Характеристики материалов при высоких температурах

Жаропрочность — свойство металлов при высоких температурах сопротивляться деформации и разрушению при действии приложенных напряжений. О жаропрочности судят по результатам длительных испытаний на растяжение при высоких температурах. Основными характеристиками жаропрочности являются предел ползучести и предел длительной прочности. Жаропрочность зависит от химического состава, структуры и технологии изготовления сплава.

Жаростойкость (окалиностойкостъ) — способность металлов противостоять химическому разрушению поверхности в атмосфере воздуха и газовых средах при температуре свыше 550°С.

Теплоустойчивость — частное понятие жаропрочности; обозначает свойство металла противостоять деформации и разрушению при механическом нагружении в области температур ниже 550°С, когда еще не возникает интенсивного окалинообразования.

Ползучесть — свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться при статическом нагружении, особенно при высоких температурах. При повышенных температурах металлы приобретают способность получать остаточные деформации («ползти») даже в тех случаях, когда действующие напряжения лежат значительно ниже предела текучести (упругости) данного металла при заданной температуре.

Испытания на ползучесть дают возможность получения кривой ползучести, представляющей графическое изображение зависимости деформации от времени при постоянной температуре и постоянном напряжении (рис. 19).

Первичная кривая ползучести e = f(t): e — деформация, полученная при наложении нагрузки (начальная деформация), e₁ — деформация, полученная в первом периоде (неустановившаяся ползучесть), e₂ — деформация, полученная во втором периоде (установившаяся ползучесть), e₃ — деформация, полученная в третьем периоде (нарастающая ползучесть). Установившаяся скорость ползучести:

(8)

Кривая ползучести металла, доведенного до разрушения, включает три периода: 1 период — неустановившаяся ползучесть, идет со значительной скоростью, но постепенно убывает; 2-й период — установившаяся ползучесть, имеет постоянную и минимальную для данных температуры и напряжения скорость ползучести; 3-й период — нарастающая ползучесть, протекает со все возрастающей скоростью, ведущей к разрушению; этот период ползучести отражает преобладание разупрочняющих металл факторов. Напряжения, при­водящие к такому состоянию, исключаются из прочностных расчетов как опасные для прочности.

Рис. 19. Кривая ползучести металлов при заданной высокой температуре

Длительная прочность — сопротивление металлов разрушению от действия длительно приложенной статической нагрузки, особенно при высоких температурах, характеризуется пределом длительной прочности.

Пределом ползучести (s_пл) называется такое напряжение, под действием которого при заданной температуре и в течение заданного времени материал приобретает заданную суммарную деформацию ползучести. Предел ползучести обозначается как напряжение s с числовыми индексами – верхний указывает температуру в градусах Т, а нижний - отношение деформации ε в процентах и времени τ в часах, за которое она возникает . Например, = 80 МПа означает, что напряжение 80 МПа за время 100000 ч при температуре 600°С создает 1% пластической деформации ползучести. Нижний индекс представляет собой скорость ползучести (8) V = 1×10^-5 %/ч. Предел ползучести является базовой расчетной характеристикой конструкций, работающих с ограниченной суммарной деформацией ползучести. Например, для подвижных узлов турбин (валов, лопаток) суммарная деформация ползучести за весь период работы не должна превышать определенной величины, обусловленной конструктивными соображениями работоспособности.

4.2. Условный предел ползучести - напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.

Суммарное или остаточное относительное удлинение в процентах (см. чертеж) вычисляют по формулам:

где - начальная расчетная длина, измеренная при комнатной температуре перед испытанием образца с погрешностью до 0,05 мм;

- абсолютное удлинение, регистрируемое при очередном измерении деформации образца в процессе испытаний, мм.

- удлинение при нагружении; - полное (упругое + остаточное удлинение на криволинейном участке); - суммарное (упругое + остаточное) удлинение за время испытания; - упругое удлинение; - остаточное удлинение

Пример условного обозначения величины предела ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч испытания при температуре 700 °С:

.

При этом необходимо дополнительно указать суммарную или остаточную деформацию, по которой определялся предел ползучести.

Пример условного обозначения величины предела ползучести при скорости ползучести 1·10 %/ч при температуре 600 °С:

.

При этом необходимо дополнительно указать время испытания, за которое была достигнута заданная скорость ползучести.

Пределом длительной прочности (s_дл) называется напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Предел длительной прочности обозначается как напряжение МПа, с числовыми индексами – верхний указывает температуру в градусах, а нижний - длительность испытания в часах. Например, означает, что температура испытания 650°С, длительность испытания 100000 ч.

Допускаемые напряжения, выбираемые по заданной скорости ползучести, во всех случаях должны быть меньше предела длительной прочности.

Для оценки теплоустойчивости и жаропрочности применяются испытания на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651-84), на ползучесть (ГОСТ 3248-81) и длительную прочность (ГОСТ 10145-81), которые проводятся по схеме одноосного растяжения.

3. металлические сплавы

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.

3.1. Основы теории сплавов

При изучении сплавов пользуются специальными терминами: система, компонент, фаза, структурная составляющая.

Системой называют группу сплавов, выделяемую для изучения их строения и свойств. Понятия система «медь – никель» или система «железо – углерод» означают, что для исследования берут сплавы с различной концентрацией (содержанием) в первом случае меди и никеля, во втором – железа и углерода.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Компонентами могут быть чистые металлы, неметаллы, устойчивые химические соединения. Например, в сплавах железа с углеродом компонентами будут железо (чистый металл) и карбид железа Fe3C (химическое соединение). В этом случае получается система сплавов Fe – Fe3C.

Фаза – однородная часть сплава, имеющая свой состав, свойства и видимую границу раздела. Сплавы могут быть однофазные, когда все кристаллы однородны, имеют один состав и одинаковые свойства, а границы позволяют судить об их форме и размерах. Сплавы могут быть двух- и многофазные, если они состоят из различных по составу и свойствам кристаллов.

В большинстве случаев входящие в сплав компоненты в жидком состоянии полностью растворимы друг в друге и представляют собой жидкий раствор (одна фаза – жидкость). В твердом состоянии сплавы образуют твердые растворы, химические соединения и механические смеси (рис. 20).

Структурная составляющая – это однородная часть строения, образовавшаяся в результате первичной или вторичной кристаллизации сплава как из жидкого, так и из твердого раствора. Структурная составляющая может состоять из одной или нескольких фаз.

Рис. 20. Структура и строение элементарной ячейки пространственной

кристаллической решетки различных сплавов из двух металлов:

● – атомы металла А; ○ – атомы металла В

В системе сплавов Fe – Fe3C в отличие от других систем фазы, как и структурные составляющие, имеют названия и обозначения, единые в мире. Например, химическое соединение железа с углеродом, имеющее формулу Fe3C (карбид железа), называется цементитом, и на всех языках мира это произносится одинаково.

Твердым раствором называется сплав, в котором атомы растворенного компонента или компонентов находятся в кристаллической решетке компонента растворителя. Кристаллическую решетку строит один компонент сплава – растворитель. Другой компонент (или компоненты) своими атомами размещается в этой решетке, изменяя ее размеры (параметры).

По расположению атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. В твердом растворе замещения атомы растворенного компонента занимают места атомов элемента растворителя, т. е. расположены в узлах общей кристаллической решетки (рис. 21, а). В твердом растворе внедрения атомы растворенного компонента располагаются внутри кристаллической решетки компонента растворителя между его атомами (рис. 21, б).

Твердый раствор состоит из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу. Твердые растворы мягки и пластичны. Благодаря высокой пластичности они хорошо поддаются ковке и другим видам обработки давлением. Литейные свойства и обрабатываемость резанием у твердых растворов низкие.

В системе железоуглеродистых сплавов существуют два твердых раствора. Твердый раствор углерода в альфа-железе называется ферритом. Альфа-железо растворяет углерода очень мало: от 0,006 % при 0°С до 0,025 % при 727°С. Поэтому феррит можно считать технически чистым железом. Твердость феррита (как и железа) – НВ80.

Твердый раствор углерода в гамма-железе называется аустенитом. Растворимость углерода в гамма-железе значительно больше – до 2,14 % при 1147°С. При обычных условиях аустенит в железоуглеродистых сплавах может существовать только при температуре выше 727°С. Как все твердые растворы, феррит и аустенит пластичны (d = 40 – 50 %).

Химические соединения – это фазы, состав которых выражается химической формулой А_nВ_m, где А и В – химические элементы; n и m – простые числа. Свойства и кристаллическая решетка отличаются от решеток компонентов, образующих соединение. С углеродом, азотом, бором металлы образуют химические соединения (карбиды, нитриды и бориды), характеризующиеся высокой твердостью. Так, в системе железоуглеродистых сплавов карбид железа тверже чистого железа в десять раз.

Механическая смесь (сплав-смесь) двух компонентов образуется тогда, когда они не образуют твердых растворов и химических соединений и кристаллы каждого компонента будут сохранять свои состав и свойства. Если в сплаве компоненты находятся в количестве, превышающем их предельную растворимость, то образуется смесь кристаллов твердого раствора и кристаллов химического соединения или смесь кристаллов двух твердых растворов и т. п. Сплавы- механические смеси имеют хорошие литейные свойства.

Сплав-смесь, получающийся из жидкости в результате первичной кристаллизации, называется эвтектикой, которая образуется при определенных температуре и концентрации компонентов сплава.

Сплав-смесь, образованный из твердого раствора при вторичной кристаллизации сплава, называется эвтектоидом, который, как и эвтектика, имеет постоянный химический состав и определенную температуру образования.

В системе железоуглеродистых сплавов эвтектическая смесь кристаллов аустенита и цементита называется ледебуритом, который образуется при температуре 1147°С и соответствует концентрации 4,3 % углерода. Второй сплав-смесь – эвтектоидная смесь кристаллов феррита и цементита – называется перлитом. Температура образования перлита – 727°С, а концентрация углерода – 0,8 %.

Кристаллизация сплавов. Процессы кристаллизации сплавов происходят значительно сложнее, чем чистых металлов. Особенности их кристаллизации можно проследить по кривым охлаждения. Как видно на кривой охлаждения сплава на рис. 22, его кристаллизация протекает в интервале температур от начала (Тн_кр) до конца (Тк_кр) кристаллизации. Значения температуры, при которых в металлах или сплавах происходят какие-либо превращения, называются критическими точками. Следовательно, сплавы в отличие от чистых металлов при плавлении или кристаллизации, как правило, имеют не одну, а две критические точки.

Сплав с температурой выше температуры начала кристаллизации (точка а на рис. 22) находится в однофазном жидком состоянии; ниже температуры конца кристаллизации (точка b) – в твердом однофазном состоянии. В интервале температур между критическими точками сплав двухфазный и состоит из жидкого раствора и твердых кристаллов. Как указывалось выше, для облегчения изучения сплавов их объединяют в системы.

К конкретной системе относят все сплавы, состоящие из одних и тех же компонентов и отличающиеся друг от друга лишь количественным соотношением этих компонентов, т. е. концентрацией. Количество сплавов одной системы, но разной концентрации настолько велико, что изучать по кривым нагревания или охлаждения все превращения, происходящие в каждом из них, практически невозможно, да и нерационально.

Если какую-то систему изучать по кривым охлаждения сплавов с концентрацией компонентов, увеличивающейся каждый раз на 10 %, то нужно построить и изучить 10 кривых охлаждения. Например, первая кривая – 100 % компонента А и 0 % компонента B, затем – 90 % компонента А и 10 % – компонента В и т. д. Если рассматривать систему компонентов, увеличивающейся каждый раз на 5 %, то будет 20 сплавов, в случае увеличения на 1 %, будет 100 сплавов и т. д. Поэтому для изучения состояния сплавов выбранной системы в зависимости от температуры и концентрации строят ее диаграмму состояния. В настоящее время для всех сплавов, используемых в технике, диаграммы состояния построены и их можно найти в справочной литературе. Они имеют большое практическое значение при выборе режимов термической обработки и горячей обработки давлением, при выборе сплавов для литейного производства, для изготовления различных деталей и металлоконструкций.

Дата добавления: 2015-12-07