Файл: Сичиков, М. Ф. Металлы в турбостроении.pdf

59

совершаются по линиям GS и PS. При температурах, соответствующих линии GS,

начинается распад аустенита. Из твердого раствора выпадают кристаллы феррита. Растворимость углерода в a -железе с изменением температуры меняется по

стает с понижением температуры. При выделении феррита из аустенита содер­ жание углерода в аустените в указанном интервале температур возрастает. Концентрация углерода в аустените изменяется по линии GS. При температуре, соответствующей линии PS, происходит окончательный распад твердого раствора

кими скоростями, которые достаточно малы для того, чтобы превращения при

сплав окажется в неравновесном, метастабильном состоянии, причем это состоя­

с превращениями, происходящими в процессе вторичной кристаллизации в тве­ рдом состоянии, широко используется в практике термической обработки. При медленном охлаждении стали, содержащ ей углерода менее 0,83% , нагретой выше температуры Ас3 и имеющей структуру аустенита, последний распадается на перлит и феррит. С увеличением скорости охлаждения температура Аг3, при ко­

торой происходит превращение аустенита, понижается. Свойства и структура продуктов превращения аустенита зависят от температуры превращения. Чем значительнее степень переохлаждения, тем тоньше строение продуктов превра­ щения, больше их дисперсность и выше твердость.

Троостит. Более тонким строением, чем сорбит, характери­ зуется ферритно-цементитная смесь, называемая трооститом. При обычных увеличениях, доступных для оптического микроскопа, пластинки феррита и цементита в структуре троостита неразли-

60

чимы. Электронный микроскоп отчетливо выявляет пластинчатое строение троостита.

Мартенсит. При глубоком переохлаждении аустенита наряду с трооститом образуется мартенсит, представляющий собой типич­ ную структуру закаленной стали. Мартенсит очень тверд и хру­ пок и имеет характерное игольчатое строение. Твердость мартен­ сита достигает НВ 650. Мартенсит в зависимости от длины игл подразделяется на 10 баллов по стандартной шкале. Наибольшая длина игл первого балла (скрытоигольчатый мартенсит) под микро­

Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Концентрация углерода в этом растворе та­ кая же, как в аустените, из которого он образовался.

Мартенсит имеет так называемую тетрагональную кристалли­ ческую решетку в форме объемноцентрированного параллелепи­ педа с квадратным основанием. Мартенситное превращение сопро­ вождается увеличением объема стали. Сталь, имеющая структуру мартенсита, характеризуется значительными внутренними напря­ жениями. Для снижения твердости, прочности и остаточных на­ пряжений при одновременном повышении пластичности закален­ ную сталь подвергают отпуску.

В зависимости от режима отпуска мартенсит превращается в троостит, сорбит или перлит. При этом следует иметь в виду, что если при распаде аустенита на феррит и цементит последний имеет форму пластинок, то при образовании ферритно-цементитной смеси из мартенсита в процессе отпуска цементит имеет зернистую форму.

ВЛИЯНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СВОЙСТВА СТАЛИ

Специальные легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, титан, ниобий, кобальт и др.) оказывают су­ щественное влияние на свойства стали и описанные превращения, происходящие в ней при нагреве и охлаждении. К легирующим элементам относятся и такие, как марганец и кремний, если их вводить в сталь в количествах, больших, чем это требуется для осуществления технологического процесса выплавки стали. Ле­ гирующие элементы могут находиться в стали в различных состоя­ ниях: в свободном состоянии; в твердом растворе с железом; в са­ мостоятельно образуемых с углеродом химических соединениях — карбидах; в виде оксидов — соединений с кислородом, содержа­ щимся в стали; в виде интерметаллических соединений (хими­ ческих соединений между металлическими элементами).

Основное значение имеет образование в легированных сталях специальных карбидов и растворение легирующих элементов в фер­ рите и цементите. Никель, кремний и алюминий не образуют карбидов и находятся в твердом растворе; присутствие этих эле-

61

ментов микроскопическим исследованием обычно не обнаружи­ вается.

Молибден, титан, ванадий, ниобий, хром, марганец и вольфрам распределяются различным образом между карбидами и твердым раствором. Легирующие элементы упрочняют феррит, смещают критические точки в сталях, влияют на образование и распад аусте­ нита, глубину прокаливаемости стали, мартенситное превращение, рост зерна аустенита и т. д.

Режимы термообработки легированных сталей разрабатывают с учетом влияния каждого из введенных в сталь легирующих элементов.

В зависимости от видов структуры, получаемой при охлажде­ нии на воздухе легированных сталей после высокотемпературного нагрева, стали подразделяют на следующие классы:

Однако ГОСТ 5632—61 на высоколегированные стали и сплавы, где все они классифицированы по структуре подобным образом, отмечает условность этого подразделения, а также указывает, что структурные отклонения от классификационных характеристик причиной браковки стали служить не могут.

Существуют и другие классификации по структуре легирован­ ных сталей. Так, Л. Гийе предложил относить стали к трем основ­ ным классам в зависимости от структуры, получаемой после охла­ ждения на воздухе образцов небольшого сечения: перлитному (структуры перлита, сорбита, троостита), мартенситному и аусте­ нитному.

Серый перлитный чугун используют для многих деталей в тур­ бинах среднего давления. Ранее из него изготовляли цилиндры низкого давления, выхлопные патрубки, диафрагмы и другие литые детали. В течение последних десятилетий в связи с повыше­ нием параметров пара и широким применением сварки область использования чугуна в турбостроении значительно сузилась. На рис. 29 показана структура чугунного выхлопного патрубка.

Из цветных металлов и сплавов в турбостроении чаще всего используют латуни и другие цветные металлы и их сплавы, из которых изготовляют конденсаторные трубки, а также баббит, применяемый для заливки вкладышей подшипников турбин. Ла-

62

туни Л68, ЛО70 и др. являются однофазными сплавами, представ­ ляющими собой ос-твердые растворы. Структура баббита Б83 (сплав олова, сурьмы и меди) состоит из a -твердого раствора на базе олова и ß-твердого раствора на основе интерметаллического соединения олова с сурьмой (SnSb). Вводимая в сплав медь обра­ зует химическое соединение с оловом, наблюдаемое под микроско­ пом в виде игл, звездочек и пр. Изучение структуры баббита и, особенно, размеров его структурных составляющих имеет большое значение для оценки качества вкладышей.

В технических условиях на металлы, используемые в турбо­ строении, требования к микроструктуре, как правило, не предъ­

цессе эксплуатации турбин. Сфероидизация пластинок цементита в перлите, графитизация в углеродистых и низколегированных молибденовых сталях, выпадение карбидов по границам зерен в высоколегированных сталях аустенитного класса, старение сплавов— все эти явления изучают, используя микроскопиче­ ский анализ.

Из специальных видов микроисследования следует отметить определение величины зерна в сплавах, которая существенно сказывается на их свойствах. Опыт эксплуатации металлов, при­ меняемых в турбостроении, показывает, например, что от вели­ чины зерна зависит скорость ползучести, являющаяся одной из важнейших прочностных характеристик стали, работающей при высоких температурах. Зависят от величины зерна также скорость развития процесса сфероидизации и другие свойства металлов.

В стали различают наследственное и действительное зерна. Наследственное зерно— это зерно аустенита, которое сталь имеет при нагреве до температуры 900— 1000° С; его величина характери-

63