Влияние величины зерна на жаропрочность сплавов

На складе компании ООО "Новьсталь" представлен большой выбор нержавеющего проката. Это продукция из "пищевой" нержавейки (например, труба 12х18н10т), так и "жаропрочка" 20х23н18 . О последнем типе нержавейки мы и поговорим.

Жаропрочные свойства сталей и сплавов тесно связаны с величиной зерна. Влияние величины зерна нельзя рассматривать в отрыве от процессов, протекающих в приграничных объемах, имея в виду преимущественное распределение примесей в областях кристалла, обладающих повышенными искажениями. Скопления некоторых примесей в приграничных объемах, ослабляющих прочность связей между кристаллами при высоких температурах, в ряде случаев могут служить причиной резкого снижения жаропрочности.

Рис. 1. Влияние величины зерна на 100ч длительную прочность (а) п пластичность при кратковременных испытаниях (б) хромоникелевой стали типа 20х23н18

Впервые влияние величины зерна на сопротивление ползучести было установлено на стали 12х18н10т . Сталь с крупным зерном (закалка с 1150° С) имела более высокое сопротивление ползучести, чем горячекатаная с мелким зерном. Было отмечено, что при температурах испытания несколько выше температуры начала рекристаллизации в случае крупнозернистой стали наклон линий на двойной логарифмической диаграмме менее крутой, что свидетельствует о лучшем сопротивлении ползучести.

Аналогичные результаты были получены на хромоникелевой стали 20х23н18 после закалки ее на крупное и мелкое зерно (рис. 1). Сталь 20х23н18 с крупным зерном, имеющая более высокую жаропрочность, при испытаниях на длительную прочность обнаруживает малую пластичность.

Многочисленный экспериментальный материал о влиянии величины зерна на прочностные свойства позволяет сделать следующие обобщения.

При комнатных и пониженных температурах испытания прочностные характеристики сталей и сплавов более высокие у сплавов с более мелким зерном. При более высоких температурах сплавы с крупнозернистой структурой показывают лучшую жаропрочность, но при одновременном ухудшении пластических свойств. Это общее положение действительно как для сплавов с аустенитной структурой, так и для сталей с ферритной структурой. В присутствии примесей влияние величины зерна сказывается еще сильнее.

Хотя механизм поведения вредных примесей в пограничных областях еще недостаточно изучен, установлено, что ничтожные доли примесей (S, Pb, Sn, Sb, Bi) могут очень сильно понижать жаропрочные характеристики. Достаточно указать, что в присутствии десятитысячных долей свинца в никельхромотитанистом сплаве 75-20-2,5 Ti с 0,7% Аl жаропрочность сплава резко уменьшается.

При затвердевании сплава в первую очередь кристаллизуются порции основного, более тугоплавкого вещества, а легкоплавкие примеси, особенно нерастворимые, скапливаются в пограничных зонах. В литых материалах эта разница в концентрации примесей, а также в свойствах материала в пограничном слое и в самих зернах более значительна, чем в деформированных.
Однако опыт работы с жаропрочными сплавами показывает, что и у деформированных материалов ослабление прочности по границам зерен при повышенных температурах может быть значительным, особенно если металл загрязнен вредными легкоплавкими примесями .
Не все примеси, выделяющиеся по границам зерен, оказывают вредное воздействие. Имеется группа элементов (например, молибден, вольфрам, ниобий и бор), присадка которых в небольших количествах действует положительно, увеличивая прочность пограничных слоев при высоких температурах.

Необходимо учитывать нежелательные и возможные изменения концентрации легирующих элементов в пограничном слое вследствие диффузии или образования новых фаз, которые могут привести к понижению жаропрочности, часто сопровождающемуся снижением пластичности.

Разница в величине зерна хромоникелевой стали 12х18н10т сказывается на процессах выделения карбидов хрома по границам зерен и на склонности стали к межкристаллитной коррозии. Хотя это не имеет прямого отношения к процессам разупрочнения, однако особая чувствительность стали типа 12х18н10т к меж- кристаллитной коррозии позволила установить обеднение твер­дого раствора хромом в межкристаллических слоях.

Аналогичные изменения в концентрации твердого раствора на границах зерен по сравнению с самими зернами происходят у других материалов. Это очень хорошо выявляется различной травимостью зерен после гомогенизации сплава при высокой температуре и последующих длительных нагревов в интервале рабочих температур. Это также хорошо обнаруживается методом радиографии , широко используемой в последнее время.

Отмечено, что процессы дисперсионного твердения, связанные с образованием карбидных и интерметаллидных фаз, протекают в зависимости от величины зерна. Особенно отчетливо это наблю­дается в аустенитных сталях, закаленных с высоких температур,

т. е. в сталях с грубозернистой структурой. Процессы протекают гораздо интенсивнее при одновременном действии напряжений и температур, чем при воздействии только одних температур.

Рис. 2. Влияние неравномерности деформации при растяжении на величину зерна стали ЭИ696 (а) и вид рабочей лопатки из стали ЭИ388 с разнозернистой структурой (б)

Наличие большого количества примесей, в том числе и легко­плавких (Sn, Pb и др.), понижающих температуру плавления приграничных объемов, приводит к общему ослаблению последних при высоких температурах и служит основной причиной межкрметаллитного разрушения.

Жаропрочные характеристики высоколегированных сталей и сплавов в сильной степени снижаются и при разнозернистости материала, т. е. когда в изделии или образце одновременно присутствуют кристаллы с мелким и очень крупным зерном (рис. 2, а). Такого рода смесь кристаллов возникает в изделиях при горячей обработке давлением, когда часть металла попадает в зону критических степеней деформации (рис. 2, б).

Грубозернистая структура образуется в тех частях изделия, где пластическая деформация была затруднена по конструктивным причинам, связанным с течением металла в штампе, а также вследствие неравномерного охлаждения металла в процессе деформации.

Сопоставление длительной прочности материалов с различной структурой показывает, что образцы с однородной структурой обладают более постоянной и более высокой жаропрочностью, чем образцы с разнозернистой структурой. Например, у сплава ЭИ437 с однородной структурой при 700° С и а = 36 кГ/мм2 минимальная продолжительность до разрушения 72 ч, а боль­шинство образцов разрушается только через 150—200 ч. При наличии в материале разнозернистой структуры ряд образцов разрушается через б—30 ч. У этих образцов наблюдается и наибольшая ползучесть.

Когда изделие или образцы с разнозернистой структурой подвергаются воздействию напряжений при высоких температурах, мелкозернистый материал как менее жаропрочный и более пластичный легко удлиняется под действием напряжений. Вследствие этого на крупнозернистый и малопластичный материал приходится большая локальная нагрузка, что приводит к преждевременному его растрескиванию по границам зерен. Установлено, что трещины во время работы появляются на стыке более крупных зерен у изделия с разнозернистой структурой. По этой причине изделия с однородной структурой работают
дольше, чём с разнозернистой (грубозернистой или мелкозернистой).

Точно соблюдая режим штамповки в отношении температуры и степени деформации, можно предотвратить появление в детали разнозернистости.

Главная опасность разнозернистости — отсутствие постоянства свойств и пониженная жаропрочность.

Исследование материала, испытанного на длительную прочность, показало, что на большинстве образцов возникают мелкие надрывы по границам зерен. У образцов с однородной структурой надрывы располагаются у места разрыва и в некоторых случаях по всему образцу. У образцов с разнозернистой структурой над­рывы почти всегда в зоне крупных зерен, при этом вследствие строчечного расположения крупнозернистой зоны они идут вдоль всего образца.

Исследование процесса образования надрывов при испытании на длительную прочность при 700 и 800° С и напря­жениях 36 и 15 кГ/мм2 соответственно позволило установить, что надрывы в обоих случаях появляются задолго до разрушения образцов.

Жизнеспособность материала после возникновения первых надрывов при 700° С и о = 36 кГ/мм2 составляет в среднем 70% от исходной, а при 800° С и а = 16 кГ/мм2 колеблется в преде­лах 35—80%.

Прямой связи между появлением первых надрывов и стой­костью образцов установить не удается. Процесс образования надрывов протекает следующим образом. Вначале возникают очень неглубокие надрывы на поверхности металла, по мере увеличения продолжительности испытания глубина и число над­рывов постепенно возрастают, но при 700° С их меньше, чем при 800° С.

Перед разрушением появляются также надрывы внутри материала, не выходящие на поверхность образца. Наибольшее количество их сосредоточено вблизи места его разрушения. Место разрушения, как правило, не совпадает с местом образования первых надрывов, т. е. первая зародившаяся в материале трещина не является еще источником разрушения.

Исследование микроструктуры образцов после испытания на длительную прочность в течение различного времени показало, что зарождение надрывов в материале не связано с появлением видимых выделений второй фазы внутри зерен твердого раствора. Оно совпадает с первыми заметными изменениями на границах зерен, а именно с выделением и коагуляцией второй фазы.

По-видимому, выделяющаяся в первую очередь по границам зерен вторая фаза сильно понижает пластичность и без того хрупких приграничных объемов, вследствие чего в процессе ползучести материала под воздействием внешне приложенных напря­жений и происходит растрескивание по границам зерен. Существовало предположение, что образование надрывов по границам зерен в сплаве ЭИ437 является не следствием ползучести материала, а результатом воздействия газовой среды на поверхность металла. В связи с этим большой интерес представляло исследование Е. Ф. Трусовой, В. П. Строганова, Р. С. Рабинович процесса образования надрывов в условиях изоляции от газовой среды. С этой целью поверхность образцов защищали слоем никеля толщиной примерно 10 мкм. Никелирование образцов производили гальваническим методом.

При испытании никелированных образцов при 800 С и 16 кГ/мм2 было обнаружено, что надрывы на этих образцах по своему характеру не отличаются от надрывов на образцах, не защищенных никелем, и появляются они при той же продолжи­тельности испытаний.

Чистота обработки поверхности образцов оказывает большое влияние, что подтверждено испытаниями на длительную прочность. На образцах с грубо обработанной поверхностью (непосредственно из-под резца) надрывы образуются раньше, чем на образцах с полированной поверхностью, из-за местной концентрации напряжений. Установлено, что надрывы обра­зуются в результате ползучести материала и связаны, очевидно, не только с недостаточной пластичностью приграничных объемов, но и со следами наклепа, возникшего в результате механической обработки.

Величина зерна оказывает влияние и на другие характеристики сплавов (термостойкость, сопротивление усталости и эксплуатационную стойкость). Эти данные приведены в соответствующих разделах при описании свойств сплавов.

Как известно, макро- и микроструктуры формируются в результате действия деформирующих сил при горячей обработке давлением и последующей термической обработке Отмечено, что из-за перегрева поковок турбинных дисков из стали ЭИ481 выше 1160° С и сплава ЭИ437Б более 1170° С перед штамповкой характеристики жаропрочности резко снижались.

Перегревы в обоих случаях вызывали не только некоторое укрупнение структуры, но и межкристаллическое окисление, трудно различимое под микроскопом. Аналогичное отрицательное влияние оказывают перегревы при термической обработке сложнолегированных жаропрочных сплавов, не говоря о возможном обеднении легирующими элементами (Cr, Ti, А1) поверхностных слоев детали. Поэтому необходимо строго соблюдать темпера­турные режимы обработки, так как отклонения от них отрицательно сказываются на жаропрочности и эксплуатационной стойкости сплавов.
При горячей обработке давлением измельчается структура, причем тем больше, чем ниже температура конца этой обработки. Одновременно при этом происходит раздробление первичных скоплений карбидных и интерметаллидных фаз.

Как правило, горячекатаный и горячештампованный мате­риал имеет мелкозернистую структуру и напряженное состояние. Если такого рода материал подвергнуть только старению, то он приобретает высокие механические свойства при комнатных и умеренных температурах, но более низкую жаропрочность при высоких температурах.

Для изделий, работающих при умеренных температурах, этот эффект в настоящее время используют для получения сплавов с высокими механическими свойствами (своеобразная термомеханическая обработка).

Смотри так же: Металлургический калькулятор. Расчет массы и раскроя металлопроката