Одной из важнейших эксплуатационных характеристик стали, которая используется в условиях повышенных температур, является ее жаростойкость. То есть, способность изделия работать в высокотемпературных режимах без разрушения или заметной остаточной деформации.
Интерес к стали с жаростойкими свойствами возник в 30-х годах 20 века. В те года в связи с развитием газотурбинных двигателей и реактивной авиации, был запрос на необходимость в таких материалах, которые могут служить при очень высоких температурах.
Критерии оценки жаропрочности – ползучесть и длительная прочность. Также, перед тем как купить металл рекомендуем обратить внимание на такой фактор, как растрескивание жаропрочной стали, то есть локальные разрушения металла в зоне сварного шва при высоких температурах эксплуатации или вследствие коррозийных воздействий.
Теплоустойчивая сталь и жаропрочные стали применяются в металлургических печах, в конструкциях крекинг-установок при процессах гидрогенизации топлива. При производстве газовых турбин (реактивная авиация, морские суда, стационарные установки) они в принципе незаменимы. Рассмотрим несколько примеров.
Чтобы предотвратить трещинообразование при температурном режиме +700...950°С, в формуле стали в большом количестве присутствуют кобальт или никель. Для температур до +950...1500° С в качестве главного компонента выбирается молибден или другие металлы категории тугоплавких, например:
|
Материал |
Температура плавления, ºС |
|
Цирконий |
1850 |
|
Ванадий |
1900 |
|
Гафний |
2000 |
|
Ниобий |
2415 |
|
Молибден |
2600 |
|
Тантал |
3000 |
|
Рений |
3180 |
|
Вольфрам |
3410 |
Сегодня на рынке по степени востребованности выделяют тугоплавкую металлопродукцию с таким химическим составом:
Добавки выполняют функцию легирования, что повышает эксплуатационный ресурс материалов.
Более высокой жаростойкостью обладают сплавы, содержащие более 55% никеля или включающие комбинацию железо + никель на уровне 65%.
Предотвращение холодных трещин и других деформаций металлоконструкций зависит от правильности выбора материала для решения определенных эксплуатационных задач.
Сплавы жаропрочной категории характеризуются способностью сопротивляться внешним воздействиям при различных состояниях. Основными механическими свойствами такой продукции являются:
Растягивающие и сжимающие напряжения – еще один важный фактор, который применяется для оценки функционального потенциала жаропрочного стального сплава. Если более конкретно, то напряжение существует:
Возникновение и распространение трещин в конструкциях из жаропрочных сталей при наплавке, сварке и аддитивных технологиях, где применяют высококонцентрированные источники энергии – это серьезная проблема, снижающая качество изделий.
Причины возникновения трещин при сварке или наплавке определяются составом, структурными факторами – неоднородностью, размером зерна, компонентной формулой присадок. Сплавы большой структурной неоднородности преимущественно с крупным зерном обладают повышенной склонностью к получению горячих трещин. Причем самым слабым местом является околошовная зона.
С другой стороны, структурная сбалансированность, обеспеченная правильно подобранным химическим составом сплава, не всегда гарантирует хорошую трещиностойкость. Очень важно с учетом компонентной формулы правильно выбрать режим сварки и наплавки – очень часто это имеет решающее значение.
Холодные трещины – типичный дефект сварных соединений при монтаже конструкций из среднелегированных и высоколегированных перлитных и мартенситных сталей. Образуется он на этапе охлаждения до сравнительно невысоких температур, обычно, ниже 200 °С. Ключевые отличия холодных трещин:
Выбирая сталь для производства металлоконструкций, оценить риск возникновения холодных трещин можно путем расчета углеродного эквивалента Сэкв, который характеризует степень легирования стали. Одна из причин образования трещин – водород в сварном шве: чем выше его концентрация, тем большая выраженность растрескивания.
Внутренние остаточные напряжения в металле сварного соединения по окончании сварки при наличии внешних суммируются с ними. Процесс распределения этих напряжений влияет на образование трещин.
При изготовлении металлоконструкций листовую и прокатную сталь режут. При этом имеют место процессы нагрева, деформации и трения, вследствие чего возникают большие температурные градиенты и температурное напряжение, показатели которых превосходят граничный предел текучести материала.
Пластическая деформация сжатия в нормальных температурных условиях в детали провоцируется появлением растягивающих остаточных напряжений. В определенных ситуациях необходимо учитывать и структурные изменения, влияющие на изменение объема.
Получается, что два ключевых фактора при порезке стали – силовой и температурный, работают в противоположных направлениях. Именно этим объясняется высокая взаимосвязь величины и знака остаточного напряжения с технологическим режимом обработки.
Если рассмотреть другое механическое воздействие на углеродистую сталь – точение при положительном переднем угле резца в режиме высоких скоростей, то на поверхностях металла возникают остаточные напряжения растяжения. А вот при точно таких же условиях в процессе резания стали, например, 18ХНМА, появляется напряжение сжатия.
Снятие напряжения в металле можно обеспечить, если использовать максимально острый резец, поскольку его затупление способствует возникновению этого процесса при изготовлении стальных конструкций.
Трещины сварных швов – это несплошность вследствие местного разрушения шва при его охлаждении или же вызванная действием нагрузок. Они в металлоконструкциях недопустимы, поскольку выступают концентраторами вредного для конструкции напряжения и являются очагом разрушения.
Внешне трещины сталей визуализируются невооруженным глазом или через обычную увеличительную лупу, как разрывы металла по границам зерен. Как вариант, дефекты могут определяться по самим кристаллам материала сварного соединения.
Выделяются такие виды трещин соединений в местах соединения элементов с помощью сварки:
Растрескивание металла при затвердевании сразу после окончания сварки случаются. Однако самым частым видом разрушений такой специфики является медленное растрескивание. Поэтому в приведенной ниже информации речь идет именно об этом явлении.
При сварке наиболее эффективный метод предотвращения замедленного растрескивания – предварительный прогрев. Это воздействие на основной металлопрокат обеспечивает возможность сокращения скорости остывания по завершении сварки, что является сдерживающим фактором для затвердевания околошовной зоны.
Чтобы добиться минимизации напряжения при монтаже конструкций из металла стоит избегать сварки на участках концентрированного напряжения. Как вариант, для уменьшения концентрации напряжения может выполняться сварка в правильной последовательности.
В завершение хотим отметить, что с целью повышения несущей способности конструктивных деталей металлоконструкций и их соединений прибегают к таким способам: внедрение дополнительных элементов, которые работают в унисон с усиливаемыми деталями; усиление соединений – сварных, заклепочных и болтовых. Но более детально об этом мы расскажем в следующей статье.
Мы рады, что вы заинтересовались информацией из нашего блога. И даем согласие на использование материалов для учебных целей или для личного пользования. Однако предупреждаем, что копирование информации для публичного распространения – это нарушения авторского права и других прав интеллектуальной собственности, согласно Бернской конвенции и Закона Украины об авторском праве №3792-XII.
