Масленков - Жаропрочные стали и сплавы. Справочник

Жаропрочные стали и сплавы. Справочное издание. Масленков С. Б. М.: Металлургия, 1983. 192 с.

Приведены свойства жаропрочных и окалиностойких сталей и сплавов, отвечающих общесоюзным стандартам и техническим условиям. Обобщены сведения об указанных материалах, опубликованные в отечественной и зарубежной литературе. Рассмотрены стали всех классов и сплавы на основе железа и никеля.

Для инженерно-технических и научных работников, конструкторов металлургической, машиностроительной, судостроительной, авиационной, автотракторной и других отраслей тяжелой промышленности. Ил. 5. Табл. 315. Библиогр. список; 6 назв.

Издательство «Металлургия», 1983

ПРЕДИСЛОВИЕ

Период послевоенного развития энергетики и газотурбинной техники характеризовался непрерывным повышением рабочих температур. В энергетических стационарных установках они дошли до 585 °С, в транспортных — до 1000 °С и выше. Такой подъем температуры стал возможен благодаря интенсивному развитию нового класса металлических материалов — жаропрочных сталей и сплавов. Эти материалы способны длительное время работать при высоких температурах в сложнонапряженном состоянии при одновременном воздействии агрессивной внешней среды.

Естественно, что для этих материалов сформировались свои приемы легирования и термической обработки, которые существенно отличаются от таковых для обычных сталей и сплавов, работающих в интервале климатических изменений температур.

За указанный период разработано большое число сталей и сплавов, однако не все они выдержали испытание временем и причины здесь весьма различные. Здесь и дефицитность примененных легирующих элементов, низкие технологические свойства отдельных композиций, изменение параметров конструкций, выявленные в процессе эксплуатации случаи катастрофического снижения свойств — в первую очередь пластичности и др.

При написании настоящего справочника автор ставил своей задачей подведение итога определенного периода развития жаропрочных сплавов в виде краткого теоретического обобщения и составление справочных данных по наиболее удачным, проверенным жизнью маркам сталей и сплавов. Для этого были использованы различные справочные издания прежних лет, литературные данные и собственные исследования автора в этой области.

Автор надеется, что книга будет полезна конструкторам, инженерно-техническим и научным работникам, преподавателям и студентам вузов при выборе марок сталей и сплавов для конструкций, при разработке новых сталей и сплавов и изучении их поведения в условиях производства или в процессе эксплуатации в различного рода установках, длительно работающих при высоких температурах.

Автор заранее приносит благодарность всем читателям, которые сочтут возможным сделать свои замечания относительно методологических вопросов и объема справочных данных.

ВВЕДЕНИЕ

XXVI съезд КПСС определил как первоочередную задачу развития народного хозяйства нашей страны ускорение научно-технического прогресса, а также повышение эффективности и качества продукции. Для сталей и сплавов важнейшими показателями качества являются уровень и однородность свойств. Важным этапом повышения качества металлопродукции является выход соответствующего ГОСТа, чему предшествует большая работа по накоплению и обобщению данных по свойствам сталей и сплавов.

Основным ГОСТом на жаропрочные стали и сплавы считается ГОСТ 5632—72, который, однако, является лишь классификационным, т. е. определяет класс материала, химический состав и наиболее вероятную область применения. Выпуск предлагаемого справочника явится еще одним шагом на пути стандартизации такой важной продукции, какой являются жаропрочные стали и сплавы. Свойства этих материалов описаны в различных монографиях, тематических сборниках, посвященных жаропрочным сплавам, а также в периодической печати.

При написании справочника были использованы основные труды по жаропрочным сплавам и различного рода справочные издания: Химушин Ф. Ф. «Жаропрочные стали и сплавы», М., Металлургия, 1964 г.; Ланская К. А. «Жаропрочные стали», М., Металлургия, 1969 г.; руководящие указания по «Свойствам сталей и сплавов, применяемых в котлотурбостроении», Л., 1966 г.; каталог продукции черной металлургии «Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы», Черметииформация, 1976 г. и сведения периодической печати.

Основа жаропрочных сплавов — железо и никель. Именно эти материалы являются главными конструкционными материалами стационарных и транспортных паровых и газовых турбин. По ГОСТ 5632—72 деформируемые стали и сплавы на основе железа и никеля условно делят на стали и сплавы, исходя из содержания элемента — основы и легирующих элементов. Стали в свою очередь делят на низколегированные и высоколегированные.

К высоколегированным относят сплавы на основе железа, содержание которого не ниже 45 %; суммарное содержание легирующих элементов не менее 10 %, считая по верхнему пределу. Менее легированные сплавы на основе железа отнесены к разряду низколегированных сталей. К сплавам на железоникелевой основе относят композиции, которые имеют в составе сумму никеля и железа более 65 % при приблизительном отношении содержания никеля К железу 1:1,5. Сплавами на основе никеля называют сплавы, содержащие не менее 55 % никеля.

В соответствии с классификацией материалов по назначению жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать при высоких температурах в течение определенного времени, обладая способностью выдерживать значительные механические нагрузки при одновременном достаточном уровне жаростойкости.

Жаростойкими (окалиностойкими) сталями и сплавами называют такие, которые обладают стойкостью против газовой коррозии при температурах выше 550 °С и работают в слабонагруженном состоянии. Сроки службы условно делят на: кратковременный — до 100 ч; ограниченный — от 100 до 1000 ч; длительный — от 1000 до 10000 ч; весьма длительный — от 10000 до 100000 ч и выше. Материал расположен таким образом, что вначале приведены сведения о Менее легированных материалах и соответственно менее жаропрочных. Затем приведены данные о сплавах, причем вначале о сплавах на основе железа, а потом о сплавах на основе никеля.

Такая закономерность несколько нарушена в предпоследней главе, посвященной жаропрочным сплавам на основе никеля. Сплавы на основе никеля расположены в порядке возрастания их заводского номера, под названием которого они и вошли в литературу, при этом вначале идут марки ЭИ, а затем ЭП.

Все значения механических и физических свойств даны в системе СИ.

Глава 1 ЖАРОПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1. Общие требования к жаропрочным материалам

Жаропрочные стали и сплавы как особый вид конструкционных материалов стал интенсивно развиваться в связи с развитием турбостроения.

Турбина как источник или преобразователь энергии широко применяется в теплоэнергетике (силовые электростанции), судовых и авиационных двигателях. В последние годы появились газовые турбины для наземного подвижного состава (локомотивы, грузовые автомобили). В конструкциях современных турбин жаропрочные сплавы составляют 40—50% массы. Чем выше температура газа на входе в турбину, тем экономичнее двигатель. С повышением температуры газа уменьшается удельный расход топлива и воздуха на единицу мощности. Это обстоятельство привело к тому, что в короткий срок появилось много составов сталей и сплавов, рассчитанных на разливочные температуры и сроки работы.

Жаропрочные стали и сплавы — это материалы, которые работают при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния. Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали или сплава, является жаропрочность.

Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдерживать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если оговариваются напряжение и время, то эта характеристика называется пределом длительной прочности. Если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести.

Надежность работы металла оценивается не только прочностью, но и пластичностью, которую он сохраняет до конца службы. Поэтому второй важной характеристикой жаропрочного материала является запас пластичности, который определяется такими показателями, как δ и ψ при испытаниях на длительную прочность, KCU после длительного старения и чувствительность к надрезу при испытании образцов с надрезом на длительную прочность. Для жаропрочных материалов хорошими показателями являются δ и ψ при испытаниях на длительную прочность, если значения составляют соответственно 10 и 10 %. Значение KCU оговаривается, исходя из условий работы материала.

Чувствительность к надрезу определяется как отношение времен до разрушения надрезанного и гладкого образцов, испытанных при одной и той же температуре я напряжении. Считается, что сплав нечувствителен к надрезу, если это отношение больше или равно единице.

Поскольку подъем температуры до рабочей протекает во времени, а начало работы, как правило, соответствует климатической температуре окружающей среды, важно также, чтобы и значения прочности и пластичности, свойственные материалу при комнатной температуре, были бы достаточно высокими. Для дисперсноннотвердеющих никелевых и железоникелевых сплавов значения прочности составляют σв>1200 МПа, σ_0,2>800 МПа. Несмотря на то что подавляющее число жаропрочных сплавов не имеет температурного порога хрупкости, или имеет его ниже рабочей температуры или температуры технологического передела, наличие различных концентраторов напряжений в реальных конструкциях неизбежно ставит вопрос о низкой чувствительности сплавов к наличию надрезов или острых трещин. С этой целью значение KCU должно быть как можно выше.

Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложно-напряженного состояния, характеризующегося постоянными изменениями величины и знака нагрузок, высокое сопротивление усталости при высоких температурах также важно, как и характеристики усталостной прочности для материалов, работающих при обычных климатических условиях.

Сложность современных технических решений конструкций обусловливает необходимость иметь материалы с высокими технологическими свойствами. Например, при изготовлении лопаток газотурбинных двигателей применяют такие операции, как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых изделий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовлении камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Широкое распространение в последние годы получили сварка электродом, диффузионная сварка, сварка трением, пайка изделий.

Не следует упускать из вида и тот факт, что жаропрочные стали и сплавы По своей природе сохраняют высокие значения прочности не только до рабочих, но и до технологических температур, что накладывает свой отпечаток на всю технологию передела металла, начиная от деформации слитка и кончая конечными операциями доводки изделий до необходимых размеров и требуемой чистоты поверхности.