Термостойкость стали Х21Л

Жаростойкие изделия в процессе их эксплуатации подвергаются циклическим нагревам и охлаждениям. В изделиях появляются термические напряжения, приводящие к преждевременному выходу изделий из строя из-за образования трещин и коробления. Поэтому появляется неправильная тенденция — заменить жаростойкие стали при изготовлении жаростойкого оборудования простыми углеродистыми сталями.

Коробление и трещины вызываются напряжениями только первого рода, т. е. зональными внутренними напряжениями, возникающими, между отдельными зонами сечения и между различными частями деталей. Напряжения первого рода зависят от конфигурации и размера деталей, температуры цикла, скоростей нагрева и охлаждения и других внешних факторов, а также от физических характеристик металла.

Механизм разрушения металлов от термической усталости, по-видимому, должен быть аналогичен механизму усталостного разрушения металлов от циклических напряжений (механической усталости) и связан с образованием несовершенств кристаллического строения (вакансий, дислокаций).

Процесс образования трещин в результате термической усталости можно разделить на два этапа. Первый этап — образование субмикроскопических трещин, второй этап — перерождение субмикротрещин в трещины критических размеров, которые способны самопроизвольно расти до разрушения металла.

Развивающиеся при термоциклической обработке термические напряжения приводят к возрастанию плотности дислокаций и созданию их в количестве, достаточном для зарождения микротрещин. В этих сильно искаженных областях металла напряжения превышают межатомные связи, что и приводит к нарушению сплошности металла.

Другой причиной появления субмикротрещин Мотт, Одинг и другие считают образование и концентрацию вакансии при знакопеременном напряжении.

Из приведенного механизма образования трещин следует, что одним из путей снижения склонности жаростойких сталей к термической усталости может быть упрочнение межатомных связей. В одном случае это упрочнение потребует значительно больших плотностей дислокаций для зарождения субмикротрещин, в другом — увеличит энергию образования вакансий.

Упрочнение межатомных связей в высокохромистых сталях может быть достигнуто микролегированием этих сталей редкоземельными металлами (РЗМ). Это подтверждается повышением прочпостных свойств и уменьшением усадки стали при микролегировании.

20%-ная хромистая сталь Х21Л с различным количеством вводимых в нее РЗМ выплавлялась в высокочастотной электрической печи емкостью 130 кг. Плавки проводили методом переплава. РЗМ в виде ферроцерия вводили в металл перед выпуском его из печи.

Для проведения испытаний на термическую усталость отливали образцы различной конфигурации: кольца с переменной толщиной стенок, трубки цилиндрической формы и бруски Т-образного сечения. Конфигурацию проб выбирали, учитывая чувствительность стали к термической усталости. Наиболее чувствительным оказался образец Т-образного сечения, приведенный на рис. 1.

Трещины на таком образце из стали с низкой термостойкостью появлялись через 2—3 цикла, из стали с высокой термостойкостью — через 60— 80 циклов.

Критерием для оценки склонности стали к трещинам в условиях циклических нагревов и охлаждений было выбрано число теплосмен до появления первых макротрещин на образцах. Образцы нагревали в лабораторных шахтных электрических печах типа ШП-1 с помощью силитовых стержней, равномерно расположенных вдоль стенок шахты и экранированных тонкой огнеупорной стенкой. Температуру печи замеряли платино-платинородиевой термопарой и регистрировали электронным потенциометром ЭПП-01.

Образцы нагревали в печи до температуры 1000° С, выдерживали при этой температуре 15—20 мин и затем резко охлаждали в воде до комнатной температуры. Температурный перепад АТ, определяемый максимальной температурой, при охлаждении в воде был равен 980—970° С.

Результаты исследования представлены на рис. 2. Каждая точка на графике отражает средние данные 4—5 плавок. От каждой плавки исследовалось три-четыре образца.

Сталь Х21Л без добавок РЗМ быстро разрушается из-за термической усталости (через два-три цикла). Эта сталь совершенно непригодна для работы в условиях циклических нагревов и охлаждений. При добавлении в сталь Х21Л РЗМ термостойкость ее резко повышается. Микролегированная добавкой 0,8% ферроцерия сталь Х21Л разрушается из-за термической усталости после 45—57 циклов. Повышенное содержание углерода в этой стали обеспечивает термостойкость в среднем около 75 циклов.

Для сравнения были проведены испытания в аналогичных условиях сталей 45Л, Х13Г19ТЛ и Х24Н12СЛ. Образование трещин на образцах стали Х24Н12СЛ наступает после 60—80 циклов, однако коробление образцов этой стали начинается при меньшем количестве циклов, чем у стали Х21Л, и оно значительно сильнее. Образцы стали Х24Н12СЛ удлиняются, «растут» при термоциклических испытаниях. После 50 циклов удлинение достигает 10%.

Образцы стали Х21Л несколько укорачиваются по длине, металл уплотняется.

Стали 45Л и Х13Г19ТЛ не могут быть отнесены к жаростойким при температуре эксплуатации 1000° С. Образцы стали 45Л «сгорали» после 12—14 циклов, а образцы стали Х13Г19ТЛ уменьшались по толщине в 3—4 раза после 28—30 циклов. Образцы до испытания (а) и после испытания сталей Х24Н12СЛ (б), Х21Л (б), Х13Г19ТЛ (г) и 45Л (б) представлены на рис. 3.

Выводы

1. 20%-ная хромистая сталь марки Х21Л непригодна для изготовления жаростойких отливок, работающих в условиях циклических нагревов и охлаждений. После двух-трехразовой закалки с температуры 1000° С на образцах сравнительно простой конструкции появляются трещины.


2. Микролегирование стали Х21Л добавкой 0,8% ферроцерия (сталь Х21Л) резко повышает ее термостойкость. По сопротивлению термической усталости эта сталь приближается к высоколегированным хромоникелевым сталям типа Х24Н12СЛ.