книги / Хрупкость и пластичность жаропрочных материалов

Об относительном удлинении металла при испытаниях кольце­ вых образцов стали 1Х18Н12Т из труб различного радиуса можно судить по данным, приведенным в табл. 17. Деформация до раз­ рушения колец, вырезанных из гибов как с большим, так и с ма-

Рис. 49. Диаграммы растяжения кольцевых образцов при испытании с постоянной скоростью деформации:

лым радиусом, не прошедших на заводе термической обработки, составляла по диаграмме растяжения ничтожную величину 0,3— 0,6 мм. Замеры образцов до и после испытаний показали, что от­ носительное удлинение металла в этом случае составляло 0,8—2,5%.

Т А Б Л И Ц А 17

Относительное удлинение наружного волокна при разрушении кольцевых образцов труб пароперегревателей из стали 1Х18Н12Т

Змеевики, вырезанные из парового котла трубы 38X4 мм

образцов, вырезанных из гибов, не подвергавшихся термической обработке. Данные испытания образцов от прямых участков труб или от гибов, аустенизированиых в течение часа, располагаются вблизи линии, характеризующей свойства термически обрабо­ танного металла. Если принять k из уравнения (6), характе­ ризующий интенсивность падения относительного удлинения с уменьшением скорости деформации или увеличением времени до разрушения, того же порядка, что и для исследованного ранее металла, получим, что с увеличением времени работы разрушения труб на гибах, прошедших аустенизацию, или на прямых участ­ ках можно ожидать при достаточно высокой деформации, исчисляе­ мой несколькими процентами. В то же время на участках, полу­ чивших наклеп при гибе, разрушение становится возможным при ничтожно малых деформациях: при действии усилия, вызываю­ щего деформацию наклепанного материала в течение 10 ч, образо­ вание макротрещины возможно при относительном удлинении менее 1 %, а через 1000 ч при удлинении 0,1—0,2%. В наклепанном хрупком состоянии (применительно к работе при высоких темпера­ турах) риски-концентраторы на поверхности дополнительно сни­ жают деформационную способность металла труб. Итак из-за на­ клепа при гибе дорогостоящая, содержащая никель, сталь пре­ вращается в хрупкий, неработоспособный материал.

Свойства стали могут быть легко восстановлены при условии правильно подобранного режима термической обработки. В част­ ности, положительные результаты были получены при аустениза­ ции гибов при температуре 1100° С.

Змеевики пароперегревателя и другие элементы труб из стали 1Х18Н12Т могут надежно работать, если соблюдаются следующие условия:

а) организован строгий контроль за термической обработкой гибов, исключающий установку в котел наклепанных и неудовле­ творительно термически обработанных труб;

б) если отсутствуют повреждения (царапины, вмятины и т. п.), вызывающие местный наклеп металла и концентрацию напря­ жения;

в) если обеспечено свободное перемещение трубных элементов при тепловом расширении в процессе эксплуатации котельных установок.

ПЕРЛИТНЫЕ СТАЛИ

Данные о влиянии наклепа на пластичность перлитных сталей несколько разноречивы. М. П. Марковец и Г А. Степанов [135] при исследовании стали 25Х1МФ в состоянии после нормализации и отпуска показали, что при 550° С у наклепанного металла дли­ тельная прочность несколько ниже; уменьшения деформационной способности ими не было выявлено.

опыт их работы. Подавляющее количество деталей, работающих при высоких температурах, изготовляют из перлитных сталей. Во многих случаях при их изготовлении металл претерпевает хо­ лодную пластическую деформацию. Так, например, поверхности нагрева паровых котлов подвергают гибу. В то же время прежде­ временный выход из строя труб в связи с хрупкими разрушениями при высоких температурах гибов наблюдается очень редко.

То, что иаклсп мало влияет на работоспособность перлитной стали, следует объяснить, во-первых, тем, что уровень холодной пластической деформации при гибе обычно находится в пределах 1 — 15%, в то время как заметное снижение деформационной спо­ собности проявляется при наклепе более 20% [95]. Кроме того, обычно хрупкие разрушения являются следствием дополнитель­ ного снижения пластичности металла в результате действия кон­ центратора напряжения. В этом отношении малоуглеродистые хромомолибденовые или хромомолибденованадиевые стали имеют существенное преимущество из-за малой чувствительности по де­ формационной способности к концентратору.

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ДЕФОРМАЦИОННУЮ СПОСОБНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

РЕЖИМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Режим термической обработки жаропрочных материалов дол­ жен обеспечить оптимальное сочетание прочности (сопротивляе­ мость ползучести, длительную прочность, релаксационную стой­ кость) и пластичности применительно к заданному сроку работы. Поскольку интенсивность развития межзеренного разрушения оп­ ределяется соотношением прочности зерен и их границ, любое изменение структуры металла, оказывающее влияние на внутризеренную прочность, будет отражаться и на его пластичности. Поэтому термическая обработка или процессы старения, обуслов­ ливающие структурное состояние металла, значительно влияют на его деформационную способность.

У перлитных сталей в большинстве случаев повышение темпе­ ратуры отпуска после закалки или нормализации вызывает пони­ жение сопротивляемости ползучести и релаксационной стойкости и одновременно приводит к повышению относительного удлинения при длительном разрыве [14, 17, 136— 138].

В табл. 19, поданным А. И. Чижика и Е. А. Хейна, приведено изменение длительной пластичности стали 25Х1МФ (ЭИ10), тер­ мически обработанной по разным режимам [138].

При повышении температуры отпуска с 620 до 660° С относи­ тельное удлинение при испытании длительностью несколько ты­ сяч часов увеличивалось с 3—5 до 10— 13%. Влияние отпуска на деформационную способность труб из низколегированных сталей наглядно иллюстрируется данными Глена [67]: минимальное от­ носительное удлинение низкоуглеродистой молибденованадиевой стали (0,1% С, 0,55% Мо и 0,23% V) при 550° С после закалки и отпуска увеличивалось от 1,5 до 7%.

Дисперсионное упрочнение аустенитных сталей и сплавов, как правило, понижает пластичность [14, 16].

Механические свойства стали 25Х1МФА (ЭИ10), закаленной с 950° С после отпуска в течение 2 ч при 620 и 660° С [138]

Термическая обработка дисперсионно твердеющих сплавов со­ стоит из гомогенизирующего высокотемпературного нагрева, по­ следующего быстрого охлаждения, фиксирующего пересыщенный твердый раствор, и отпуска, в процессе которого выделяются дис­ персные частицы. Для высокопрочных сплавов на никелевой основе с высоким содержанием титана, широко применяемых в транспорт­ ных газотурбинных установках кратковременного действия, после такой обработки достигается оптимальное соотношение предела длительной прочности и пластичности при длительности работы, измеряемой сотнями часов. Однако с увеличением времени дефор­ мационная способность многих высокожаропрочных сплавов на никелевой основе снижается столь интенсивно, что их приме­ нение на длительные сроки работы практически исключалось (см. гл. II).

Для повышения длительной пластичности высоколегирован­ ных сплавов Е. Е. Левиным и Е. М. Пивник [139] была применена многоступенчатая термическая обработка, снижающая развитие межзеренного разрушения. Об эффективности такой термической обработки можно судить по данным, приведенным в табл. 20 и 21.

После обычного режима поковка для газотурбинной лопатки из сплава ЭИ893 имеет низкую деформационную способность. Низкую пластичность в этом случае можно объяснить грубозер­ нистым строением с остатками литой структуры при интенсивном дисперсионном упрочнении. При многоступенчатой термической обработке пластичность металла повышается до уровня, исклю­ чающего опасность хрупких разрушений в работе. Столь значи­ тельное различие в свойствах сплавов после разных видов терми­ ческой обработки является следствием различия их структуры. При обычной термической обработке в сплавах на никелевой основе происходит выделение дисперсных частиц у'-фазы [Ni3 (TiAl)],

Относительное удлинение и поперечное сужение сплава ЭИ893 (0,08% С; 16% Сг; 1,5% Ti; 1,5% А1; 9% W; 4,5% Мо; 0,01% В; 0,025% Се; Ni — остальное) после различных режимов термической обработки. Испытания с постоянной скоростью при 700° С [139]

Т А Б Л И Ц А 21

Относительное удлинение сплава ЭИ893 при испытании на длительную прочность после различных режимов термической обработки. Испытания при 750° С [139]

размер частиц которых составляет приблизительно 0,15 мкм (рис. 51, а). После многоступенчатой обработки размер частиц увеличивается примерно до 0,30 мкм, а их количество соответ­ ственно уменьшается (рис. 51, б). В последнем случае в процессе ползучести создается более благоприятное соотношение деформа­ ции зерна и его границ. Интенсивность развития разрушения по границам уменьшается, что и обеспечивает сохранение деформа­ ционной способности сплава на относительно более высоком уровне [136, 137]. Значительное влияние на деформационную способность металла оказывает также режим нагрева перед закалкой или нор­ мализацией, по существу определяющий размер зерна. Влияние этого фактора будет рассмотрено ниже.