Жаропрочность
Жаропро́чность — способность конструкционных материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения, с сохранением необходимой длительной прочности в течение долгого времени[1][2].
Параметры жаропрочности
Жаропрочность определяется комплексом свойств, среди которых можно выделить следующие[3][4]:
- длительная прочность;
- длительная пластичность (истинная деформация в момент разрушения образца при испытаниях на длительную прочность, проводимых по ГОСТ 10145-81);
- сопротивление ползучести;
- способность противостоять механической и термической (в условиях переменных температур) усталости;
- время до разрушения при заданных и постоянных значениях напряжения и температуры;
- жаростойкость.
Жаропрочность оценивается, главным образом, для металлических материалов, а также керамических, композиционных и др. Она достигается подбором соответствующего химического состава стали или сплава в сочетании с определёнными условиями кристаллизации и термической обработки, что обеспечивает получение нужной структуры сплава[3].
Важным способом повышения жаропрочности является легирование. Например, для мартенситно-ферритных сталей с этой целью используют вольфрам, ванадий и молибден; для жаропрочных сплавов на железоникелевой основе – вольфрам, титан и алюминий. Хромоникелевые аустенитные стали (такие как 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М) для увеличения жаропрочности дополнительно легируют (кроме вольфрама и молибдена) ванадием, ниобием, бором и другими элементами. Легирование применяется и для повышения жаропрочности сплавов на основе цветных металлов. Наиболее актуально это для алюминиевых (Д20, САП-1, АЛ-33), магниевых (МА12, МА19) и титановых (ВТ8, ВТ9, ВТ18) сплавов. Например, алюминиевые сплавы с этой целью легируются марганцем и титаном, алюминиевые бронзы – никелем, магниевые сплавы – церием, цирконием и торием. В никелевых и кобальтовых сплавах важную роль в повышении жаропрочности играют молибден и вольфрам [5][6].
Для повышения жаропрочности изделий из дисперсионно твердеющих аустенитных сталей, никелевых и титановых сплавов, предназначенных для работы при сравнительно невысоких температурах, достаточно эффективно использовать высокотемпературную термомеханическую обработку (ВТМО)[7].
Оценка уровня жаропрочности
Температурный уровень жаропрочности определяется прочностью межатомных связей материала, его структурой и температурой плавления. Жаропрочность чистых металлов сравнительно невелика, её более высокий уровень отмечается для тугоплавких металлов за счет их легирования их элементами с более высокой температурой плавления, образующими твёрдые растворы замещения. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных. Из алюминиевых сплавов высокой жаропрочностью характеризуется сплав Д20, используемый для листовой продукции, работающей при температурах 250—350 °С в течение длительного времени[5].
Для количественной оценки жаропрочности проводятся механические испытания на ползучесть и длительную прочность, из которых определяются такие характеристики как[5]:
- предел длительной прочности — наибольшее механическое напряжение, которое выдерживает материал без разрушения при заданных температуре, длительности испытания и рабочей атмосфере;
- предел ползучести — напряжение, которое вызывает заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучесть) за некоторое принятое время при данной температуре; для определения предела ползучести испытываемый образец подвергают воздействию постоянного растягивающего усилия при постоянной температуре с фиксированием деформации образца во времени;
- время до разрушения — измеряется при заданных напряжении, температуре и рабочей атмосфере.
Жаропрочность наряду с жаростойкостью – основной критерий эксплуатационной пригодности материала при высоких температурах[4].
Примечания
- ↑ Лопухов Г. А., Цирульников В. А., Куманин В. И., Фонштейн Н. М., Глинков Г. М., Ковалева Л. А., Самаров В. Н., Крашенинников А. И. Толковый металлургический словарь. Основные термины. — М.: Русский язык, 1989. — С. 83. — 480 с.
- ↑ Блантер М. С., Кершенбаум В. Я., Мухин Г. Г., Новиков В. Ю., Прусаков Б. А., Пучков Ю. А. Металлы. Строение. Свойства. Обработка (многоязычный толковый словарь) / Под научной редакцией В. Я. Кершенбаума и Б. А. Прусакова. — М.: Наука и техника, 1999. — С. 142. — 712 с.
- ↑ 1 2 Новый политехнический словарь / Главный редактор А. Ю. Ишлинский. — М.: Научное издательство "Большая Российская энциклопедия", 2000. — С. 160. — 672 с.
- ↑ 1 2 Жаропрочность. Большая российская энциклопедия, т. 9 (2007).
- ↑ 1 2 3 Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. — М.: Металлургия, 1983. — С. 285, 287, 289, 290, 293, 312, 331, 338. — 360 с.
- ↑ Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение. — СПб.: Химиздат, 2007. — С. 378, 383. — 783 с.
- ↑ Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. — М.: Металлургия, 1986. — С. 385. — 400 с.
Литература
- Афонин В. К., Ермаков Б. С., Лебедев Е. Л., Пряхин Е. И., Самойлов Н. С., Солнцев Ю. П., Шипша В. Г. Металлы и сплавы. Справочник. — СПб.: НПО «Профессионал», НПО «Мир и семья», 2003. — 1090 с.
- Теплухин Г. Н., Гропянов А. В. Металловедение и термическая обработка. — СПб.: СПбГТУ РП, 2011. — С. 105. – 172 с.
- Потехин Б. А. Металловедение. – Екатеринбург : 2019. – УЛГТУ. – 88 с.
- Нургаянова О. С., Ганеев А. А. Математическое моделирование влияния легирующих элементов на жаропрочность никелевых сплавов с монокристаллический структурой. Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2006. Т. 8. № 4. С. 91-95.
- Мухин В. Н., Тришкина И. А. О жаропрочности металлов сварных соединений труб, применяемых в печах нефтепереработки. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2015. № 8 (168). С. 67-72.
- Чуликова Ж. Е., Овчинников В. В. Влияние длительных выдержек при повышенной температуре на жаропрочность стали 08Х18Н10Т. Заготовительные производства в машиностроении. 2024. Т. 22. № 5. С. 221-228.