Общие требования к жаропрочным материалам
Жаропрочные стали и сплавы как особый вид конструкционных материалов стал интенсивно развиваться в связи с развитием турбостроения.
Турбина как источник или преобразователь энергии ширдко применяется в теплоэнергетике (силовые электростанции), судовых и авиационных двигателях. В последние годы появились газовые турбины ■ для наземного подвижного состава (локомотивы, грузовые автомобили). В конструкциях современных турбии жаропрочные сплавы составляют 40—50% массы. Чем выше температура газа иа входе в турбину, тем экономичнее двигатель. С повышением температуры газа уменьшается удельный расход топлива и воздуха на единицу мощности. Это обстоятельство привело к тому, что ' в короткий срок появилось много составов сталей и сплавов, рассчитанных иа разливочные температуры и сроки работы.
Жаропрочные стали и сплавы — это материалы, которые работают при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложноиапряженного состояния. Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали или сплава, яи-ляется жаропрочность.
Под жаропрочностью понимают напряжение, вызывающее заданную деформацию, не приводящую к разрушению, которое способен выдерживать металлический материал в конструкции при определенной температуре за заданный отрезок времени. Если оговариваются напряжение и время, то эта характеристика называется пределом длительной прочности. Если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая характеристика называется пределом ползучести.
„ Надежность работы металла оценивается ие только прочностью, но и пластичностью, которую ои сохраняет до конца службы. Поэтому второй важной характеристикой жаропрочного материала является запас пластичности, который определяется такими показателями, как 8 и tf> при испытаниях на длительную прочность, KCU после длительного старения и чувствительность к надрезу при испытании образцов с надрезом иа длительную прочность. Для жаропрочных материалов хорошими показателями являются б и ф при испытаниях иа длительную прочность, если значения составляют соответственно 10 и 10 %. Значение KCU оговаривается, исходя из условий работы материала.
Чувствительность к надрезу определяется как отношение времен до разрушения иадрезаииого и гладкого образцов, испытанных при одной и той же температуре я напряжении. Считается, что сплав нечувствителен к надрезу, если это - отношение больше или равно единице.
Поскольку подъём температуры до рабочей протекает во времени, а начало работы, как правило, соответствует климатической температуре окружающей среды, важно также, чтобы и значения прочности и пластичности, свойственные материалу при комнатной температуре, были бы достаточно высокими. Для дисперсноннотвер-Деющих никелевых п железоиикелевых сплавов значения прочности составляют ств>1200 МПа, ст0,2> 800 МПа. Несмотря на то что подавляющее число жаропрочных сплавов не имеет температурного порога хрупкости, или имеет его ниже рабочей температуры или температуры технологического передела, наличие различных концентраторов напряжений в реальных конструкциях неизбежно ставит вопрос о низкой чувствительности сплавов к наличию надрезов илн острых трещин. С этой целью значение KCU должно быть как можно выше.
Поскольку жаропрочные сплавы работают в условиях сложно-напряженного состояния, характеризующегося постоянными изменениями величины и знака нагрузок, высокое сопротивление усталости прн высоких температурах также важно, как и характеристики усталостной прочности для материалов, работающих при обычных климатических условиях.
Сложность современных технических решений конструкций обусловливает необходимость иметь материалы с высокими технологическими свойствами. Например, прн изготовлении лопаток газотурбинных двигателей применяют такие операции, как ковка или точная штамповка, механическая обработка прутков и готовых изделий, шлифовка, полировка, прецизионное литье. При изготовлении камер сгорания из листовых жаропрочных материалов широко применяют холодную штамповку, прессовку, гибку, точечную сварку, клепку. Широкое распространение в последние годы получили сварка электродом, диффузионная сварка, сварка трением, пайка изделий.