Жаропрочные и жаростойкие стали

Под жаростойкостью понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при температурах выше 550°С. Для этого сталь легируют Cr, Al, Si, которые создают на поверхности оксидные пленки Cr2O3, Al2O3, SiO2 и др. Это сильхромы, хромали, сильхромали.

К ним относятся стали 40Х9С2, 40Х10С2М (сильхромы), 10Х13СЮ (сильхромаль). Аустенитные стали 12Х18Н10Т, 36Х18Н25С2 жаростойкие до 1100°С, ферритная сталь 08Х17Т применяется в теплообменниках до 900°С. Стали 12Х17Т, 15Х25Т, 12Х18Н10Т, 10Х23Н18ТБ, 12Х25Н16Г7АПА, ХН32Т, ХН45Ю, ХН78Т, 30Х24Н12С2Л, 15Х25Н19С2ЛА особо жаростойкие при высоких температурах и воспринимают термические удары при многократных закалках.

Жаропрочные стали работают при высоких температурах под нагрузкой в течение заданного промежутка времени. Жаропрочные стали перлитного класса (12Х1МФ, 12Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БРА и др.) применяются для изготовления деталей паровых турбин, котлов. V и Nb измельчают зерно, Cr придает жаростойкость и жаропрочность.

2. Первое основное превращение – рост аустенитного зерна

Превращение перлита в аустетит

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением

феа-> фег, а так же растворением цементита в аустените.

Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита. Для этого образцы нагревают до температуры выше А1 и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Рис. 12.4. Механизм превращения перлита в аустенит.

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит – цементит, кристаллическая решетка феа перестраивается в решетку фег.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста. Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение феа в фег идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка. Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими. При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой и крупнозернистой структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры А1, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая. Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна. Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее. Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости. Различают величину зерна наследственного и действительного.

Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930^o С и затем определяют размер зерна. Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры А3 приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.