Аустенитные коррозионно-стойкие стали, бериллий, цирконий, магний, алюминий

Аустенитные коррозионнно-стойкие стали служат конструкционным материалом корпусов и систем трубопроводов ядерных реакторов, контейнеров для радиоизотопов и радиоактивных отходов и других аппаратов ядерной техники. Облучение быстрыми нейтронами вызывает в аустенитных коррозионно-стойких сталях изменение механических свойств, радиационное распухание и радиационную ползучесть. На рис.37 и 38 показано влияние плотности (флюенса) быстрых нейтронов и температуры облучения на механические свойства ау
стенитной стали.

Как видно, повышение предела текучести и снижение пластичности сильно зависят от флюенса нейтронов и температуры облучения. Это изменение, особенно заметное при температурах свыше 500°С, называется высокотемпературным радиационным охрупчиванием (ВТРО). ВТРО сопровождается значительным повышением предела текучести и снижением пластичности. Длительная прочность, сопротивление ползучести и усталости при этом также существенно снижаются (до половины исходного значения).

Явление ВТРО объясняют радиационным стимулированием изменений свойств на границах зерен, приводящих к образованию трещин. Лучшей сопротивляемостью ВТРО обладает аустенитная сталь ОХ16Н15МЗБ, легированная молибденом и ниобием. Хороший эффект дает легирование сталей титаном, бором и кремнием.

Радиационное распухание (РР), выражающееся в относительном увеличении объема (DV/V, %), проявляется при флюенсах более 10²² в интервале температур облучения (0,3 – 0,55)Т_пл, соответствующем рабочим режимам. Механизм РР объясняют накоплением в процессе облучения избыточных вакансий и скоплением их в микропоры. С механизмом вакансинного распухания связана и радиа­ционная ползучесть. Материалы с низкой склонностью к радиационному распуханию имеют и малую скорость радиационной ползучести. Средством, умень­шающим распухание аустенитных сталей, является поверх­ностный наклеп материала в ре­зультате деформации изделия при комнатной температуре.

Бериллий и его соединения как конструкционные материалы отличаются высоким значением отношения прочности к плотности, а также хорошей коррозионной стойкостью. Бе­риллий из всех металлов имеет наименьшее значение сечения поглощения тепловых нейтронов. Он превосходен также как замедлитель и отражатель нейтронов. По этим причинам бериллий применяют в различных конструкциях реакторов и космической технике. Среди легких конструкционных материалов бериллий (плотность 1,85 г/см³) обладает наивысшей температу­рой плавления (Т_пл=1283 – 1290°С), что важно для его применения при высоких рабочих температурах. Однако Be и ВеО хрупки, дорогостоящи и токсичны. Для металлического бериллия и его оксида эффектами облучения являются размерная не­стабильность и гелиевое охрупчивание. Размерная нестабильность, (распухание) связана с реакциями взаимодействия быстрых нейтронов с бериллием. При облучении бериллий подвержен гелиевому охрупчиванию. Преимущества и недостатки оксида бериллия ВеО и металлического бериллия аналогичны, за исключением того, что температура плавления оксида намного выше (2550°С). Изделия из Be и Вео получают горячим прессованием или литьем в вакууме. Если температура изделия, изготовленного из оксида Be, превышает 1200°С, становится существенным выделение образовавшегося гелия. На этом основан способ восстановления свойств изделий из оксида Be с помощью высокотемпературного отжига.

Магниевые сплавы обладают хорошими ядерными свойствами: по значению сечения поглощения тепловых нейтронов они находятся между бериллием и алюминием. Как конструкционный материал они полностью совместимы с урановым топливом и СО ₂ (теплоносителем). Сплавы магния используются в качестве оболочечных материалов, являются низкотемпературными (Т_пл=650°С) конструкционными материалами. Существенным недостатком магния является низкая теплопроводность (в 100 и более раз ниже, чем у алюминия). При температурах ниже 500 °С в среде углекислого газа сплавы магния показали хорошую радиационную стойкость. При флюенсе нейтронов до 10¹⁷нейтр./м² существенных радиационных дефектов (распухания, радиационной ползучести, из­менения прочности и пластичности) в сплавах магния не наблюдается.

Цирконий по ядерным параметрам является третьим элементом после бериллия и магния. Благодаря высоким механическим свойствам при повышенных температурах, хорошей коррозионной стойкости в воде и паре, приемлемой стоимости и технологичности сплавы цирко­ния широко применяются как конструкционный материал в ядерных реакторах. При относительно низкой теплопроводности цирконий имеет и небольшое тепловое расширение. Невысокая коррозионная стойкость при высоких температурах и относительная дороговизна являются недостатками циркониевых сплавов.

Плотность циркония - 6,5 г/см³, температура плавления – 1852°С. Сплавы циркония легируют оловом, железом, хромом, никелем и другими элементами с целью повышения их механических свойств и коррозионной стойкости при повышенных температурах. Облучение быстрыми нейтронами вызывает радиационную ползучесть сплавов циркония. В интервале температур от 300 до 400°С влияние нейтронного облучения на ползучесть уменьшается. Это объясняют эффектом отжига радиационных дефектов. Однако при этом возрастает и становится определяющей термическая ползучесть, т.е. общая ползучесть увеличивается, при температурах 340-350°С скорость ползучести (e_п, %-ч^-1) начинает резко возрастать.

Алюминий и его сплавы применяются в качестве оболочечного и конструкционного материала топливных элементов в учебных и исследовательских реакторах. Прочность, пластичность и теплопроводность алюминия и его сплавов (6010 - сплав А1 – 0,7% Mg и 0,4% Si; 1100 - А1 промышленной чистоты, САП - спеченный алюминиевый порошок) вполне удовлетворяют уровню термических напряжений, температурным градиентам и удлинениям материалов при работе низкотемпературных реакторов. Их коррозионная стойкость в воде и паре достаточно высока при температурах до 150°С. Оксид алюминия, входящий в состав САП в количестве до 74%, имеет температуру плавления около 2053°С. Облучение сплавов алюминия нейтронами (с энергией более 0,1 МэВ) вызывает их радиационное распухание и увеличение длительной прочности. Возрастание длительной прочности алюминиевых сплавов после нейтронного облучения является следствием радиационного упрочнения материала, сопровождаемого снижением пластичности. Распухание алюминиевых сплавов при облучении объясняют образованием водорода и гелия вследствие взаимодействия нейтронов с ядрами алюминия.

11. Коррозионно-стойкие и жаростойкие покрытия

Коррозионная стойкость и жаростойкость изделий в первую очередь обеспечиваются за счет выбора соответствующих материалов. Однако, оказывается технико-экономически выгодным в ряде случаев применять различные защитные покрытия. При защите металлов от электрохимической коррозии применяют следующие виды покрытий:

1) нанесение на поверхность детали электроположительных металлов;

2) нанесение на поверхность металлических материалов покрытий из металлов и сплавов, способных пассивизироваться в коррозионной среде;

3) использование диэлектрических покрытий на металлических материалах с целью исключения работы гальванических пар.

Для защиты от электрохимической и высокотемпературной химической коррозии могут использоваться покрытия на металлической и неметаллической основах. Промышленностью освоены следующие способы нанесения покрытий:

- нанесение грунта и последующее гуммирование;

- окрашивание с последующей сушкой для нанесения лакокрасочных покрытий (ЛКП) – контактный способ;

- нанесение обмазки с последующим отжигом для нанесения металлических, эмалевых и композиционных покрытий – шликерный способ (вжигание);

- электрохимическое осаждение покрытий из водных растворов и расплавов солей – катодное восстановление;

- химическое осаждение из растворов и расплавов солей -химический способ;

- напыление покрытий: газотер­мическое, плазменное, детонационное, ионоплазменное;

- плакирование прокаткой, газопрессовой сваркой;

- осаждение покрытий из паровой фазы в вакууме;

- погружение деталей в жидкие металлы и сплавы.

Качество и защитные свойства большинства покрытий определяются сплошностью, равномерностью, постоянством состава покрытия на занимаемой поверхности, сцеплением с основой. Для контроля качества покрытий используют визуальные, химические, электрофизические и метал­лографические методы. Наиболее жесткие требования к сплошности предъявляются к катодным коррозионно-стойким покрытиям, которые изготовляют из более электроположительного материала, чем основа, а также к жаростойким покрытиям. Катодные покрытия экранируют анодные участки. Вследствие электроположительности они долговечны при отсутствии сквозных пор и механических повреждений. При наличии несплошности в покрытии основной металл разрушается быстрее, чем без покрытия.

Выбор типа защитного покрытия и способа его нанесения основывается на точном определении состава и состояния коррозионной среды. Необходим способ нанесения, дающий качественное покрытие и не вызывающий значительного изменения структуры, физических и механических свойств основы, коробления деталей. Можно отметить следующие отрицательные последствия некоторых методов нанесения покрытий: метод погружения может вызвать коробление и отжиг деталей, электрохимическое осаждение – наводораживание и охрупчивание, высокотемпературные методы – образование хрупких перехоных зон и др.

Защитная способность покрытия зависит от предшествующей подготовки поверхности, проведенной механическим или химическим путем. Подготовка поверхности деталей перед нанесением покрытия является обязательной операцией, влияющей на сплошность, адгезию и защитные свойства покрытий. Требуемая прочность сцепления между основой и покрытием может быть достигнута, если между ними нет посторонних загрязнений в виде жиров и окалины. В зависимости от состояния поверхности и метода нанесения покрытия подготовку ведут механическим путем, химическим травлением и обезжириванием.

Коррозионно-стойкими покрытиями служат цинк, хром, алюминий, кадмий, свинец, олово, а иногда и благородные металлы. В некоторых случаях применяют многокомпонентные покрытия на основе этих металлов.

Цинк коррозионностоек в атмосфере. Скорость коррозии цинка составляет 1-15 мкм в год. Цинковые покрытия имеют невысокую скорость коррозии, высокие поверхностную твердость и износостойкость. Оцинкованная металлопродукция является наиболее распространенным материалом с защитным покрытием и используется в атмосферных условиях для защиты листового проката, метизных изделий. На металлопрокат и стальные детали цинк наносится в щелочных электролитах [Zn(CN)₂, NaCN, NaOH] с температурой 40-50°С при плотности тока 0,01-0,02 А/м². Стальные трубы и метизы покрываются диффузионным цинкованием из расплава. Толщины цинковых покрытий на сталях могут составлять 6-40 мкм. Такие покрытия надежно служат не менее пяти лет.

Хром обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и воде. Хромирование находит широкое применение для защиты от коррозии изделий в самых различных отраслях промышлен­ности. Хромирование стальных деталей производится диффузионным способом из смеси порошков (70% Сг, 29% А1₂О₃, 1% NH₄C1) при температуре 1060°С и времени выдержки 15-18 ч. В заключение производится азотирование при 1060°С, 3 ч, в среде азота особой чистоты. Толщина хромовых покрытий составляет 80-120 мкм. Хромируют также алюминиевые сплавы, толщина покрытия составляет 30-90 мкм.

Алюминий стоек в атмосфере. Скорость коррозии алюминия в промышленной атмосфере 2-5 мкм в год и со временем замедляется. Алюминий непригоден для защиты в морской воде, но стоек в мягкой чистой воде, в почве и кислой химической среде. Он легко корродирует в местах малого доступа кислорода и при контакте со сталью и медными сплавами. Алюминий используют для защиты стальных металлоконструкций от коррозии в атмосферных условиях. Толщина алю­миниевого покрытия, нанесенного плазменным напылением, составляет 100-200 мкм. Алюминий можно наносить на поверхность также плакированием, металлизацией и алитированием.

Кадмий обеспечивает хоро­шую защиту стали при взаимо­действии с конденсатом, в нейтральной, щелочной и кислой средах. Срок защитного действия покрытия пропорционален толщине. Кадмиевое покрытие толщиной 25 мкм защищает сталь в промышленной атмосфере в течение года, а в морской воде - до пяти лет. Кадмий наносится электрогальваническим осаждением на посадочные поверхности стальных деталей, на резьбовые и крепежные детали, пружины. Толщина покрытий составляет 3-25 мкм.

Свинец обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, почве, воде, серной кислоте. Покрытия толщиной 10-100 мкм получают электролитическим осаждением.

Олово используется как защитное покрытие в аппаратах пищевой промышленности.

Жаростойкие металлические и неметаллические покрытия используют для защиты деталей энергетического оборудования, работающих при воздействии окислительной среды и высоких температур. Для нанесения жаростойких и теплоизоляционных покрытий используются различные методы, среди которых одним из важнейших является метод плазменного напыления.

Структуры жаростойких и теплоизоляционных покрытий различны. Жаростойкие покрытия должны быть плотными, имею­щими хорошую теплопроводность для отвода теплового потока, воздействующего на поверхность покрытия. Окружающая среда не должна проникать внутрь покрытия. Напротив, для получения хороших теплоизоляционных свойств необходимы пористые покрытия, обладающие низкой теплопроводностью. Перед напылением жаростойких и теплоизоляционных покрытий для повышения их качества на основной металл наносят (гальваническим методом или напылением) подслой из материалов, которые обладают хорошей адгезией к основе и коррозионной стойкостью. Жаростойкие и теплоизоляционные характеристики покрытий повышаются при использовании тугоплавких материалов, обладающих химической стабильностью при высокой температуре.

В условиях работы с частыми тепловыми ударами хорошо служат пористые покрытия. При работе в условиях газоабразивного и эрозионного износа более высокую износостойкость имеют плотные покрытия. Теплоизоляционные характеристики повышаются при увеличении толщины покрытия. Однако необходимо учитывать, что увеличение толщины покрытия повышает в нем остаточные напряжения, снижающие прочность сцепления покрытия с основным металлом. Увеличение толщины покрытия повышает склонность отслоения его от основы под действием термических деформаций, которые возникают при нагревании вследствие различного теплового расширения материалов основы и покрытия. На практике покрытия имеют толщину в пределах 0,1-1 мм.

В качестве материалов жаростойких покрытий используют металлы (вольфрам, молибден), сплавы, (на основе никеля и кобальта), тугоплавкие эмали, оксидные материалы (оксид алюминия, диоксид циркония). В качестве материала подслоя, улучшающего сцепление покрытия с основой, используют порошковые смеси Ni-Al и Ni-Cr, наносимые толщиной 0,05-0,1 мм.

Типичными материалами, широко используемыми для напыления теплоизоляционных покрытий, являются керамика и керметы.. В качестве теплоизоляционных материалов применяют оксид алюминия (А1₂О₃), диоксид циркония (ZrO₂) и др. Керметы -это металлокерамические смеси или комбинации металлов с керамикой. Их свойства – промежуточные между свойствами металлов и керамики. Большая часть композитных материалов, используемых в различных конструкциях в атомной, нефтяной и аэрокосмической промышленности, относится к керметам. Некоторые керметы, например, А1-А1₂О₃ (САП), V-A1-A1₂O₃ (твэл пластинчатого типа), В₄С – нержавеющая сталь (стержни управления) и др., находят применение в реакторостроении. По сравнению с керамикой керметы обладают большой прочностью и пластичностью, имеют более высокую сопротивляемость механическим и тепловым ударам.

Покрытия еще не нашли должного применения для защиты деталей энергооборудования из-за необходимости обеспечения длительных рабочих ресурсов, сложности текущего контроля и ремонта деталей с покрытиями. В перспективе применение надежных защитных покрытий может обеспечить использование экономичных низколегированных сталей.

Диффузионное хромирование применяется для увеличения эрозионной стойкости деталей топливной аппаратуры, например, форсунок. Эрозионная стойкость аустенитных хромоникелевых сталей после хромирования возрастает в 20-25 раз. Хромирование применяется для защиты труб пароперегревателей, а силицирование для защиты подвесок труб, выполненных из хромоникелевых сплавов. Силицированные стали устойчивы в контакте с золой, содержащей оксид ванадия. Для защиты огневых стенок и подвесок парогенераторов до температуры 700°С перспективны боратные покрытия системы Na₂B₄O₇-ZnO-SiO₂.

Для защиты деталей камер сгорания, сопловых аппаратов и лопаток газотурбинных двигателей широко используются жаростойкие покрытия из алюминия, хрома, никеля, кобальта.

14. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ТЕХНИКИ

Криогенная техника используется в ядерной и тепловой энергетике, металлургии, ракетно-космической технике, химической промышленности, приборостроении и т.д. Криогенная техника по функциональному назначению связана с получением сжиженных газов (кислорода, азота, водорода, гелия и др.), их транспортированием, хранением в сжиженном состоянии и использованием в качестве рабочих тел. Температурные области применения конструкционных материалов в криогенной технике связаны с температурой кипения сжиженных газов при нормальном давлении, табл. 7.

Таблица 7

Температура кипения газов

Газ	Метан	Кислород	Аргон	Фтор	Азот	Неон	Водород	Гелий
Т кип °С	-161	-183	-185	-188	-196	-246	-253	-269

Понижение температуры эксплуатации материалов сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязкости, повышением склонности к хрупкому разрушению. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.

К сталям и сплавам, работающим при низких температурах, предъявляются следующие основные требования:

- высокая прочность при температуре 20°С, которая определяет надежность и металлоемкость конструкций, а также расход хладоагента, требуемого для их захолаживания;

- технологичность при металлургическом и машиностроительном переделе;

- интервал рабочих температур должен находится выше порога хладноломкости материала.

При решении вопроса о пригодности материала в криогенной технике по механическим свойствам определяют на гладких образцах пределы прочности и текучести, относительное удлинение и сужение, а на образцах с концентратором напряжений в виде надреза или трещины ударную вязкость, порог хладноломкости, критерии раскрытия и распространения трещины.

Основными материалами криогенной техники являются стали и сплавы на основе алюминия, меди и титана. Наибольшее распространение нашли аустенитные стали типа 18-10 (08Х18Н9Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10, 08Х18НЮТ, ОЗХ18Н 12Х18Н9). Криогенные температуры повышают прочностные и снижают пластические свойства сталей. Стабильность аустенитной груктуры обеспечивают повышением никеля и других аустенитообразующих элементов (N, In) свыше 15%.Сталь 12Х18Н9 используется для изготовления упругочувствительных элементов (пружин, мембран, сильфонов), работающих при криогенных температурах, Сталь хорошо сваривается, шлифуется и полируется.

Стали 0ЗХ18Н11, 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т применяются для многих изделий, работающих при:температуре от 800 до - 269°. Стали хорошо обрабатываются горячим и холодным деформи­рованием, сваркой. Сталь 07Х21Н5АГ7 применяется в изделиях, работающих при температуре от 400 до - 253°С. Типичные изделия: подвески в кислородных установках, крепеж, тонкостенные конструкции, изготовляемые горячей и холодной деформацией. В структуре нельзя допускать образования карбидов хрома, приводящих к охрупчиванию. Для устранения карбидов применяют закалку с 1000-1050°С в воду.

Сплав 36НХ (36% Ni; 0,4- 0,6% Сг; остальное - железо) относится к типу инварных, т.е. имеет мало изменяющийся и низкий температурный коэффициент линейного расширения. Он применяется для изготовления бес компенсаторных криотрубопроводов. Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.

Алюминий и его сплавы составляют около 30% общего объема используемого металла в конструкциях криогенной техники. Алюминий не имеет порога хладноломкости (охрупчивания), сохраняет высокую пластичность с понижением температуры, имеет хорошую коррозионную стойкость на воздухе и в окислительных средах, а также высокую тепло- и электропроводность. В криогенной технике наибольшее распространение получили деформируемые сплавы алюминия систем Al-Mg (АМг5, Амг6) и Al-Cu (Д16).

Сплав АМг5 имеет достаточно высокие механические свойства при низких температурах, табл.8. Сплав АМг5 применяют для нагруженных деталей: обечаек, днищ, фланцев, трубных решеток и других изделий, работающих при температурах -253 – +150°С.

Сплав Д16 имеет высокую прочность и пониженную коррозионную стойкость. В криогенной технике сплав Д16 применяют для нагруженных несвариваемых деталей (фланцев, крепежа и др.), работающих при температурах в интервале от - 253 до + 230°С. В криогенной технике применяют также литейные несвариваемые алюминиевые сплавы – силумины, легированные 6-13% Si (A1), работающие при температурах в интервале от - 253 до + 230°С.

Таблица 8

Механические свойства сплава АМг5

т °с	sв, МПа	s02, МПа	d, %	y, %
-183 -196 -253

Медь и ее сплавы были одними из первых материалов криогенной техники. Медь имеет высокую пластичность и вяз­кость до температур, близких к абсолютному нулю (-273°С). В области криогенных температур медь не проявляет признаков хрупкого разрушения. Чистая медь имеет высокую теплопроводность и коррозионную стойкость в атмосферных условиях и во многих агрессивных средах. Из технической меди Ml, M2, МЗ изготовляют обечайки и днища трубчатых теплообменников, работающих при температурах до -250°С. Листовую медь используют для внутренних емкостей и экранов сосудов Дыоара для транспортировки и хранения сжиженных газов. Техническая медь применяется в отожженном состоянии (температура отжига 500-700°С) и имеет высокие механические свойства при низких температурах.

Латунь (Л63) применяется в криогенной технике при температурах –253 – +250°С для изготовления обечаек, днищ, фланцев. Отжиг латуни при температуре 270-285°С снимает внутренние напряжения. Механические свойства у отожженной латуни выше, чем у технической меди. Бронза БрАЖМц 10-3-1,5 применяется для шестерен, втулок, арматуры, работающих при температурах –196 – +150°С в условиях статических и циклических нагрузок, когда требуется малый коэффициент трения.

Титан и его сплавы для криогенной техники являются сравнительно новыми материа­лами, но их применение с каждым годом расширяется. Они обладают достаточно высокой прочностью при 20°С (на уровне аустенитных других сталей), имеют удовлетворительную пластичность и ударную вязкость при криогенных температурах. Низкая плотность (4,5 г/см-³) обеспечивает титановым сплавам удельную прочность более высокую, чем удельная прочность многих сталей и алюминиевых сплавов. Высокая удельная прочность сплавов особенно необходима для создания транспортных средств и летательных аппаратов.

Технический титан (ВТ 1-0) применяют для изготовления обечаек, фланцев и др., работающих под давлением в интервале температур –269 – +250°С. Титан обладает высокой корро­зионной стойкостью в атмосфере и окислительных средах. Для снятия напряжений применяют отжиг (520-540°С) с нагревом в вакууме или в защитных инертных газах. Титан хорошо сваривается, а также паяется с присадкой серебра. Сплав ВТ5-1 применяется для сварных изделий, работающих под давлением при температурах –253 – +500°С. Сплав 0Т4-1 используют для деталей, работающих при температурах -196 – +350°С. Трубы и листы отжигаются при температуре 740-760°С с целью снятия наклепа и внутренних напряжений Сплав хорошо сваривается различными способами сварки.

13. КАВИТАЦИОННО-СТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

В движущемся потоке жидкости при уменьшении давления ниже упругости насыщенных паров возникает нарушение сплошности, образуются полости, каверны, пузыри. При движении они сокращаются и исчезают – захо­пываются. При смыкании полостей материал, контактирующий с жидкостью, испытывает гидродинамические удары, вызывающие разрушение и эрозию. При этом давление в полости достигает 120-250 МПа, а температура повышается до 230 – 720°С. Выбор характеристик кавитационно-стойких материалов определяется особенностями их работы в условиях кавитации. Кавитационное разрушение может сопровождаться и абразивным изнашиванием частицами аб­разива, содержащегося в жидкости, а также электрохимической коррозией. Кавитация вызывает пластическую деформацию по­верхностных слоев, приводящую к упрочнению и повышению твердости. Энергия деформации расходуется на разрушение; большая ее часть превращается в тепло, идет на накопление дефектов, а другая часть расходуется на фазовые превращения в сплаве.

Кавитационно-эрозионное разрушение зависит и от структурного состояния сплава. Так, аустенитные стали сопротивляются коррозионному разрушению лучше, чем стали ферритного класса. Кавитационная стойкость понижается с уменьшением размеров зерен. Легирование сталей повышает их коррозионную стойкость. С этой целью ферритные стали легируют молибденом и хромом. Аустенитные стали имеют повышенную стойкость при легировании марганцем и никелем.

Под влиянием кавитационной деформации аустенит превращается в мартенсит, твердость которого выше, чем твердость мартенсита, образующегося в результате закалки. Поэтому аустенитные стали, имеющие мартенситное превращение, хорошо сопротивляются кавитационному разрушению. Практически используются два способа получения мартенситной структуры с высокой кавитационной стойкостью:

1) применение сталей, легированных хромом и марганцем, образующих нестабильные твердые растворы, способные упрочняться при деформировании во время эксплуатации вследствие образования мартенсита;

2) образование безуглеродистого мартенсита с последующим его старением, приводящим к упрочнению.

К сплавам первой группы относится аустенитная сталь З0Х10Г10. После закалки от 1100°С и ковки структура стали становится полностью аустенитной. Под действием кавитации происходит интенсивная деформация и превращение аустенита в мартенсит с достижением высокой степени упрочнения. В гидротурбостроении сталь З0Х10Г10 обладает наилучшей стойкостью против кавитационного разрушения.

К сплавам второй группы относятся стали с низким содержанием углерода (0,03-0,05 %) и высоким содержанием никеля, что позволяет получать безуглеродистый мартенсит. Такие легирующие элементы, как А1 и Ti в сочетании с никелем, могут давать упрочняющие интерметаллиды типа Ni₃Ti, Ni₃Al и Ni₃(Ti,Al). Состав и свойства сталей, используемых в гидротурбостроении, приведены в табл.9.

Таблица 9

Состав и свойства кавитационно-стойких сталей,

используемых в гидротурбостроении

Сталь	Содержание компонентов, %	sв	s0,2	d, %	Потери массы за 6 часов испытаний, мг
	С	Мn	Сг	Ni	МПа
З0Л	0,14 - 0,22	0,3 - 0,65	-	-
20X13	0,14 - 0,22	_	12,0 - 14,0	_
17Х18Н9	0,13 - 0,20	_	17,0 - 19,0	8,0- 10,0
З0Х10Г10	0,3 - 0,4	9,0 - 11,0	9,0 - 11,0	_

Разработан новый класс сталей, названных трипсталями, т.е. сталями, в которых превращение инициируется деформацией (Transformation Induced Plasticity). Высокая прочность и пластичность, а также кавитационная стойкость этих сталей достигаются подбором определенного состава и режима термической обработки. Трипстали могут иметь два состава: 0,3% С, 9% Сг, 8% Ni, 4% Mo, 2% Mn, 2% Si или 0,25% С, 25% Ni, 4% Mo, 1,5% Mn. Трипстали являются очень надежными конструк­ционными материалами.

Чугуны по кавитационной стойкости значительно уступают сталям. В первую очередь кавита­ционному разрушению подвержены графитовые включения. С целью увеличения прочности основы чугуна его легируют никелем и молибденом. Легированный серый чугун (1% Ni и 0,28% Мо) имеет в два раза большую кавитационную стойкость, чем нелегированный.

Нередко в условиях кавитационного воздействия работает бронзовая запорно-регулирующая арматура. Бронзы имеют мягкую, пластичную a-фазу и твердую, хрупкую b-фазу. Кавитационное разрушение начинается на границах фаз и распространяется в сторону мягкой a-фазы. С увеличением количества (b-фазы и более равномерным ее распределением кавитационная стойкость бронзы возрастает. Наиболее высокой кавитационной стойкостью обладает бронза БрАМц9-2 в b-фазном состоянии. Легирование кремнием, бериллием, марганцем повышает кавитационную стойкость бронз.

В настоящее время в качестве кавитационно-стойких получают распространение титановые сплавы. Наиболее высокой стабильностью обладают сплавы на основе b-фазы (до 70%) с мелкодис­персными выделениями a-фазы (потеря массы около 60 мг за 45 ч испытания). Высокопрочными яв­ляются закаливаемые a+b-сплавы типа ВТ6, ВТ14, ВТ22 и др.

По способности гасить коле­бания стали 1X13 и 2X13 занимают первое место среди сталей, применяемых в паротурбостроении для лопаток. Это качество особенно важно для длинных лопаток последних ступеней. Однако эти стали имеют низкое сопротивление эрозионному разрушению. Причиной эрозии лопаток последних ступеней части низкого давления турбин являются удары капель воды, образующихся в процессе частичной конденсации пара и увлекаемых его потоком. Эрозионному разрушению подвержены входные кромки лопаток. В результате входная кромка утончается и по мере износа кромки зона поражения передвигается в тело лопатки.

Используют различные способы защиты поражаемых эрозией поверхностей лопаток: припайку защитных твердосплавных пластин, наплавку твердых сплавов, химико-термическую обработку (азотирование до HV 800-850). В практике турбостроения применяют защиту входных кро­мок лопаток последних ступеней напайкой тонких стеллитовых пластин, которые, принимая на себя удары капель воды, предохраняют кромку лопатки от разрушения. Пластины изготовляют методом точного литья, обычно из стеллита ВЗК - углеродо содержащего сплава на основе кобальта (60-65%) и хрома (25-28%).Пайку выполняют серебряным припоем ПСр-45. Более надежной защитой является наплавка входных кромок стеллитом, применяемая для лопаток последних ступеней мощных турбин.

14. ПОЛИМЕРНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В качестве конструкционного материала полимеры используют как в чистом виде (без наполнителей), так и виде матриц полимерных композиционных материалов - пластмасс.

Пластмассы сравнительно новый вид материалов, нашедший широкое применение в технике и быту. Они вошли в технический обиход сначала как заменители традиционных материалов: металлов, бетона, керамики, стекла, дерева, а затем нашли и самостоятельное применение. Изделия из пластмасс легче, чем из других материалов. Они требуют меньшего ухода при эксплуатации, имеют хороший внешний вид. Их обработка, отделка менее трудо- и энергоемки. Пластмассы - хорошие тепло-, гидро- и электроизоляторы, имеют высокую химическую стойкость. Однако, где требуется сочетание стойкости в условиях высоких термических и механических нагрузкок, применение пластмасс менее эффективно, чем металлов. Полимеры уступают металлам по электро- и магнитопроводимости. Для эффективной эксплуатации изделий из пластмасс требуется, чтобы они работали при строго определенных температурах, силовых и временных характеристиках нагрузок. В машиностроении и приборостроении пластмассы широко используются как конструкционные материалы для деталей машин и приборов, а также как тепло-, гидро- и электроизоляционные материалы.

Оптимальный выбор пластмасс для конструкций требует знания их свойств при обработке (технологические свойства) и эксплуатации (эксплуатационные свойства).

Состав пластмасс: пластмассы состоят из основ – полимеров (связующих) и различных добавок (наполнителей, пластификаторов, отвердителей, красите­лей, стабилизаторов и смазывающих веществ).

Связующие (полимеры) -основа пластмасс, которая определяет их свойства. Связующими являются природные или синтетические полимеры – соединения с высокой относительной молекулярной массой (10³-10⁶), молекулы которых образованы одинаковыми, многократно повторяю­щимися группами атомов – звеньями. Каждое звено является измененной молекулой исходного низкомолекулярного вещества – мономера. Звенья образуются и последовательно соединяются друг с другом в процессе получения полимеров, формируя длинные линейные цепи молекулы. В названии полимера корень слова указывает на исходное вещество (полиэтилен, полистирол и др.) или характерную группу атомов (полиамид и др.). Если в макромолекулы объединены разные звенья, то полимер называется сополимером. Сополимеризация в полимерах аналогична легированию в металлических сплавах и изменяет свойства материала.

В зависимости от вида связей между молекулами полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичными называются полимеры, которые могут много раз размягчаться при нагревах и твердеть при охлаждениях без существенного измене­ния свойств. Между молекулами этих полимеров действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса (силы притяжения) и нет химических связей.

Термореактивными называют полимеры, у которых при нагреве между линейными мо­лекулами появляются химические связи, в результате чего полимер превращается в жесткое неплавящееся и нерастворимое вещество. Соединение линейных молекул химическими связями называют отверждением. До отверждения термореактивный полимер при нагреве размягчается как термопластичный. После отверждения он остается жестким за счет прочной химической связи между молекулами.

Получение полимеров основано на реакциях полимеризации, поликонденсации и обменного взаимодействия полимеров с другими веществами. Синтетические полимеры получают из каменного угля, нефти и природного газа.

К важнейшим термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полиамиды, фторопласты, полистирол, поливинилхлорид и органическое стекло. Они обладают большим электросопротивлением, малым водопоглощением и высокой химической стойкостью, однако имеют низкую теплостойкость, незначительную твердость, легко разбухают и растворяются в органических растворителях.

К термореактивным полимерам относятся карбамидные, фенолформальдегидные и эпоксидные полимеры. Они отличаются от термопластичных полимеров большой прочностью, теплостойкостью и твердостью.

Наполнители – вещества, вводимые в пластмассы в количестве 40-70% (по массе) для повышения их прочности, теплостойкости, ударной вязкости, снижения стоимости и изменения техно­логических свойств. Наполнители могут быть: порошкообразными (кварцевая мука, тальк, сажа, слюда, графит), волокнистыми (асбест, хлопчатобумажные, стеклянные и древесные волокна) и слоистыми (бумага, хлопчатобумажная ткань, стеклоткань, древесный шпон).

Стабилизаторы – различные органические вещества, которые вводят в пластмассы в количестве нескольких процентов для сохранения структуры молекул и стабилизации свойств, повышения долговечности пластмасс. Под действием окружающей среды (воздуха, света и теплоты) пластмассы стареют, становятся менее эластичными и более хрупкими. Старение представляет собой необратимое изменение свойств пластмассы. Изменения исходной структуры молекул составляют сущность старения пластмасс. Добавки стабилизаторов замедляют старение.

Пластификаторы добавляют в количестве 10-20% для уменьшения хрупкости и улучшения деформируемости пластмасс. Пластификаторами являются вещества, которые уменьшают межмолекулярное взаимодействие и хорошо совмещаются с полимерами. Пластификаторами являются дибутилфтолат, камфора, олеиновая кислота.

Отвердители вводят в коли­честве нескольких процентов в термореактивные пластмассы для отверждения путем соединения полимерных молекул химически­ми связями. В результате образуется пространственная молекулярная сетка, а молекулы отвердителя встраиваются в эту сетку. В качестве отвердителей используют серу (в каучуках), органические перекиси и другие соединения.

Красители придают пластмассам определенный цвет. Используются стойкие пигменты: органические (нигрозин, хризоидин) и минеральные (охра, сурик, мумия, умбра).

Смазывающие вещества (стеорин, олеиновая кислота, соли жирных кислот) вводят в пластмассы для предупреждения прилипания изделий к стенкам формы в процессе формования.

Основой классификации пластмасс служит химический состав полимера. В зависимости от полимера пластмассы разделяют на фенолформальдегидные, эпоксидные, полиамидные, полиуретановые, стирольные и др.

Применение пластмасс в качестве конструкционых материалов экономически целесообразно. По сравнению с металлами переработка пластмасс менее трудоемка, количество технологических операций в несколько раз меньше.

Пластмассы имеют высокий коэф­фициент использования материа­ла (КИМ) - 85-95%. Изделия из пластмасс не нуждаются в отделке поверхности, мерах защиты от коррозии, что удешевляет их эксплуатацию.

Пластмассы обладают ценными физико-механическими свойствами. Плотность пластмасс зависит от пористости и количества введенного наполнителя и составляет у пористых пластмасс 20-50 кг/м³, у плотных - 1800-2200 кг/м³.

Прочность пластмасс изменяется в. широких пределах. Предел прочности при сжатии стекловолокнистых пластмасс 400 МПа, при растяжении 450 МПа и при изгибе 700 МПа, что немногим меньше предела прочности стали марки Ст5 сп. Под нагрузкой термопласты ведут себя как вязкоупругие вещества, а их деформация является суммой трех составляющих: упругой деформации, высокоэластичной деформации и деформации вязкого течения. Соотношения между составляющими деформации непостоянны и зависят как от структуры полимера, так и от условий деформирования.

Термореактивные пластмассы прочнее термопластов, более жестки, и их свойства меньше зависят от температуры. Различие связей между молекулами сказывается на виде диаграмм растяжения, рис. 39. Сетчатая структура не дает развиваться высокоэластичной деформации, и реактопласты разрываются с незначительной остаточной деформацией, рис. 39 б.

Термопласты разрываются с остаточной деформацией порядка десятков и сотен процентов, рис. 39 а. Эта деформация называется вынужденной высокоэластичной; она возникает в результате вытягивания скрученных молекул под действием нагрузки. При растяжении материал начинает течь, в образце появляется шейка. Пластическое течение образца на участке mn (рис.39 а) представляет собой постепенное развитие шейки по всему образцу. После разрыва образца вынужденная высокоэластичная деформация не исчезает, так как растянутые молекулы не могут скручиваться обратно и сохраняют полученную вытяжку. Пластическое течение кристаллических полимеров сопровождается рекристаллизацией, т.е. заменой исходной кристаллической структуры на новую, в которой кристаллы имеют другую форму и преимущественно одинаковую ориентацию, а кристаллическая решетка не меняется. Новые кристаллы закрепляют полученную высокоэластичную деформацию, поэтому полученная вытяжка со

храняется после снятия нагрузки.

Рис. 39. Диаграммы растяжения пластмасс. Заштрихованная область – допускаемые напряжения и удлинения: а - вязкие аморфные и кристаллические термопласты; б - термореактивные пластмассы и хрупкие термопласты

Механические свойства термопластов имеют следующие особенности:

1) малая жесткость. Все полимеры и пластмассы имеют низкие модули упругости, которые в 10 –10³ раз меньше, чем у металлов. Жесткость реактопластов больше жесткости термопластов;

2) зависимость свойств от температуры. При нагреве уменьшается прочность материала, пластмассы становятся более вязкими и склонными ползучести. Полиэтилен, поливинилхлорид при нагреве теряют прочность так сильно, что их нельзя использовать как конструкционные материалы уже при температурах выше 50°С. При охлаждении ниже -25°С прочность пластмасс растет, но одновременно увеличиваются хрупкость и чувствительность к надрезам;

3) зависимость от длительности нагружения. При длительном действии нагрузки уменьшается прочность пластмасс и появляется ползучесть. С ростом напряжений и температуры ползучесть увеличивается. Из-за ползучести приходится ограничивать допускаемые напряжения, чтобы сохранить размеры изделий не изменными;

4) зависимость от скорости деформирования. При увеличении скорости деформирования повышается жесткость пластмасс, так как не успевает развиваться высокоэластичная составляющая деформации, и возрастает склонность к хрупкому разрушению;

5) зависимость свойств от структуры. Пластмассы с ориентированной молекулярной структурой анизотропны. Прочность максимальна вдоль ориентированных вытянутых молекул, а в поперечном направлении - уменьшена. Слоистые пластики имеют максимальную прочность вдоль листов наполнителя, они сравнительно легко раскалываются и расслаиваются параллельно листам наполнителя;

6) хорошее сопротивление усталости. При переменных нагрузках пластмассы имеют высокую долговечность и большую демпфирующую способность, которая выше, чем у многих сталей и сплавов. Пластмассы с большим механическим гистерезисом используются в качестве звуко- и вибропоглощающих материалов.

Ниже изложены механические свойства термореактивных пластмасс. Все термореактивные полимеры после отверждения имеют низкую ударную вязкость и поэтому изготовляются с наполнителями. Преимуществом наполненных термореактивных пластмасс является большая стабильность механических свойств и относительно малая зависимость от температуры, скорости деформирования и длительности действия нагрузки. Они более надежны, чем термопласты. При испытаниях на растяжение они разрушаются без пластического течения и образования шейки, рис. 39, б. Верхняя граница рабочих температур реактопластов определяется термической устойчивостью полимера или наполнителя. Важными показателями термореактивных пластмасс являются удельная жесткость и удельная прочность. Эти показатели реактопластов со стеклянным волокном или тканями превосходят показатели многих сталей, сплавов титана и алюминия. Порошковые реактопласты имеют пониженную ударную вязкость. Наибольшую прочность имеет капрон (сухой).

К важнейшим термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полиамиды, фторопласты, полистирол, поливинилхлорид и органическое стекло. Свойства некоторых термопластов приведены в табл. 10.

Полиэтилен получают путем полимеризации этилена, выделенного из газовых смесей при переработке нефтепродуктов или природного газа. Полиэтилен высокого давления и низкой плотности (ПНП) получают при давлении 150 МПа и температуре 250°С, а низкого давления и высокой плотности (ПВП) - при давлении 4 МПа и температуре 150°С. ПВП отличается от ПНП большими плотностью, твердостью и теплостойкостью.Предельная температура использования полиэтилена не выше 80°С. Из полиэтилена изготовляют трубы и соединительные части для них. Пленки из полиэтилена применяют для гидроизоляции.

Полипропилен получают полимеризацией пропилена. Он отличается от полиэтилена более высокой прочностью и термопластичностью, низкой водо- и газопроницаемостью и химической стойкостью. Температура эксплуатации может достигать до 120°С. Из него изготовляют трубы, арматуру и гидроизоляционную пленку.

Фторопласты - высокомолекулярные соединения на основе фтора и хлоропроизводных этилена. Они обладают высокой химической стойкостью, прочнос­тью, теплостойкостью (до 250°С) и низким коэффициентом трения. Из них изготовляют химически стойкие прокладки, подшипники, уплотнения для сальников и резьбовых соединений.

Для переработки пластмасс в детали и изделия применяются литье под давлением, непрерывное профильное выдавливание (экструзия) и формирование под давлением в пресс-формах. Термопласты свариваются прутковым способом (нагревом горячим воздухом 200°С) и контактным спо­собом (нагрев электронагревательным инструментом).

Таблица 10

Свойства термопластичных пластмасс

Материал	sв, МПа	d, .%	KCV, кДж/м^2	Максимальная температура эксплуатации (без нагрузки)Т, °С
Полиэтилен:
низкой плотности (<0,94т/м^3);	10-18	300-1000	Не ломается	60-70
высокой плотности	18-32	100-600	5-20	70-80
(>0,94т/м^3)
Полипропилен	26-38	700-800	3-15
Полистирол	40-60	3-4		50-70
Поливинилхлорид:
жесткий;	50-65	20-50	2-4	65-85
пластикат	10-40	50-350	Не ломается	50-55
Фторопласт-4	20-40	250-500
Фторопласт-3		160-190	8-10
Органическое стекло		5-6		65-90
Капрон (сухой)	75-85	50-130	3-10	80-100

К термореактивным пластмассам относятся: полимеры без наполнителей (фенолформальде-гидные - фенопласты, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические), порошковые пластмассы, волокниты, гетинаксы, текс-толиты, стеклотекстолиты и пористые пластмассы.

Фенопласты теплостойки до 200°С, износостойки, хорошо сопротивляются ползучести и действию агрессивных растворов, топлива, смазок. Из них изготовляют кнопки, ручки, электроарматуру, контейнеры. Слоистые пластики на основе этих полимеров используются для подшипников, бесшумных зубча­тых колес, деталей повышенной износостойкости.

Полиэфирные полимеры стойки против старения на воздухе и в промышленных агрессивных средах. Из них изготовляют изделия крупных габаритов – лодки, трубы, контейнеры и др.

Кремнийорганические полимеры (силиконы) имеют высокую теплостойкость (до 350°С). Они идут на изготовление теплостойких стеклопластиков.

Волокниты – это пластмассы, в которых наполнителем являются волокна. Они отличаются повышенной прочностью и ударной вязкостью. Волокниты, наполненные асбестовым волокном, сочетают теплостойкость (до 200°С) с высоким коэффициентом трения в паре со сталью и применяются в тормозных устройствах для обкладок и колодок.

Слоистые пластики представляют собой группу самых прочных и универсальных по применению конструкционных пластмасс. По виду наполнителя слоистые пластики разделяются на следующие виды: текстолиты - материалы с хлопчатобумажными тканями; гетинаксы - с бумагой; древеснослоистые пластики - с древесным шпоном; стеклотекстолиты - с тканями из стеклянного волокна. Текстолиты отличаются самым прочным сцеплением между полимером и наполнителем и лучше гасят вибрацию.

Текстолит часто используется для средненагруженных трущихся деталей (зубчатые колеса, кулачки и др.). Он хорошо сопротивляется износу.

Гетинаксы в зависимости от свойств составляющих применяются как электроизляционные и строительно-декоративные материалы.

Стеклотекстолиты сочетают малую плотность с высокой прочностью и жесткостью. Они по способности поглощать вибрации превосходят стали, сплавы титана и алюминия и имеют хорошую выносливость при переменных нагрузках.

Легкость технологической обработки пластмасс резанием, сверлением, строганием и литьем позволяет придавать изделиям из них разнообразную форму.

15. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Дата добавления: 2015-12-07