1.4.3. Жаропрочные стали
Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С. При температурах до 600 °С чаще используют стали на основе α-твердого раствора, а при более высоких температурах –стали на основе аустенитной структуры, обладающие более высокой жаропрочностью. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз и выше их жаропрочность. К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если содержание его превышает 50 %.
Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10 000 - 200 000 ч) при температурах не выше 500 - 580 °С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют углеродистые и низколегированные теплоустойчивые стали перлитного класса (табл. 1.6).
Если рабочая температура не превышает 400 °С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К (ГОСТ 5520-79), поступающие в виде листов и труб. В марке буква «К» означает «котельная», а цифра – содержание углерода в сотых долях процента. Механические свойства сталей: σв = 360–490 МПа, σ0,2 = 220–280 МПа, δ =24–19 %. Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность.
Для более ответственных, паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют низколегированные стали, содержащие Сr, V, Mo и Nb (ГОСТ 20072–74).
Легирующие элементы, находясь в твердом растворе феррита, затрудняют диффузионные процессы, повышают температуру рекристаллизации, вызывают дисперсионное твердение, формируют в процессе γ ↔ α-превращения субструктуру и стабилизируют карбидную фазу. Все эти процессы повышают жаропрочность стали.
Содержание углерода должно быть 0,08–0,2 %. При большом количестве углерода ухудшается свариваемость, ускоряются процессы коагуляции карбидов и твердый раствор обедняется молибденом, что снижает прочностные свойства. Ванадий (ниобий), образуя дисперсные карбиды, упрочняет матрицу. Наиболее высокие значения длительной прочности достигаются после закалки и высокого отпуска. Температура отпуска должна быть выше рабочей, чаще 660 - 700 °С. В процессе эксплуатации сталей протекают процессы коагуляции карбидов М3С, образование карбидов типа M23C6 и M2C, и твердый раствор обедняется молибденом. Все это снижает механические свойства. Для котельных установок, работающих при температуре 560 °С и давлении 25,5 МПа чаще применяется сталь 12Х1МФ, обладающая хорошими технологическими свойствами и хорошей теплостойкостью ( = 140 МПа и  = 110 МПа).
Таблица 1.6
Химический состав (по легирующим элементам) и свойства жаропрочных сталей при температуре 600 °С
Сталь
|
Содержание элементов, %
|
Предел длительной прочности, МПа
|
|
|
|
|
С
|
Сr
|
Mo
|
V
|
другие
элементы
|
|
|
Стали перлитного класса
|
12Х1МФ
|
0,08-0,15
|
0,9–1,2
|
0,25–0,35
|
0,15–0,30
|
–
|
80
|
60
|
15Х1М1Ф
|
0,1-0,16
|
1,1–1,4
|
0,9–11
|
0,2–0,25
|
–
|
85
|
65
|
12Х2МФСР
|
0,08–0,15
|
1,6–1,9
|
0,5–0,7
|
02–0,35
|
0,4–0,7 Si; <0,005 % В
|
85
|
65
|
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов
|
15Х11МФ
|
0,12–0,19
|
10–11,5
|
0,6–0,8
|
0,25–0,40
|
–
|
97
|
-
|
18Х12ВМБФР
|
0,15–0,22
|
11–13
|
0,4–0,6
|
0,15–0,30
|
0,2-0,4 Nb; 0,4-0,7 W; ≤0,003 % В
|
180
|
150
|
18Х12ВМБФР
|
0,15-0,22
|
11–13
|
0,4–0,6
|
0,15–0,30
|
0,15-0,3 Nb; 0,55-0,85 W; 0,5-1,0 Ni; 0,5-1,0 Мn; ≤0,08 В
|
180
|
140
|
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, крепежные детали, трубы и т. д.) применяют высокохромистые (8–13 % Сr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и В (см. табл. 1.6). Эти стали помимо более высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома они относятся или к мартенситному (до 10–11 % Сr) или к мартенситно-ферритному (11– 13 % Сr) классу. Структура этих сталей состоит из мартенсита, δ-феррита, карбидов типа М23С6, М6С, M2C, МС и интерметаллидов Fe2W (Fe2Mo). Высокая жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидов и интерметаллидных фаз. Наиболее сильно повышают жаропрочность вольфрам и ванадий в сочетании с молибденом. Легирование стали бором, цирконием, церием и азотом дополнительно увеличивает жаропрочность. Рабочие температуры этих сталей могут достигать 580–600 °С. Однако количество ферритообразующих элементов должно быть ограничено, в противном случае сталь может стать полуферритной, что снизит жаропрочность.
Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650–750 °С. Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин широко используется сталь мартенситного класса 15Х11МФ, которая проходит закалку на воздухе (масле) от 1050–1100 °С и отпуск при 680–750 °С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов М23С6 и М6С в аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества δ-феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей – сорбит. Предел длительной прочности стали 15Х11МФ при 550°С  = 150–170 МПа. Стали поступают в виде сортового проката – горячедеформированного толстого листа и горячедеформированных или холоднодеформированных труб.
Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. Наиболее известны сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М (0,7–0,9 % Мо). Эти стали при нагреве и охлаждении испытывают полную фазовую перекристаллизацию α↔γ. Стали применяют после закалки в масле от 1000–1050 °С и отпуска при 720–780 °С (для стали 40Х10С2М) и при 800 °С (для стали 40Х9С2) с охлаждением на воздухе или в воде. Нагрев под закалку до более высоких температур приводит к сильному росту зерна и грубому кристаллическому излому. Медленное охлаждение в интервале температур 450–600 °С вызывает охрупчивание сильхромов. Хрупкость может быть устранена повторным нагревом до 750–800 °С. При нагреве выше 500–600 °С прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.
Стали аустенитного класса. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют Мо, W, V, Nb и В. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500–750 °С. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных.
Аустенитные стали пластичны и хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными и мартенситными обработка их резанием затруднена. Сварной шов аустенитных сталей при наличии крупного зерна обладает повышенной хрупкостью. Полученное при перегреве крупное зерно вследствие отсутствия α↔γ-превращения термической обработкой измельчено быть не может.
Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:
1) твердые растворы, не упрочняемые старением;
2) твердые растворы с карбидным упрочнением; в этом случае упрочняющими фазами могут быть как первичные (TiC, VC, ZrC, NbC и др.), так и вторичные карбиды (М23С6, М6С, М7С3), выделяющиеся из твердого раствора;
3) твердые растворы с интерметаллидным упрочнением. Чаще в этих сталях упрочняющей фазой являются интерметаллиды типа Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Ti, Al), Ni3Nb и др.
Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением.
Аустенитные жаропрочные стали со структурой твердых растворов, например 10Х18Н12Т, 08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н18В2БР и 09Х14Н19В2БР, предназначенные для изготовления пароперегревателей и турбоприводов силовых установок высокого давления, работающих при 600–700 °С, применяют в закаленном состоянии. Закалку проводят от 1100–1160°С в воде или на воздухе. После закалки стали приобретают умеренную прочность и высокую пластичность (σ100 = 250–260 МПа при 700 °С).
Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящей из двух последовательных операций, приведенных ниже.
1. Закалка от 1050–1200 °С в воде, масле или на воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.
2. Старение при 600–850 °С. Оно предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна вызывать заметной коагуляции избыточных фаз.
С увеличением легированности сплавов элементами, тормозящими процессы диффузии, температура старения возрастает. Для максимального и равномерного выделения интерметаллидных и карбидных фаз иногда применяют ступенчатое старение, например двойное: сначала при более высокой температуре, а затем при более низкой (или наоборот).
Состав некоторых аустенитных жаропрочных сталей, упрочняемых термической обработкой, приведен в табл.1.7.
Высокая жаропрочность и карбидное упрочнение сталей достигаются введением в хромоникелевый или хромоникелемарганцевый аустенит 0,3–0,5 % С и карбидообразующих элементов Мо, W, V, Nb и др. Такими сталями являются 45Х14Н14В2М и 40Х15Н7Г7Ф2МС. Сталь 45Х14Н14В2М применяют после отжига при 820 °С (охлаждение на воздухе) для изготовления крепежа в газотурбостроении и для клапанов авиационных двигателей. После отжига структура стали – аустенит и карбиды типа М23С6 и М6С.
Для изготовления различных деталей газотурбинных установок, работающих при небольших нагрузках (турбовозы, газовые стационарные турбины), а также для крепежных деталей применяют сталь 40Х15Н7Г7Ф2МС, в которой никель частично заменен марганцем. Упрочнение стали достигается закалкой от 1170– 1190 °С в воде (на воздухе) и старением при 800 °С в течение 8– 10 ч. В процессе старения образуются дисперсные карбиды М23С6 и VC, которые повышают механические свойства при нормальной и высоких температурах. Стойкость стали против окисления при температурах свыше 700 °С невелика, поэтому детали алитируют (насыщают поверхность алюминием) или подвергают электролитическому никелированию.
К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей. Основной упрочняющей фазой является соединение Ni3Тi, а в присутствии алюминия – соединениe Ni3(Al, Ti). При старении возможно образование также карбидов типа TiC. Содержание углерода в этих сталях должно быть небольшим, так как он связывает молибден и вольфрам в карбиды, что понижает жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.
Сталь 10Х11Н20ТЗР применяют в виде листов для изготовления сварных элементов высокопрочных конструкций, работающих при температуре до 700– 750°С. Эту же сталь с большим количеством титана и алюминия, без сварки, используют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650– 700 °С. Листовую сталь упрочняют закалкой от 1060–1080°С и старением при 700 °С 3–8 ч (в зависимости от толщины листа). Холодная деформация перед старением повышает временное сопротивление.
Сталь 10Х11Н23Т3МР, содержащая несколько больше никеля и добавочно легированная молибденом, имеет лучшую жаропрочность при 700–750°С по сравнению со сталью 10Х11Н20Т3Р. Режим термической обработки первой из них для получения максимальной жаропрочности: закалка от 1100–1130°С на воздухе (при крупных сечениях в масле) и двойное старение при 750–785 °С 16 ч и при 600–650 °С 10–16 ч.
1.4.4. Жаропрочные сплавы на железоникелевой и никелевой основе
К железоникелевым сплавам (см.табл. 1.7) относятся материалы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов (W, Ti и др.) в железоникелевой основе.
Сплавы на железоникелевой основе применяют для изготовления деталей паровых и газовых турбин. Так, например, для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при 500–750 °С, применяют сплав ХН35ВТЮ. Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки от 1150-1180°С на воздухе, второй закалки от 1050 °С на воздухе и старении при 830 °С 8 ч.
Жаропрочные сплавы на основе никеля (табл.1.8) нередко называют нимониками. Они находят широкое применение в различных областях техники (стационарные газовые турбины, авиационные двигатели, химическое аппаратостроение и т. д.). Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 850 °С.
Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом (~20 %), а для повышения жаропрочности–титаном (1,0–2,8 %) и алюминием (0,55–5,5 %). В этом случае при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная фаза типа Ni3(Ti, A1), когерентно связанная с основным γ-раствором, а также карбиды TiC и нитриды TiN, увеличивающие прочность при высоких температурах. Дальнейшее увеличение жаропрочности достигается легированием сплавов молибденом и вольфрамом, которые повышают температуру рекристаллизации и затрудняют процесс диффузии в твердом растворе, что необходимо для коагуляции избыточных фаз и рекристаллизации. Добавление к сложнолегированным сплавам кобальта еще больше увеличивает жаропрочность и технологическую пластичность сплавов. Для упрочнения границ зерен γ-раствора сплав легируют бором и цирконием. Они устраняют вредное влияние примесей, связывая их с тугоплавкими соединениями. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова понижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением. В связи с этим для повышения жаропрочности при выплавке жаропрочных сплавов необходимо использовать возможно более чистые шихтовые материалы, свободные от вредных легкоплавких примесей.
Наиболее широко используют никелевый сплав ХН77ТЮР (ГОСТ 5632–72). После закалки от 1080–1120 °С сплав имеет структуру, состоящую из пересыщенного γ-раствора с ГЦК-решеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью, допускающей штамповку, гибку и профилирование. Сплав удовлетворительно сваривается. После закалки и старения при 700 °С сплав получает высокую жаропрочность.
Часто используют также сплав ХН70ВТЮ, обладающий хорошей жаропрочностью и достаточной пластичностью при 700– 800 °С.
Для длительных сроков службы наилучшее сочетание длительной прочности и пластичности имеет сплав ХН65ВМТЮ. Этот сплав получил широкое применение как материал лопаточного аппарата стационарных газовых турбин и крепежных деталей турбин. После двойной закалки от 1220 и 1050 °С на воздухе и старения при 850 °С сплав имеет высокую жаропрочность. Объясняется это большим количеством основной упрочняющей фазы, выделяющейся из твердого раствора в процессе старения.
Таблица 1.7
Химический состав и пределы длительной прочности σ100 некоторых жаропрочных сталей
Сталь
|
Содержание элементов, %
|
σ100, МПа, при температуре, °С
|
Рабочая температура, °С;
назначение
|
С
|
Сr
|
Ni
|
Si
|
Mn
|
Другие элементы
|
600
|
700
|
800
|
Стали с карбидным упрочнением
|
45Х14Н14В2М
|
0,4–0,5
|
13–15
|
13–15
|
-
|
-
|
2–2,75 W;
0,25–0,4 Мо
|
220
|
-
|
-
|
До 600; диски газовых турбин, выпускные клапаны.
|
40Х15Н7Г7Ф2МС
|
0,38–0,47
|
14–16
|
6–8
|
0,9–1,4
|
6,0-8,0
|
1,5–1,9V;
0,65–0,85 Мо
|
420
|
240
|
125
|
650; корпуса газовых турбин, лопатки, крепежные детали.
|
3 7Х12Н8Г8МФБ
|
0,34–0,4
|
11,5-13,5
|
7–9
|
-
|
7,5-9,5
|
1,1-1,4 Мо; 0,25-0,45 Nb; 1,25-1,55V
|
450
|
300
|
150
|
То же
|
|
Стали с интерметаллидным упрочнением
|
10Х11Н20Т3Р
|
До 0,1
|
10–12,5
|
18–21
|
-
|
-
|
2,3–2,8 Ti; до 0,5 А1; 0,008–0,02 В
|
-
|
300
|
100
|
500–750; камеры сгорания, кольца соплового аппарaта, сварные детали.
|
10Х11Н23Т3МР
|
До 0,1
|
10–12,5
|
21–25
|
-
|
-
|
2,5–3 Ti; до 0,8 А1; 1–1,6Мо; 0,08–0,02 В
|
580
|
400
|
200
|
До 750; диски и лопатки газовых турбин.
|
Сплавы на железоникелевой основе
|
ХН35ВТЮ
|
До 0,08
|
12–15
|
33–37
|
-
|
-
|
2,4-3,2 Ti; 2-4 W; 0,7-1,7 А1; 0,02В
|
600
|
380
|
220
|
650–750; то же и прутки, полосы, поковки.
|
ХН38ВТ
|
0,06–0,12
|
20–23
|
33–39
|
-
|
-
|
0,7–1,2 Ti;
2,8–3,5 W
|
-
|
-
|
80–90
|
До 1100; детали из листа, работающего ограниченно при умеренных напряжениях.
|
Таблица 1.8
Химический состав и механические свойства некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 800 °С
Сплав
|
Содержание элементов1 (основа – никель), %
|
Механические свойства
|
Сr
|
Ti
|
A1
|
W
|
Другие элементы
|
σв ,
МПа
|
 , МПа
|
δ, %
|
ХН77ТЮР
|
19–22
|
2,4–2,8
|
0,60–1,0
|
5–7
|
-
|
550
|
200
|
10
|
ХН70ВМТЮ
|
13–16
|
1,8–2,3
|
1,7–2,3
|
5–7
|
2–4 Мо; 0,1–0,5V
|
680
|
230–270
|
8
|
ХН55ВМТКЮ
|
9–12
|
1,4–2,0
|
3,6–4,5
|
4,5–6,5
|
4–6 Mo; 0,2–0,8 V
|
850
|
450
|
10
|
ХН65ВМТЮ
|
15–17
|
2,0–2,8
|
1,0-1,5
|
8,5–10
|
3,5–4,5 Mo
|
-
|
300
|
-
|
1 Содержание углерода в сплавах составляет 0,02 – 0,025 %, бора – 0,01 – 0,02 %.
|
Никелевые сплавы широко применяют в литом виде (табл.1.9).
Литые сплавы получают при литье с обычной равноосной кристаллизацией, направленной кристаллизацией, позволяющей уменьшить роль границ зерен в разрушении (зерна располагаются параллельно приложенному усилию) и при выращивании монокристалла. Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышают жаропрочность, однако технология получения деталей сильно усложняется. Поэтому они применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергают закалке от высоких температур и старению. Применяют сплавы и без термической обработки, тогда старение протекает в процессе эксплуатации при высоких температурах.
Таблица 1.9
Химический состав (по легирующим элементам) и предел длительной прочности литых никелевых сплавов
Сплав
|
Содержание элементов 1, %
|
, МПа
|
Сr
|
Ti
|
Al
|
Mo
|
другие элементы
|
ЖСЗ
ЖС6К ВЖЛ12У
|
14–18 10,5-12,5
8,5–10,5
|
1,6–23 2,5–3,0
5,0–5,7
|
1,6–22 5,0–6,0
4,2–4,7
|
3,0–4,0 3,5–4,5
2,7–3,4
|
4,5-6,5 W
4,5–6,5 W; 4,5 Со
1,0–1,8 W; 12–15 Со; 0,5–1,0 V; 0,015 В
|
300 520
520
|
1 Содержание углерода 0,1 - 0,2 %
|
Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергают алитированию.
1.4.5. Тугоплавкие металлы и сплавы
К тугоплавким обычно относят металлы, у которых температура плавления превышает 1700°С.
Наибольшее применение получили металлы VA подгруппы: ванадий, ниобий, тантал - и металлы VIA подгруппы: хром, молибден, вольфрам. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью.
Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость - большой недостаток тугоплавких металлов.
По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное оборудование.
Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедрения: кислородом, азотом, углеродом, а металлы VA подгруппы - еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды.
Примеси внедрения охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы VIA подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300 °С, а у молибдена и хрома - в пределах 90-250 °С в зависимости от марки металла.
Металлы VA подгруппы имеют более высокую растворимость примесей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются пластичными и вязкими от 25 °С вплоть до -196 °С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти металлы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Избыток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристаллизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей обработке давлением выше температуры рекристаллизации и при сварке.
Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольфрама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки титана и циркония, а также редкоземельных металлов используются как основная мера повышения пластичности тугоплавких сплавов. Эти добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пластичность не оказывают. Легирование молибдена или вольфрама рением резко понижает температуру хрупкости, сплавы вольфрама с рением пластичны при температуре 25 °С. Однако рений - очень дефицитный металл.
Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благодаря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия примесей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными металлами – молибденом и вольфрамом - высокопрочные наклепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25 °С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий.
В табл.1.10 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен.
Таблица 1.10
Механические свойства тугоплавких металлов
Металл
|
При 25 °С
|
При 1100 °С
|
σв, МПа
|
σ0,2 , МПа
|
δ , %
|
ψ , %
|
НВ
|
σв, МПа
|
σ0,2 , МПа
|
δ , %
|
Ванадий
|
200-220
|
100-115
|
25
|
75
|
80
|
60
|
30
|
35-40
|
Ниобий
|
200-350
|
120-260
|
25-50
|
60-100
|
50-80
|
70
|
57
|
35-42
|
Тантал
|
200-400
|
180
|
50-70
|
95
|
90- 125
|
120
|
57
|
43
|
Хром
|
270
|
190
|
0-3
|
0
|
90-100
|
25-85
|
-
|
-
|
Молибден
|
800-900
|
420-450
|
10-15
|
-
|
150-170
|
175
|
110
|
70
|
Вольфрам
|
600-1100
|
-
|
0
|
0
|
360-400
|
235
|
200
|
52
|
Примечания: 1. Значения приведены для металлов технической чистоты в рекристаллизованном состоянии.
2. Механические свойства ванадия приведены для температуры 1000°С.
|
Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: сплавы со структурой твердого раствора и сплавы, упрочняемые закалкой и старением.
Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, тантал, рений) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства.
Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома - наименее жаропрочны. Тем не менее, при температурах 800-1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до температур 1000-1100°С.
Таблица 1.11
Механические свойства тугоплавких сплавов
Сплав
|
При 25 оС
|
При 1200 оС
|
σ100, МПа
|
σв, МПа
|
σ0,2 , МПа
|
δ , %
|
σв, МПа
|
Δ , %
|
На основе ниобия:
ВН2А
(4,1 Мо; 0,7 Zr; < 0,08 С)
|
800-900
|
620
|
4-5
|
240-260
|
-
|
130 (при 1100°С)
|
ВН4
(9,5 Мо; 1,5 Zr; 0,3 С)
|
810
|
730
|
16
|
550
|
-
|
280 (при 1100°С)
|
На основе тантала:
Та + 10 W
|
760
|
520-710
|
3,5
|
300-490
1051
|
1,2 301
|
140 (при 1200°С) 35 (при 1650 °С)
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
На основе хрома:
ВХ1И (до 1Y)
ВХ2 (0,15 Ti; 0,2 V; 1 Y) BX4 (32 Ni; 0,15 Ti; 0,25 V, 1,5 W)
|
270
350
950
|
190
240
800
|
3
3
8
|
80
250
2402
|
-
30
121
|
24 (при 1200оС) 65 (при 1100 оС)
-
|
На основе молибдена: ВМ1 (0,4 Ti; ≤0,01 С) ВМЗ (1,1 Ti; 0,5 Zr;
0,4 С; 1,4 Nb)
Мо + 40 Re
|
800
800-860
840
|
680
-
-
|
10 0,03
2-8
|
340
550
1303
|
14
12
-
|
80-90 (при 1200 oС)
250-270 (при 1300 °С)
-
|
На основе вольфрама:
W + 27 Re
W+ 15 Мо
|
1400
-
|
-
-
|
4
-
|
700
175
|
123
274
|
42 (при 1600 °С)
-
|
Примечания: 1 при 2000 оС; 2 при 1000 оС; 3 при 1500 оС; 4 при 1600 оС.
|
Сплавы на основе ниобия работоспособны до 1300°С, а при кратковременной работе выдерживают температуры до 1500°С. Их достоинство - небольшая плотность. Сплавы на основе молибдена работоспособны до 1300-1400°С, на основе тантала - до 2000 °С, а на основе вольфрама - до 2000-2200 °С (табл. 1.11). При температурах до 1900-2000 °С многие сплавы на основе тугоплавких металлов более жаропрочны, чем вольфрам. Выше температуры 2000-2500 °С нелегированный вольфрам является самым жаропрочным металлом (в защитной атмосфере).
|
