Чем больше легирующих элементов в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура

Жаропрочность – способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Характеристиками жаропрочности являются предел ползучести, длительная прочность, предел выносливости.

Предел ползучести – это напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при данной температуре. Предел ползучести обозначают буквой «сигма» с числовыми индексами. Например, - это напряжение, вызывающее суммарную деформацию в 0,2% за 100 ч при температуре 700°С.

Длительная прочность – напряжение, вызывающее разрушение при данной температуре за данный отрезок времени. Предел длительной прочности обозначают буквой «сигма» с индексами, определяющими температуру и длительность испытания. Например, - напряжение, вызывающее разрушение материала за 1000 ч при 700°С. Она определяет срок службы материала до разрушения. Для определения усталостной прочности проводят испытания на усталость при высоких температурах, при переменных и знакопеременных нагрузках. Пределы выносливости жаропрочных материалов выше их пределов длительной жаропрочности.

Ползучесть представляет собой медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений. Ползучесть металлов развивается благодаря перемещению дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному переносу. При нагреве имевшиеся вокруг дислокаций скопления легирующих элементов растворяются, и это облегчает скольжение.

Нагрев материала ускоряет диффузионный приток вакансий и облегчает переползание дислокаций в соседние плоскости кристалла. Зернограничное скольжение представляет собой сдвиг зерен относительно друг друга вдоль общих границ в узкой пограничной области. Деформация скольжения тем больше, чем мельче зерно. Диффузионный перенос связан с перемещением вакансий вдоль границ и внутри зерен. Под действием растягивающих напряжений уменьшается энергия образования вакансий, их концентрация увеличивается. Они начинают перемещаться в зоны, где их концентрация меньше. Навстречу потоку вакансий движется поток атомов, у растянутых границ количество атомов увеличивается и зерна удлиняются. Перенос атомов по объему зерна существенную роль играет лишь при температурах около 0,9Тпл., тогда как зернограничная диффузия существенна при (0,4 – 0,6)Тпл.

Для повышения жаропрочности следует ограничить подвижность дислокации и замедлить диффузию. Это достигается легированием тугоплавкими металлами, получением высокодисперсных фаз, термической обработкой для получения структуры полигонизации, упорядочением твердого раствора металла – основы и создание анизотропной структуры.

Легирующие элементы, вводимые в состав жаропрочных сплавов на основе железа, кобальта, никеля, распространяются в основе сплава, при этом образуя твердые растворы замещения или внедрения. Они могут образовывать химические соединения: карбиды либо интерметаллиды (соединения металлов). Карбиды образуют такие присадки, как молибден, вольфрам, титан, хром, ниобий, интерметаллиды – никель, титан, алюминий. И карбиды, и интерметаллиды имеют высокую твердость; их зерна упрочняют пластическую основу.

Полигонизация повышает сопротивление ползучести, так как малоугловые границы в зернах мешают подвижности дислокаций. Однако такая обработка эффективна лишь в изделиях простой формы (например, в трубах), когда деформация во всем изделии одинакова.

Анизотропную структуру в изделиях из жаропрочных сплавов получают направленной кристаллизацией или способами, пользующимися для получения композиционных материалов. Подвижность дислокаций существенно снижается в структуре с мелкими частицами упрочняющих фаз. Чем мельче частицы и чем ближе они находятся друг от друга, тем выше жаропрочность. Дисперсноупрочненная структура в сталях получается при помощи закалки и отпуска, а во многих жаропрочных сплавах – после закалки и старения.

Химический состав, структура и свойства жаропрочных сталей и сплавов различны, если они предназначены для работы при различных температурах.

При температуре ниже 300°С наиболее высокую прочность имеют простые конструкционные стали. В интервале 300-500°С оптимальные свойства имеют стали перлитного и ферритного класса. Стали мартенситного и мартенсито-ферритного классов (15X11МФ, 18Х12ВМБФР и др.) используют при температурах до 580-600°С.

При температуре больше 600°С большую прочность имеют стали аустенитного класса. При температуре 650-900°С лучшие прочностные свойства имеют сплавы на никелевой и кобальтовой основе, но последние не получили широкого распространения из-за дефицитности кобальта.