Стали, устойчивые к воздействию температуры, рабочей и внешней среды.

К этим сталям относятся жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие и коррозионостойкие стали.

Жаростойкие стали (ГОСТ 5632-72)

Жаростойкими (окалиностойким и) называют стали, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550⁰С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии.

Обеспечивать жаростойкость - означает повышать сопротивление стали окислению при высоких температурах. Сам процесс окисления в сталях – процесс сложный: на первой стадии это чисто химический процесс образования окислов, но в дальнейшем окисление, наряду с химическим соединением кислорода с Fe, сопровождается диффузией атомов кислорода и металла через многофазный окисленный слой. При образовании на поверхности плотной оксидной пленки скорость нарастания окалины определяется диффузией атомов через эту пленку.

Поэтому для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятно изменяют состав и строение окалины. Так, в результате введения в сталь хрома, алюминия и кремния, обладающих большим родством к кислороду, чем Fe, в процессе окисления образуются очень плотные пленки Al₂O_3, Cr₂O₃, SiO₂, диффузия через которые происходит крайне трудно. Чем выше содержание Al, Cr, Si в стали, тем выше окалиностойкость и тем может быть выше рабочая температура (колеблется в пределах 900-1300⁰С).

Различают высокохромистые (12Х17, 15Х25Т) и хромоникелевые (12Х18Н9, ХН32Т, ХН45) жаростойкие стали. Первые из них являются ферритными и при работе в нагретом состоянии становятся крупнозернистыми (охрупчиваются). Поэтому из них изготавливают изделия, которым несвойственны значительные, особенно ударные, нагрузки (электронагреватели, детали печей и т.д.)

Хромоникелевые стали имеют аустенитную структуру и используются для более нагруженных деталей печей: направляющие, вентилляторы, конвейеры и т.д.

Жаропрочные стали.

Жаропрочность – это способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.

Повышение температуры сильно понижает все механические свойства. При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях. С другой стороны, чем выше температура, тем ниже разрушающее напряжение для определенной продолжительности воздействия. Т.е. в общем случае при повышенных температурах прочность металла определяется двумя факторами – температурой и временем.

Исходя из этого, жаропрочность характеризуют тремя показателями:

- предел кратковременной прочности, который определяется как при обычных испытаниях, но с нагревом образца до заданной температуры. Эта характеристика используется для расчета на прочность деталей, работающих при высоких температурах весьма непродолжительное время (секунды, минуты);

- предел длительной прочности - это напряжение, вызывающее разрушение образца при данной температуре через конкретный промежуток времени. Например, σ⁶⁰⁰₁₀₀₌=250МПа означает, что при температуре 600⁰С напряжение 250МПа вызывает разрушения через 100 часов;

- предел ползучести – напряжение, которое за установленное время испытаний при данной температуре вызывает заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести). Например, σ⁶⁰⁰_1/1000 = 200МПа означает, что для удлинения образца на 1% за 1000 часов при температуре 600⁰ С предел ползучести должен быть равным 200МПа. Если напряжение будет повышено, то увеличится и суммарная деформация.

Обычно длительность работы изменяется от 1000 часов до 100000 часов, а деформация меняется в пределах от 0,1 до 1%.

Явления, происходящие в металле при ползучести, базируются на следующем. Пластическая деформация (наклеп) вызывает упрочнение металла. Однако при высокой температуре, когда подвижность атомов велика, происходит динамическая рекристаллизация и снятие наклепа. Эти два процесса - наклеп и динамическая рекристаллизация - конкурируя друг с другом во времени при повышенных температурах и определяют характер ползучести.

Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора элементами, которые повышают Т_рек (Mo, Ni, Co, Ti, V). Введение таких элементов увеличивает энергию связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, что и приводит к росту Т_рек. Кроме этого, при введении таких элементов создается возможность получения специальной структуры, состоящей из вкрапленных в твердый раствор и по границам зерен дисперсных карбидных и интерметаллидных фаз, получающейся в результате закалки с высоких температур и последующего старения.

Различают теплостойкие и аустенитные жаропрочные стали. К теплостойким сталям, работающим длительное время при температурах 450-650⁰С, относятся перлитные и мартенситные легированные стали (ГОСТ 20072-74).

Перлитные жаропрочные стали работают при температурах 450-580⁰С. При низком содержании углерода (до 0,15%) они хорошо подвергаются стыковой сварке и применяются для изготовления деталей теплоэнергетических установок (пароперегреватели, коллекторы, паропроводы и другие). При содержании углерода 0,25-0,30% перлитные жаропрочные стали не свариваются, и из них изготавливают валы, цельнокованые роторы паровых турбин и крепежные детали. Основой этих сталей является феррит, а избыточной фазой – карбиды.

Жаропрочность в них обеспечивается введением в небольших количествах ≈ 1% Mo, Cr, V, которые повышают температуру рекристаллизации, а ванадий еще и измельчает зерно. Такие стали после охлаждения на воздухе имеют перлитную структуру с карбидом M₃C [(Fe, Cr, Mo)₃ C], а после закалки в масле мартенситную или бейнитную структуру.

Традиционно жаропрочные перлитные стали (12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ) термически обрабатываются –проводят закалку в масло или нормализацию с последующим отпуском 720-750⁰С. После такой термообработки предел ползучести сталей σ⁵⁶⁰_1/100000≈85МПа, а предел длительной прочности σ⁵⁶⁰₁₀₀₀₀₀≈140МПа.

Мартенситные и мартенситно-ферритные жаропрочные стали – это сложнолегированные стали. Они в равной степени закаливаются от 1020-1030⁰С и на воздухе и в масле, а затем отпускаются при температуре, превышающей рабочую (580-620⁰ С). Типичными жаропрочными мартенситными сталями являются 12Х2МФБ, Х5ВФ. Увеличение содержания Cr до 10-12% переводит сталь в мартенсито-ферритное состояние (25Х11МФ, 1Х12ВНМФ). В составе всех этих находятся W, V, Mo, Nb, Ti, которые повышают Т_рек  и образуют карбиды типа М₂₃С₆, М₇С₃, М₂С, МС, которые коагулируют существенно медленнее. Все это в совокупности и повышает жаропрочность. Длительная прочность мартенситных и мартенситно-ферритных сталей выше, чем у перлитных и составляет σ⁵⁶⁰₁₀₀₀₀₀ ≈150-200МПа.

Для выпускных клапанов и других деталей двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса (сильхромы) (ГОСТ 5632-72) – Х6С, Х6СМ, Х7СМ, Х10С2М, Х13Н7С2.

Сильхромы кроме жаропрочности обладают и высокой окалиностойкостью (жаропрочностью) – у стали Х13Н7С2 интенсивное окисление начинается после 1000⁰ С. Как правило, сильхромы подвергаются закалке с 1000-1050⁰ С и отпуску 750-780⁰ С.