Поведение материалов в особых условиях

Повышение температуры существенно влияет на структуру и свойства материалов. За счет увеличения температуры наблюдаются снижение прочности и увеличение пластичности металлов, что связано с ослаблением межатомных связей в кристаллической решетке, увеличением скорости диффузионных процессов, которые влияют на дефектную структуру металлов, а следовательно, и на их свойства.

Жаростойкость и методы ее повышения

Жаростойкость (окалиностойкость) — способность металлов и сплавов сопротивляться окислению и газовой коррозии при высоких температурах.

Жаропрочные и жаростойкие материалы применяют для изготовления деталей установок, которые подвергаются механическим нагрузкам при высоких температурах: тепловые электростации (ТЭЦ), установки нефтехимических предприятий и нефтеперерабатывающей промышленности, газовые турбины и авиационные двигатели.

Современные ТЭЦ используют пар, нагретый до температуры 500—650°С. Стационарные газовые турбины и воздухонагреватели работают при температуре свыше 700 °C. Наиболее высокие рабочие температуры — в авиационных двигателях и химических установках: 1100 °C и выше.

Железо с кислородом может образовывать оксиды трех видов: FeO, Fe₂03 и Рез0₄. До температуры 600 °C окалина состоит в основном состоит из плотного слоя оксидов Fe₂0₃ и Рез0₄, что затрудняет диффузию атомов кислорода и металла. Выше 600 °C происходит растрескивание этих оксидов, и вместо них защита металла осуществляется лишь рыхлым оксидом FeO, что облегчает доступ кислорода к поверхности металла. Следовательно, при температуре 600 °C происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа (рис. 7.1).

Жаростойкость зависит от многих внешних и внутренних факторов.

Рис. 7.1. Зависимость скорости окисления железа от температуры В основном за жаростойкость отвечают поверхность металла и чистота ее обработки. Полированные поверхности окисляются медленнее, гак как оксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Формирующаяся на поверхности оксидная пленка достаточно хороню защищает металл от дальнейшего окисления в том случае, если она плотная и не пропускает ионы кислорода, хорошо сцеплена с подложкой и не отслаивается при механических испытаниях. К металлам, которые образуют такие пленки, относятся хром и алюминий. Оксидные пленки типа шпинели Сг₂0з и А1₂Оз хорошо защищают от окисления при высоких температурах. Если на поверхности образуется рыхлый оксид, как у магния, то он не стоек и не защищает металл от дальнейшего окисления (табл. 7.1).

Повышение жаростойкости сплавов достигается легированием элементами (хром, алюминий, кремний), образующими на поверхности непроницаемые для ионов основного металла и кислорода оксидные пленки. Также для этих целей используются защитные покрытия, состав которых выбирается с учетом условий работы изделия и состава агрессивной среды. Структура жаростойкого материала должна быть однородной и однофазной (чистые металлы, твердые растворы).

Термическая обработка меняет строение сплавов и, следовательно, их коррозионную стойкость. Отжиг и нормализация приводят к формированию однофазной структуры и способствуют увеличению жаростойкости материала.

Таблица 7.1

Сравнительные данные жаростойкости чистых металлов.

Пластическая деформация ухудшает жаростойкость, так как приводит к появлению градиента напряжений в структуре металла. Величина зерна для жаростойкого материала не существенна, поэтому эта характеристика является структурно нечувствительной.

Характеристики сплавов, стойких к коррозии при повышенных температурах, могут быть даны лишь к конкретным агрессивным средам, и выбор материала решается с учетом условий работы данного изделия.