Материалы для конструкций работающих при повышенных температурах
Материалы для работы при повышенных температурах Категория: Сварные соединения Материалы для работы при повышенных температурах Далее: Сплавы на основе титана Сварные соединения из материалов этой группы, кроме выполнения обычных требований прочности, пластичности, отсутствия дефектов, должны отвечать ряду специфических условий, определяемых назначением конструкции и свойствами свариваемого материала. В связи с этим применяемые в авиационной промышленности материалы этой группы в зависимости от условий эксплуатации изделий, а также по технологическим возможностям, разделяются на жаростойкие и жаропрочные. Жаростойкость (окалиностойкость) характеризуется способностью материала противостоять образованию окалины при работе в среде с высокой температурой (выше 550 °С). Жаропрочными называются материалы, сохраняющие определенный обусловленный предел прочности при длительном нагру-жении в условиях высоких температур и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью. Подобным требованиям обычно соответствуют материалы с высокой степенью легирования — высоколегированные стали или специальные сплавы. В качестве легирующих элементов в таких материалах широко используются хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими конструкционными материалами, широко применяемыми в производстве оборудования для химической промышленности, в авиации, энергетике, и реактивной технике. В табл. 8 приведен химический состав некоторых высоколегированных сталей и сплавов, используемых в авиационной промышленности для изготовления изделий, работающих в условиях повышенных температур. Общими признаками для большинства высоколегированных сталей являются их пониженная по сравнению с углеродистыми сталями теплопроводность, больший коэффициент линейного расширения при нагреве и высокое омическое сопротивление, а также значительная литейная усадка. К представителям группы жаростойких материалов в первую очередь относятся различного типа нержавеющие стали. Наиболее распространенными из них являются стали типа 18-8 (1Х18Н9Т, и др.). Это стали аустенитного класса, используемые в основном как обшивочный материал для планера аппаратов, летающих со скоростями до 3 — 4 М, для горячих узлов двигателей (удлинительные и реактивные трубы, насадки), изготовляемых из листовых материалов, часто с набором жесткости. Эти стали могут хорошо свариваться всеми основными методами сварки и широко используются также в паяных конструкциях. Они обладают достаточно высокой пластичностью и хорошо штампуются в холодном состоянии. В последнее время с целью экономии никеля вместо этих сталей используется ряд новых марок; Х13М4ГУ (ЭИ878), Х17Г9АН4 и др., у которых технологические характеристики аналогичны сталям 18-8. Эти материалы в основном используются для работы при температурах до 500 °С. Для узлов двигателей, работающих в атмосферных условиях и в среде продуктов сгорания топлива, они могут применяться для работы при температурах до 800° С. В последнее время в отечественной и зарубежной промышленности все более широко начинают использоваться стали переходного типа аустенитно-мартенситного класса ЭИ904 (СН-2), ЭИ925 (СН-3), СН-4 и др. По химическому составу они близки к сталям 18-8, но содержат меньше Сг и Ni. Эти стали стареющего типа; в них дополнительно вводится А1 и Мо. В нормализованном состоянии с 1050 °С эти стали приобретают аустенитную структуру. Обработка холодом (при — 70 °С) или нагартовка позволяют легко перевести ее в мартенсит. Благодаря наличию в сталях А1 и Мо при термическом старении в интервале температур 400 — 500 °С выделяется третья фаза, дополнительно упрочняющая сталь. Изменяя режим термообработки, можно изменять механические свойства этих сталей в широких пределах (сгв — от 90 до 170 кГ/мм2 и ао,2 — от 36 до 150 кГ/мм2). Стали типа СН в упрочненном состоянии по значениям удельной прочности и пластичности (<ув1у и tfo,2/v) при повышенных температурах в 1,5 — 2 раза и более превосходят другие стали, а также алюминиевые и титановые сплавы. Как видно из приведенных данных, начиная с температуры 350 °С стали СН имеют наибольшую удельную прочность из сравниваемых материалов. Область применения этих сталей та же, что и предыдущей группы. Для работы при более высоких температурах применяются специальные сплавы, часто используемые как жаропрочные. В свою очередь жаропрочные материалы в зависимости от типа сварных узлов и условий эксплуатации последних, можно разделить на две подгруппы, существенно различные по своим технологическим свойствам. К первой подгруппе относятся материалы, идущие на изготовление узлов, работающих при высоких температурах без больших силовых нагрузок. Чаще всего это штампо-сварные листовые конструкции типа камер сгорания, горячих элементов двигателей и т. п., для изготовления которых используются материалы типа ЭИ435, ЭИ602, ВЖ.98, ВЖЮО, ЭИ703 и другие стали и сплавы. Эти материалы при работе в течение длительного времени (100 час) в условиях высокого нагрева (t =900 °С) сохраняют ав=1,5-т-7,5 кГ/мм2, достаточно хорошо работают в газовых средах при температурах 900 — 1200° С, а также обладают сравнительно высокими технологическими свойствами: хорошо свариваются и паяются, штампуются, часто не требуют термической обработки после сварки. Эти материалы также отличаются высокой жаростойкостью, хорошо выдерживают теплосмены. Материалы второй подгруппы используются для изделий, работающих при высоких температурах и испытывающих значительные нагрузки. В основном это материалы на никелевой и никелевокобальтовой основе типа ЭИ437Б, ЛК4, ЖС6, ЭИ826, ЭИ827 и др. Основные требования, предъявляемые к ним, — это жаропрочность, а также соответствующая окали-ностойкость, стойкость к теплосменам, технологичность. По данным длительных испытаний при t=900 °С в течение 100 час их прочность ав=10н-28 кГ/мм2. Окалиностойкость этих материалов несколько ниже, чем у первой подгруппы и находится в пределах 900 — 1100 °С. Значительно более низкие технологические характеристики большинства из этих материалов, главным образом их невысокая пластичность, допускают формообразование только с нагревом а для получения качественных сварных соединений требуют более сложную технологию сварки. Жаропрочность сварных соединений указанных сплавов находится обычно на уровне 80 — 90% от жаропрочности основного металла. В зависимости от конкретных условий работы характер предъявляемых требований к сварным соединениям может быть различным. Один и тот же материал может быть использован для изготовления конструкций разного назначения, и сварочные материалы и технология сварки будут в каждом случае различными. К числу основных трудностей, которые приходится преодолевать при сварке высоколегированных сталей и сплавов, относятся: 1) обеспечение стойкости металла шва и околошовной зоны против кристаллизационных трещин; 2) обеспечение коррозионной стойкости сварных соединений; 3) сохранение свойств металла шва и сварного соединения во времени под действием рабочих температур и напряжений; 4) получение плотных швов. При изготовлении изделий из современных высоколегированных сталей и сплавов широко применяются основные виды сварки плавлением (автоматическая под флюсом, в защитных газах), контактной сварки (ТЭС, РЭС) и пайки. При этом нужно отметить, что пониженная теплопроводность и высокий коэффициент линейного расширения обусловливают значительное коробление конструкций при сварке этих материалов. Поэтому основным условием сварки их является применение режимов и методов, которые характеризуются максимальной концентрацией нагрева. Одной из основных задач технологии дуговой сварки плавлением высоколегированных сталей и сплавов является обеспечение равномерности химического состава по длине шва и его сечению, что требует строгого соблюдения постоянства условий сварки. Понятно, что при механизированных способах сварки легче обеспечить постоянство сварочного режима и стабильность состава, структуры и свойств металла шва. Поэтому при изготовлении конструкций из высоколегированных сталей и сплавов необходимо стремиться к максимальной механизации сварочных процессов. Пайка материалов этой группы может производиться при различных способах нагрева: газовым пламенем, в индукционных установках, в печах и др. Основные трудности при пайке высоколегированных сталей и сплавов обусловливаются образованием на их поверхности химически прочной окисной пленки в связи с наличием в их составе значительных количеств металлов с большим сродством к кислороду — таких как хром, алюминий, титан. Наличие этих элементов затрудняет пайку в восстановительной атмосфере. Обычно основные затруднения, связанные с окисной пленкой, устраняются предварительным никелированием поверхности или применением специальных флюсов при пайке в печах с контролируемой средой. Хорошие результаты в ряде случаев дает применение активной газовой среды в виде смеси аргона с B0F3 или HF. Для пайки применяются припои, часто весьма сложного состава на основе серебра, меди, никеля. Для соединений, работающих при высоких температурах, где требуется высокое сопротивление ползучести, сопротивление окислению и высокая коррозионная стойкость, находят применение серебрянопалладиевые и палладиеникелевые припои, легированные марганцем или алюминием. Наиболее характерными дефектами при пайке высоколегированных сталей и сплавов являются поры, непропаи и трещины. Исключение их во многом определяется правильностью выбора припоя или флюса, тщательностью подготовки деталей под пайку и соблюдением технологических условий пайки. Реклама:Читать далее:Сплавы на основе титана Статьи по теме:
Главная → Справочник → Статьи → Блог → Форум |
Источник
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке “Файлы работы” в формате PDF
Влияние высоких температур, как правило, затрагивает практически все механические свойства строительных материалов. В основном оно приводит к повышению пластичности и уменьшению их прочности. При значительном изменении температуры зачастую происходят сложные физико-механические процессы, в связи с этим сильно изменяются свойства. Например, пластичные материалы становятся хрупкими, и наоборот; изменениям подвергаются деформативные свойства и прочность. Также происходят изменения, приобретающие необратимый характер, то есть после восстановления нормальной температуры, к материалам не возвращаются первоначальные свойства.
Большую роль играет влияние высоких температур на такие строительные материалы как бетон, железобетон и металл, так как они являются наиболее распространенными и чаще всего используются в процессе строительства и производства оборудования по сравнению с другими материалами.
Как известно, щебень, цемент, вода и песок являются основными составляющими бетона. И необходимо, чтобы во время процесса бетонирования были соблюдены определенные условия, такие как нормальная температура и уровень влажности воздуха. При застывании бетонной смеси происходит процесс гидратации (присоединение молекул воды к ионам вещества), который является экзотермическим и происходит с выделением теплоты в большом количестве. В данном случае, при повышении температуры выше допустимой, начинается интенсивное испарение воды, в результате чего образуется большое количество незаполненных пор. Как следствие этого, снижается плотность бетона и происходит резкое ухудшение прочностных показателей. Воздействие высокой температуры при застывании, приводит к появлению у материала высокой прочности в течение первых нескольких суток, но затем ситуация изменятся в обратную сторону. Образцы, сформировавшиеся при нормальной температуре, все-таки, оказываются более прочными. В диапазоне более низких температур имеется оптимальное значение, при котором бетон достигает самой высокой прочности. Отметим тот факт, что бетон, который изготовили при оптимальной температуре 4,4° С, в течение месяца хранили при низкой температуре (—3,9° С), а затем при 23,9° С на протяжении трех месяцев является более прочным, чем такой же бетон, хранившийся при неизменной температуре 23,9° С. Но можно ослабить уровень негативного воздействия высоких температур в процессе схватывания бетона, применив в качестве добавки хлористый кальций. В целом, многолетний строительный опыт показывает, что бетон, укладываемый зимой, при правильном уходе, будет иметь более высокую прочность, чем аналогичный – укладываемый летом. Как подтверждение этого, отметим, что в тропических странах наблюдается тенденция более низкой его прочности. Таким образом, чем выше температура при схватывании бетона, тем ниже прочность.
Что касается воздействия высоких температур на готовые изделия из бетона, то здесь, также наблюдается негативное влияние. Прочность бетона снижается. Это заметно уже при нагреве до 200-300° C, свыше 300° C происходят изменения, приобретающие необратимый характер. Прочность уменьшается в 2 раза при нагреве до 400° C и в 3 раза – до 500° C. Увеличение деформативности и уменьшение модуля упругости бетона, также являются последствием воздействия высоких температур.
Стоит отметить, что конструкции многих зданий и сооружений подвергаются воздействию технологических температур. Плюс ко всему они должны обладать хорошей огнестойкостью. Поэтому все каменные и железобетонные конструкции, как правило, рассчитываются на огнестойкость и нагрев. Для изготовления конструкций, работающих в условиях высоких температур до 300º С, применяется бетон обычной или плотной структуры, свыше 300º С – жаростойкий бетон. При его нагреве до 60 – 100º С происходит снижение прочности при сжатии на 10-15% и на 25-30% при его растяжении. Это можно объяснить снижением прочности цементного камня и возникновением расклинивающего действия водных пленок в цементе. При нагреве бетона свыше 300º С происходит понижение его прочности в результате появления нарушений в структуре цементного камня и возникновения существенных напряжений из-за градиента температуры между внешними и внутренними слоями бетона. Что касается легкого бетона, то снижение его прочности происходит лишь при нагревании свыше 300º С, так как он нагревается гораздо медленнее из-за достаточного количества пор. Если его долгое время нагревать до температуры 200º С, то прочность бетона при сжатии может восстановиться, а если подвергать цикличному воздействию влажности окружающей среды и температуры, то плотность резко падает (на 30% после 50 циклов и на 50% после 200). Влажный бетон может хрупко разрушаться при сильном нагреве, например во время пожара.
Касаемо железобетона, ситуация обстоит немного иначе. Как известно, железобетонные конструкции состоят из бетона и арматуры, поэтому здесь имеет место комбинированное воздействие высоких температур, в результате которого возникают внутренние напряжения. Они вызваны различными коэффициентами деформации цементного камня, заполнителя и стальной арматуры. При постоянном воздействии на железобетон технологических температур, как было указано выше, происходит снижение прочности бетона. Как правило, он разрушается при длительном нагреве до 500-600º С и последующем охлаждении. Происходит снижение прочности сцепления арматуры периодического профиля с бетоном на 30%. Однако сцепление гладкой арматуры с бетоном резко уменьшается уже при 250º С. Под влиянием высоких температур происходит разрушение железобетонных балок, как следствие разрыва растянутой арматуры, нагретой до предельной температуры.
Наиболее подверженным воздействию высоких температур является металл. При нагревании в нем возрастает подвижность атомов, происходит обмен их местами, увеличение амплитуды колебаний и ослабление межатомных связей. Именно это влечет за собой изменения физико-механических и механических, прочности в частности, свойств металлов и сплавов.
Различные виды стали широко применяются для изготовления различных металлоконструкций уже с 80-х годов XX века, поэтому именно она заслуживает наибольшего внимания. Стальные конструкции обладают небольшой массой и высокой прочностью, отличаясь при этом незначительными габаритами. При воздействии высоких температур около 200-250° С, свойства стали практически остаются неизменными. Но уже при нагревании до 250-300° С происходит незначительное повышение прочности и снижение пластичности. При такой температуре сталь становится более хрупкой. В данном случае не рекомендуется подвергать её деформациям или оказывать ударное воздействие. В результате нагрева свыше 400°С происходит резкое падение предела текучести и временного сопротивления, а при дальнейшем повышении температуры до 600° С сталь теряет свою несущую способность, как следствие наступившей температурной пластичности. В данном случае при воздействии высоких температур с уменьшением толщины стенки происходит потеря прочности и переход из упругого состояния в упруго-пластичное.
Таким образом, при влиянии на металл значительных температур, падают пределы упругости, текучести, прочности и твердость, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного сечения при разрыве растут. При повышении температуры происходит проявление способности металла к очень медленному, но непрерывному изменению размеров под действием слабых и постоянных по времени напряжений. Металл удлиняется, “ползет”. Это явление называется “ползучесть”. При постепенном удлинении металла появляются микропустоты и трещины с концентрацией напряжений вокруг них и, в конечном счете, происходит разрыв.
Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться (ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре. Практически считают, что, начиная с 400°, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть. Необходимо учитывать явление ползучести при выборе материала для изготовления различного рода конструкций, особенно для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических установок, которые работают при высоких температурах.
Таким образом, воздействие высоких температур практически на любой строительный материал приводит к отрицательным последствиям, в результате чего происходит потеря прочностных свойств и несущей способности. Для того чтобы оградить материалы от отрицательных температурных воздействий необходимо устраивать защитные слои из огнестойких материалов, либо использовать для изготовления конструкций и оборудования специальные особо прочные материалы, предназначенные для применения в высокотемпературных средах.
Источник