Жаропрочность и методы её повышения. Явление ползучести

Жаропрочность — способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при воздействии механических нагрузок и повышенных температур.

Жаропрочность важна при выборе материала, когда рабочие температуры изделий превышают 0,3 температуры плавления Т_пл. Многие детали современных паросиловых установок, металлургических печей, двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и других машин при работе разогреваются до высоких температур и испытывают большие нагрузки. Условия работы деталей различны. Основное значение при выборе материала имеют: 1) температура; 2) длительность работы под нагрузкой; 3) значение напряжения.

При высоких температурах ускоряются диффузионные процессы, изменяются исходная микроструктура и механические свойства материалов. С повышением температуры значительно возрастает число вакансий, увеличивается подвижность точечных дефектов. Кроме того, диффузия способствует перемещению дислокаций (линейный дефект) путём переползания, что даёт им большую «степень свободы», но также наблюдаются частичная аннигиляция дислокаций (дислокации разного знака взаимно уничтожаются), перераспределение их, что коренным образом меняет первоначальную дислокационную структуру металла.

Длительное время воздействия температуры приводит к существенным структурным изменениям: теряется прочность, полученная при термической обработке (закалка, старение), а также происходит потеря упрочнения, вызванного пластической деформацией, из-за таких процессов, как возврат и рекристаллизация.

Как уже было сказано, при высоких температурах ослабевают межатомные связи у металлов, уменьшаются модуль упругости E, временное сопротивление (предел прочности) σ_в и предел текучести σ_т.

Чем ниже температура плавления сплава, тем ниже и рабочая температура. При нагружении материала длительное время в условиях повышенных температур наблюдается процесс (явление) ползучести.

Если при постоянной температуре под действием постоянной нагрузки вызвать в металле напряжение даже ниже предела текучести σ_т и оставить его в этих условиях длительное время, то металл со временем будет деформироваться с определённой скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа.

Основными критериями жаропрочности металлов являются предел длительной прочности и предел ползучести. Такие понятия, как ползучесть и жаропрочность, тесно связаны между собой и отделить их друг от друга не представляется возможным.

Вопрос 2. Стали и сплавы с особыми физико-механическими свойствами Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

К сталям с особыми физическими свойствами относятся: магнитная; немагнитная; сталь, обладающая высоким электрическим сопротивлением; сталь с особыми теплофизическими свойствами.

Тугоплавкие материалы

Тугоплавкие материалы. Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе применяют для работы при температурах более 1000ºC.

Тугоплавкими называются металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа. Наибольшее применение в технике находят тугоплавкие металлы, имеющие следующие температуры плавления: хром (Cr) — 1900ºC, ниобий (Nb) — 2415ºC, молибден (Мо) — 2620ºC, тантал (Та) — 3000ºC, вольфрам (W) — 3410ºC.

Расширение производства и применение тугоплавких металлов и сплавов связано с развитием атомной теплоэнергетики и ракетно-космической техники.

Сплавы на основе ниобия (Nb) и молибдена (Mo) имеют наиболее удовлетворительные технологические свойства. Кроме того, они охрупчиваются при сравнительно низких температурах (+100) — (–100)ºC. Вольфрам (W) переходит в хрупкое состояние при температуре 600ºC. Благодаря сравнительно высокой пластичности сплавы ниобия и молибдена имеют более широкое распространение.

Все тугоплавкие металлы имеют низкую жаростойкость. Для защиты их от окисления применяют различные покрытия. Для молибденовых и вольфрамовых сплавов применяют различные термодиффузионные силицидные покрытия.

В качестве материала для вкладышей сопел в реактивных двигателях, работающих на твёрдом топливе, применяют графит, имеющий температуру плавления 3900ºС. Температура пламени в таких двигателях достигает 3500ºC. Недостатком графита является низкая эрозионная стойкость, приводящая к износу сопла из-за твёрдых частиц, содержащихся в отходящих газах.