Металловедение жаропрочных сталей и сплавов (часть 2)
Многообразие эксплуатационных условий, а следовательно и требований, предъявляемых к жаропрочным сплавам, определяет и многообразие типов испытательной аппаратуры. Следует иметь в виду, что сопротивление сплавов действию внешних нагрузок при высоких температурах может характеризоваться различными свойствами. Причем в зависимости от условий службы деталей в конструкциях одни свойства имеют большее значение, чем другие.
Так, высокое сопротивление ползучести является одним из основных требований, предъявляемым к материалам, которые используют в стационарных установках, работающих весьма продолжительно на установившемся режиме. Основные характеристики материала, применяемого для авиационных турбореактивных двигателей, работающих несколько сот часов, — это длительная прочность и способность выдерживать кратковременные перегрузки. Для сталей, используемых при изготовлении клапанов двигателей внутреннего сгорания, основными требованиями является достаточно высокий предел усталости при рабочих температурах. Материал лопаток турбокомпрессоров, вращающихся с большим числом оборотов, должен иметь высокую прочность на растяжение под действием центробежных сил. Материалы для деталей жаровых труб и камер сгорания, не подвергающиеся значительной нагрузке и омываемые газами, имеющими высокую температуру, должны хорошо сопротивляться коррозионному разрушению в процессе эксплуатации. Диски турбореактивных двигателей воспринимают комплекс весьма больших напряжений при повышенных температурах и определяющим свойством материала этих деталей является высокая прочность в эксплуатационных условиях.
Таким образом, наряду с использованием стандартной аппаратуры необходима разработка разнообразной новой аппаратуры для испытания жаропрочных свойств, а также для исследования специфического строения жаропрочных сплавов.
По мере развития металловедения жаропрочных сплавов развиваются и уточняются основные теоретические положения, лежащие в основе создания этих сплавов. Параллельно совершенствуется методика исследования, создается новая аппаратура и вырабатываются определенные приемы изучения многокомпонентных металлических систем, определяющих современные жаропрочные сплавы. Развитие основных теоретических представлений и совершенствование методики исследования следует рассматривать совместно.
Жаропрочные сплавы являются в основном сложнолегированными, а их обработка предусматривает создание тонких и весьма устойчивых изменений строения, обеспечивающих длительную надежную работу в тяжелых эксплуатационных условиях; эти обстоятельства накладывают особые ограничения на условия металлургического производства этих сплавов. Вакуумная металлургия, практика введения в состав сплава малых добавок, использование шихтовых материалов высокой чистоты, применение особых приемов ведения плавки, а также специальных методов горячей механической обработки — все это нашло свое развитие главным образом в связи с совершенствованием жаропрочных сплавов.
Таким образом, в металловедении жаропрочных сплавов разрабатывают и изучают сложные по составу металлические материалы, отличающиеся от всех обычных конструкционных сталей и сплавов особой тонкостью и стабильностью строения; эти материалы отличаются также тем, что их используют в тяжелых условиях эксплуатации: одновременное и продолжительное воздействие высоких температур и напряжений.
Теоретические основы этой отрасли металловедения, используемые при изыскании жаропрочных сплавов, создаются с привлечением современных представлений металлофизики о строении реальных металлов и сплавов. Экспериментальная база металловедения жаропрочных сплавов предусматривает использование тонкой методики исследования и создание совершенной аппаратуры, отличающейся большой чувствительностью и точностью.
В настоящее время во всех отраслях техники наметилась тенденция значительного роста скоростей и повышения потребляемых мощностей; поэтому необходимость работы металлических материалов во многих машинах и механизмах при высоких температурах становится очевидной. Этим обстоятельством определяется дальнейшее совершенствование и развитие металловедения жаропрочных сплавов.
зыскание новых сплавов должно, очевидно, развиваться не только в направлении комплексного легирования сплавов на железной и никелевой основах, но также и создания сплавов на других основах — хрома, молибдена, ниобия и других элементов (см. табл.1).
Разработка жаропрочных сплавов на основе титана, циркония, хрома, ниобия, молибдена, тантала или вольфрама пока еще отстает от разработки аустенитных жаропрочных сплавов на основе железа или никеля.
Так, для титановых сплавов, ограничения по рабочей температуре обусловлены протеканием полиморфных превращений.
Таблица 1. Сопротивление ползучести некоторых чистых металлов
Элементы | Предел ползучести(1% за 24 ч), кГ/мм2 | Плотность(γ), г/см3 | σn/γ |
Cr | 3,1-4,7 | 7,14 | 0,425-0,62 |
Nb | 4,45 | 8,57 | 0,52 |
Mo | 4,65-6,1 | 10,2 | 0,455-0,6 |
W | 9,4 | 19,36 | 0,49 |
Ir | 9,4 | 27,4 | 0,42 |