Сталь жаропрочная высоколегированная

Главной характеристикой, определяющей работоспособность жаропрочных сталей и сплавов, является жаропрочность (напряжение, вызывающее заданную деформации, не приводящую к разрушении). Если оговариваются напряжение и время, такая характеристика называется пределом длительной прочности; если оговаривается напряжение, время и деформация - это предел ползучести. Стали и сплавы, предназначенные для высокотемпературной службы (выше 500°С), обладают одновременно и высоким сопротивлением газовой коррозии (главным образом окислении) - жаростойкостью.

Температурная шкала эксплуатации сталей и сплавов делится на три уровня. Первый уровень - от 20 до 400°С. Конструкции из сталей и высоколегированных сплавов рассчитываются по номинальным допускаемым напряжениям, близким к пределу текучести. Второй уровень - от 400 до 600°С. Конструкции в основном работают в условиях ползучести. Стали для работы при этих температурах относятся к категории теплоустойчивых (High-Temperature Steels), температурный предел их работы - 550-600°С. Третий уровень - выше 600°С. Это группа жаропрочных сталей и сплавов. Условия нагружения могут быть самыми различными. Крепежные соединения (болты, гайки, резьбы) и пружины, будучи нагруженными, в процессе службы не меняют своих размеров, но с течением времени при высоких температурах имеет место самопроизвольное снижение уровня первоначально заданных механических напряжений (релаксация напряжений). Соответственно, стали и сплавы, сопротивляющиеся спаду напряжений, относятся к релаксационностойким. В отдельных случаях такие стали нормируются специальным стандартом, например, DIN 17240.

Среди жаропрочных представлены стали всех уровней легирования и основных структурных классов: перлитные, мартенситные, мартенсито-ферритные (феррита не менее 10%), ферритные, аустенито-мартенситные. Перлитные стали относятся к категории низколегированных. К высоколегированным относятся стали, содержащие не менее 10% (по массе) легирующих элементов, если считать по верхнему пределу. К сплавам на железо-никель-хромовой основе относятся сплавы, в которых суммарное содержание никеля и железа составляет 65 % во массе. Надо отметить, что деление на стали и железные сплавы носит условный характер и в зарубежных стандартах они отнесены к аустенитным сталям.

К сплавам на основе никеля или кобальта относятся такие композиции элементов, в которых содержание никеля или кобальта порознь или в сумме составляет 55 % (по массе). Для России характерна была разработка сталей к сплавов, содержащих минимальное количество никеля, кобальта, молибдена, тантала, ниобия, но зато широко использовались марганец, хром и, в некоторый период, вольфрам. Для зарубежных сталей и сплавов, напротив, характерно широкое использование кобальта, молибдена, ниобия и ванадия. В силу этих причин структурные классы являются базой для сравнения различных марок сталей и сплавов одинакового назначения, что положено в основу приведенного далее сравнения стандартов различных стран. Сравнение кратковременных механических свойств и показателей жаропрочности отечественных и зарубежных сталей одного и того же класса, несмотря на разницу в подходах к системам легирования, показывает их близость. Разница в свойствах, особенно при испытаниях на длительную прочность и ползучесть, может быть обусловлена не только основным химическим составом, но и особенностями технологии производства. Ряд мартенсито-ферритных сталей нашел широкое применение в качестве высокотемпературного крепежа (болты, гайки), о жаропрочных свойствах и сопротивлении релаксации напряжений которого можно судить по свойствам стали 18Х12ВМБФР. Ферритные и аустенито-ферритные стали обладают сравнительно невысокой жаропрочностью. Однако они содержат повышенное количество хрома, который в сочетании с кремнием и алюминием предопределяет высокое сопротивление окисление до температур 1100-1150°С, и устойчивы в серосодержащих средах. Это определило область их применения, несмотря на технологические трудности, связанные с изготовлением оборудования из этих сталей и их высокой склонностью к охрупчиванию в процессе службы. Как жаростойкие ферритные стали не несут конструкционной нагрузки, кроме собственного веса. До 600°С их прочность несколько ниже, чем мартенсито-ферритных и мартенситных сталей. Аустенито-ферритные стали имеют более высокую прочность, чем ферритные, однако они содержат (хотя и в ограниченных количествах) дорогостоящий никель. Основным материалом многих стационарных энергетических установок является аустенитная сталь. Приведены те марки аустенитных сталей, которые имеют в числе прочих и назначение в качестве конструкционного материала для высокотемпературной области. Причем низкое содержание углерода не способствуют обеспечению жаропрочности, поэтому аустенитные стали с углеродом ниже 0,03 % (по массе) используются только как коррозионностойкие. Для аустенитных сталей в России характерны те же ограничения, что и для конструкционных: экономия никеля (замена его марганцем), молибдена, ниобия, тантала. В результате серия зарубежных марок оказалась отличной от российских добавками именно этих элементов. Отечественный стандарт содержит ряд оригинальных марок с интерметаллидным упрочнением, не имеющих зарубежных стандартизованных аналогов. Учитывая особенности легирования и структурных факторов, механические свойства аустенитных сталей представлены для трех групп сталей: с карбидным упрочнением, с интерметаллидным упрочнением и с ограниченным эффектом упрочнения за счет дисперсионного твердения. Остальные стали относятся к умеренно или слабо упрочняемым и их удобно объединять в группу, ограничив минимальные свойства, как это сделано в стандарте А276. Сплавы на основе никеля (ГОСТ 5632) делятся на две группы: жаростойкие сплавы для работы в качестве слабонагруженных деталей при температурах до 1250°С и жаропрочные дисперсионнотвердеющие сплавы для работы в качестве высоконагруженных деталей (лопатки и турбинные диски) при температурах до 1000°С.

Отечественные марки не имеют полных аналогов зарубежных сплавов по составу.