ, М. Маркович, А. Гор – бодей)

У крупнозернистых сталей. Отметим, что одновременно сни­жается пластичность сталей.

Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей состоит из закалки (аустенитизации) от высоких темпера­тур (1050—1200 °С) или аустенитизации и стабилизирую­щего отпуска (700—750 °С) и преследует цель получить бо­лее однородный у-твердый раствор, заданную величину зер­на (балл 3—6) и стабильную структуру, а также снять на­пряжения, которые могут возникнуть в процессе изготов­ления деталей.

Следует отметить, что улучшение служебных характе­ристик и удешевление сталей этого типа обычно связывают со следующими направлениями исследований: оптимизация состава сталей, в частности частичная замена никеля мар­ганцем и азотом, использование сталей в наклепанном со­стоянии (холодная деформация или термомеханическая обработка), особенно при рабочих температурах, более низких, чем температура рекристаллизации; более широ­кое использование микролегирования сталей бором, р. з. м.; усовершенствование технологии выплавки, обработки дав­лением и режима термической обработки.

2. Стали с карбидным упрочнением

Стали с карбидным упрочнением предназначены для рабо­ты при температурах 650—750 °С и довольно высоких уров­нях напряжений. Их используют для изготовления ответст­венных деталей энергомашиностроения (диски и лопатки турбин, крепежные детали и др.).

Основу сталей с карбидным упрочнением составляют Cr—Ni или Cr—Ni—Mn аустенит, содержащий 0,25—0,5% углерода. v

Марганец, как и никель, расширяет у-область в сплавах на основе железа и в многокомпонентных системах, кото­рыми являются жаропрочные аустенитные стали. Он так­же выступает в качестве аналога никеля. Это позволяет частично заменить никель менее дефицитным марганцем, причем установлено, что присутствие марганца способству­ет некоторому повышению жаропрочности сталей. Однако стали с полной заменой никеля марганцем, т. е. на основе Cr—Mn-аустенита, не нашли широкого применения в ка­честве жаропрочных материалов в связи с их недостаточ­ной жаростойкостью и низкой температурой плавления, так как приходится снижать содержание хрома в сталях для обеспечения аустенитной структуры.

Карбидообразующие элементы V, Nb, W, Mo связывают часть углерода в специальные карбиды, а также упрочня­ют аустенитную матрицу.

Упрочняющими карбидными фазами в аустенитных ста­лях в основном являются карбиды ванадия и ниобия (VC, NbC), а также карбиды хрома (типа Me23C6 и Me7C3). По­следние обычно растворяют в себе другие элементы (Fe, W, Mo и др.), поэтому состав этих карбидов изменяется в зависимости от легирования стали и режима термической обработки.

Карбиды ванадия выделяются при старении в высоко­дисперсном состоянии и обеспечивают значительную долю упрочнения этих сталей.

Специальные карбиды типа MeС в процессах старения практически не участвуют, так как имеют высокие темпе­ратуры растворения при аустенитизации, карбиды и карбо – нитриды ниобия начинают растворяться только после на­грева выше 1250°С, а в основном присутствуют в сталях в виде первичных выделений. Положительная роль этих фаз заключается в том, что они препятствуют росту аустенит­ного зерна при нагреве, и, в частности, образованию разно – зернистости.

Уровень жаропрочности и термическая стабильность сталей данного класса зависят от температуры старения. При низких температурах (500—600°С) выделение карбид­ных фаз протекает медленно, образуются высокодисперс­ные частицы, прочностные свой­ства при изотермической вы­держке непрерывно возраста­ют. С повышением температу­ры старения (или испытания) скорость процессов выделения и коагуляции возрастает, до­стигается определенный макси­мум упрочнения, положение ко­торого зависит от состава спла­ва (рис. 189). Чем сложнее карбидные фазы по составу, чем легированнее аустенит ста­ли, тем больше эффект упроч­нения при старении и медлен­нее развиваются процессы раз­упрочнения.

Отметим также, что при низкотемпературном старении легирован­ного аустенита с выделением дисперсных фаз возникает состояние очень сильного упрочнения и одновременно падает пластичность, увеличива­ется чувствительность к хрупкому разрушению. Например, сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приоб­ретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропроч­ные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется двой­ное (или ступенчатое) старение: 660 0C (16 ч) и 800 "С (16 ч). Старе­ние при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемпературном старении, частичной коагуляция карбидных фаз.

3. Стали с интерметаллидным упрочнением

Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением, а также сплавы на хромоникелевой основе с высоким содержанием никеля (до 38%) нашли применение при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750—850°С.

HВ, MПа

Рис. 189. Зависимость твердости HB сталей с карбидным упрочнени­ем от температуры старения при выдержке 16 ч:

1 — сталь 37Х12Н8Г8; 2 — сталь 37Х12Н8Г8МФБ (В. Н. Захаров)

Легирование сталей этого типа преследует цель созда­ния высоколегированного железоникелевого аустенита, об­ладающего склонностью к распаду при старении, и об­разования фаз-упрочнителей — интерметаллидных фаз типа у’ — (Ni, Fe)3(Ti, Al) и фаз Лавеса [Fe2Mo, Fe2W1 Fe (Mo, W)].

О 123Ч5В789 Легирующий элемент, %

Рис. 191. Влияние содержания леги­рующих элементов на время до разрушения т сплава Х14Н35ВТЮ при 750 "С и а-=300 МПа (М. В. Придаицев)

Состав упрочняющих фаз в этих сталях изменяется в зависимости от легирования и определяет уровень длитель­ной прочности, достигаемый при различных температурах испытания. На рис. 190 приведена зависимость Одл°’ при

Ю3

Время, ч

Рис. 190. Длительная прочность при 750 °С стали типа 08Х15Н25В5, дополнительно легированной 0—2,2 % Al, 0—2,0 % Ti, 0—2,5 % Nb, 0—2,24 % Mo в зависимости от тнпа основной упрочняющей фазы: / — у’+AB2-, 2 — AB2′, 3 — Aie23Ct; 4 — Me23Ce+ +AB2 (И. Л. Мнркии, Ж. И. Фантаева, А. С. Терешкович)

Различных базах испытания, полученная на стали типа 08Х15Н25В5 при дополнительном введении легирующих элементов (Al, Nb, Mo, Ti), приводящих к выделению уп­рочняющих фаз различной природы. Установлено, что на­иболее высокая Одл° обеспечивается при совместном выде­лении у’-фазы и фаз Лавеса, а наименьшая длительная прочность при выделении карбидных фаз типа Me2зС6.

Фазы Лавеса могут растворять хром и никель и соответствовать формулам (Fe, Cr, Ni)2W, (Fe, Cr, Ni)2(W, Mo). Фазы Лавеса в ста­лях, богатых молибденом, начинают растворяться при более низких тем­пературах (900—950 °С), чем в сталях, богатых вольфрамом (1000— 1050 °С). Полного растворения этих фаз не происходит и при темпера­турах 1250—1300 0C, однако при нагреве до высоких температур они резко укрупняются. Как правило, фазы Лавеса имеют тенденцию к пре­имущественному выделению по границам зерен, однако могут выделять­ся и внутри кристаллов, по плоскостям скольжения.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат повышенное количество никеля, титана и алюми­ния. Замена никеля марганцем в сталях этого типа не про­изводится, так как он не образует благоприятных для уп­рочнения интерметаллических фаз и понижает жаростой­кость сталей.

Содержание углерода в этих сталях ограничивают обычно <0,1%. Во многие стали дополнительно вводят молибден и вольфрам (до 3,5%) с целью повышения дли­тельной прочности. Влияние легирующих элементов на время до разрушения сплава на железоникелевой основе типа Х14Н35ВТЮ (ЭИ787) показано на рис. 191.

Отметим, что концентрационная зависимость влияния легирующих элементов на длительную прочность имеет эк­стремальный характер: сначала длительная прочность рас­тет, а затем снижается. Повышение жаропрочности связа­но с тем, что легирующие элементы затрудняют диффузию» в аустенитной матрице, препятствуют коагуляции и раство­рению упрочняющих интерметаллидных фаз, увеличивают их количество при старении (в частности благодаря умень­шению растворимости титана и алюминия в аустените) й сдвигают температуру максимального упрочнения к более высоким температурам.

Однако повышенное сверх оптимального содержание легирующих элементов в этих сталях может вести к нега­тивным последствиям в отношении жаропрочности. В част­ности, высокое содержание молибдена (более 5—6%), ти­тана и алюминия может сопровождаться снижением темпе­ратуры солидуса и соответственно характеристик жаро­прочности.