Жаропрочность

 

Жаропрочность — способность металла со­противляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах.

С повышением температуры характеристики прочности металлов и металлических сплавов понижаются, причем для различных по составу сплавов изменение прочности неодинаково. Установлено, что прочность металлов и сплавов определяется главным образом силами связи атомов в кристаллической решетке. При нагреве подвижность атомов возрастает, увеличивается количество вакансий, усиливаются диффузионные процессы. Это приводит к уменьшению сил межатомной связи и, как следствие, к снижению прочности. Особенно интенсивно при повышении температуры увеличивается скорость диффузии на границах между зернами, где атомы не образуют правильной кристаллической решетки и могут свободно перемещаться. Поэтому границы между зернами при повышении температуры разупрочняются быстрее.

Температура плавления металлов является достаточно хорошим показателем прочности межатомных связей в кристаллической решетке. Поэтому для создания жаропрочных сплавов используют металлы с высокой температурой плавления (железо, никель, кобальт). Еще более жаропрочными оказываются сплавы на основе хрома, молибдена и других тугоплавких металлов.

Известно, что в процессе пластической деформации металла при температуре ниже температуры рекристаллизации процесс упрочнения происходит по схеме пластическая деформация — упрочнение (наклеп) (см. гл. IV). При нагреве возможны два взаимно противоположных процесса: во-первых, упрочнение, обусловленное пластической деформацией и, во-вторых, разупрочнение, обусловленное уменьшением искажений кристаллической решетки (отдыхом), коагуляцией фаз, растворением упрочняющих фаз и рекристаллизацией. Следовательно, при нагреве металл может сохранять свою прочность до температур, при которых еще интенсивно не протекают процессы разупрочнения, связанные с диффузионными процессами. Поэтому прочность металла при повышенных температурах не является величиной постоянной, а зависит от температуры и времени (продолжительности) приложения нагрузки.

Влияние температуры и времени на σ_в для стали 30 характеризуется следующими данными:

 

 

Температура испытаний, °С
σв, МПа	700/700	750/750	400/280	330/160

 

Рис.171 Временное сопротивление железа в зависимости от температуры испытания. Заштрихованы напряжения, вызывающие ползучесть: 1 — быстрое испытание; 2 — медленное испытание

 

Из рис. 171 следует, что до 350 °С скорость испытания не влияет на прочность. Затем кривая раздваивается: верхняя получена при быстром испытании, нижняя — при медленном. Различная прочность при одной и той же температуре объясняется тем, что при быстром нагружении разупрочнение не успевает происходить в такой степени, как при медленном.

И. И. Корнилов показал, что максимальных значений жаропрочность достигает при предельном насыщении твердого раствора легирующими элементами. Для концентрированных твердых растворов Трек ≈ 0,7-÷-0,8Тпл.

Жаропрочность однородных твердых растворов может быть увеличена за счет выделения мелкодисперсных фаз. Влияние таких выделений на прочность тем больше, чем меньше их склонность к коагуляции. Материалы, предназначенные для работы при повышенных температурах, испытываются на жаропрочность. Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.

Прочность существенно зависит от продолжительности испытания (рис. 172): 1 >  2 >  3 >  4, но 1 <  2< 3 < 4.

Пределом длительной прочности называют максимальное напряжение σ_^t, которое вызывает разрушение образца при заданной температуре за определенное время.

Прочность ₁ в течение 30—60 мин, так называемая «минутная», необходима в ракетостроении, часовая — в авиации (₂).

Например,

σ	900оС	=200 МПа
300ч

 

, где верхний индекс (900) означает температуру испытаний в °С, нижний — заданную продолжительность испытания в часах.

 

Рис.172. Кривая длительной прочности при 500 °0

 

Для котельных установок требуется не очень высокое значение прочности (см. σ₄ на рис. 172), но в течение нескольких лет.

 

Ползучестью называют свойство металлов медленно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки при постоянной температуре.

При испытании на ползучесть образцы помещают в печь с заданной температурой и прикладывают какую-либо постоянную нагрузку. Деформацию измеряют индикаторами с точностью до 0,001 мм.

При обычных температурах и при действующем напряжении (σ >σ_уп) ползучесть не наблюдается. Наоборот, в результате наклепа металл будет упрочняться. Но если температура испытания образца такова, что уже протекают разупрочняющие процессы — отдых, коагуляция фаз, а особенно рекристаллизация (обычно при Т > 0,6 Т_пл), то при σ >σ_уп наблюдается ползучесть.

Ползучесть происходит только в тех случаях, когда приложенное напряжение (от постоянной нагрузки) больше предела упругости металла при данной температуре.

Итак, при деформации нагретого образца протекают два прямо противоположных процесса: упрочнение (наклеп), вызванное пластической деформацией, и разупрочнение как результат процессов разупрочнения. Ползучесть развивается в случае преобладания второго процесса.

В зависимости от температуры скорость деформации при постоянной нагрузке обычно выражается кривой, состоящей из трех участков (рис. 173):

ОА — упругая деформация образца в момент приложения нагрузки;

АВ — участок, соответствующий начальной скорости ползучести (первая стадия);

ВС — участок установившейся скорости ползучести (вторая стадия), когда удлинение имеет постоянную скорость.

Если напряжения достаточно велики, то за этим участком протекает третья стадия (участок СО), связанная с началом разрушения образца (образование шейки).

Для углеродистых сталей ползучесть наблюдается при нагреве выше 400°С. Для некоторых цветных металлов с низкой температурой плавления, например олова, ползучесть происходит и при обычной температуре.

Предел ползучести — это напряжение, которое за определенное время при данной температуре вызывает заданное суммарное удлинение или заданную скорость деформации.

Обычно принимают  = 1 % за 1000 ч,  = 1 % за 10⁴ ч;  = 1 % за 10⁵ ч. Предел ползучести обозначают σ_/.

Например,

 

 

σ	500оС	=250 МПа
1/1000

где верхний индекс (500) — это температура испытания °С, первый нижний индекс — заданное суммарное, удлинение (1 %), второй — заданная продолжительность испытания в часах (1000).