Leszek Kłyk Wrocław

Wydz. Mechaniczno-Energetyczny 21.XI.2000

rok II grupa C

czwartek godz. 11¹⁵

STALE STOPOWE STOSOWANE W ENERGETYCE

Celem ćwiczenia jest poznanie mikrostruktur występujących w stalach stopowych w energe­tyce, oraz przedstawienie zjawiska pełzania i wytrzymałości na rozciąganie.

WSTĘP TEORETYCZNY

Stal i ogólna klasyfikacja stopów żelaza z węglem

Stal jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. W zależności od stężenia węgla oraz sposobu wytwarzania można dokonać klasyfikacji stopów żelaza z węglem. Stopy o stężeniu węgla mniejszym od ok. 0,05% są nazywane żelazem technicznym. Stopy zawierające mniej niż 2% węgla, otrzymywane w wyniku odlewania i następnie obróbki plastycznej, nazywane są stalami. Odlewnicze stopy o tym samym stężeniu węgla noszą nazwę staliw. W stalach i staliwach węgiel występuje w postaci związanej w cementycie.

Stale żaroodporne - są to stale odporne na korozyjne działanie gazów lub powietrza o temp. wyższej niż 550°C. Następstwem działania tych gazów jest utlenianie. Gdy tlenek jest lotny, powierzchnia metaliczna nie pokrywa się warstwą tlenku i zachowuje w dalszym ciągu wygląd metaliczny. Gdy objętość tlenku jest większa warstwa jest szczelna a bezpośrednie utlenianie nie jest możliwe. Wiele technicznie ważnych metali tworzy tlenki o większej objętości, a między innymi są to: Al., Cd, Zn, Sn, Si, Ni, Mn, Fe, Cu, Co, Cr. Podstawowym pierwiastkiem stopowym zwiększającym żaroodporność stali jest chrom, gdyż nie wpływa on jednocześnie ujemnie na inne własności stali. Niektóre pierwiastki stopowe mają ujemny wpływ na żaroodporność stali. Są to przede wszystkim wanad i molibden. Warstwy tlenków na powierzchni stali, które zawierają wanad łatwo ulegają stopieniu. Natomiast tlenki molibdenu są lotne w wysokich temperaturach, a utleniając się powodują rozpulchnianie pasywującej warstwy tlenków. Nikiel wprowadzony razem z chromem do stali powoduje powstanie trwałej struktury austenitycznej. Węgiel w stalach żaroodpornych wpływa ujemnie na ich własności, jeśli występuje w postaci węglików. Węgiel występujący w roztworze (w ferrycie bądź austenicie) nie zmienia żaroodporności stali.

Mikrostruktury stali żaroodpornych zależne od składu chemicznego.

Struktura martenzytyczna - przy stosunkowo małej zawartości chromu (5 - 6%) i niewielkich dodatkach molibdenu lub krzemu stale wykazują w stanie równowagi strukturę stali przedeutektoidalnej: ferryt i perlit, a po ochłodzeniu w powietrzu - strukturę martenzytyczną. Stale te stosuje się do temp. 650°C (H5M) lub 800°C (H652) i są to temperatury niższe niż temp. przemiany w austenit, gdyż zmiany objętości podczas przemiany mogłyby uszkodzić warstwę tlenków.

Struktura ferrytyczna - stale zawierające ponad 12% Cr są ferrytyczne, przy czym w ferrycie mogą się znajdować węgliki w ilości zależnej od zawartości węgla i temperatury roboczej. Długotrwałe stosowanie tych stali w temperaturach wyższych niż 950°C powoduje rozrost ziaren, a powstałej gruboziarnistości nie można cofnąć przez przekrystalizowanie, ze względu na brak przemiany fazowej. Rozrostowi ziaren można w dużej mierze zapobiec przez dodanie tytanu (H2ST). Zaletą ferrytycznych stali stopowych jest ich odporność na działanie siarki.

Struktura austenityczna - stale chromowi-niklowe mają budowę austenityczną. Zależnie od temp. pracy i zawartości węgla w stalach austenitycznych mogą występować węgliki typu M₂₃C₆. Stale austenityczne wykazują mniejszą skłonność do rozrostu ziaren niż stale ferrytyczne, a dzięki lepszej plastyczności austenitu są bardziej odporne na zmianę temp. Stosunek zawartości chromu do niklu wynosi w nich: 18/9, 18/25, 23/13, 23/18, 25/20, przy czym zwiększający żaroodporność wzrost zawartości chromu pociąga za sobą konieczność zwiększenia zawartości niklu zapewniającego zachowanie struktury austenitycznej.

Stale żarowytrzymałe - są stalami wykazującymi w podwyższonych i wysokich temp. lepsze własności wytrzymałościowe niż typowe stale konstrukcyjne. Jeśli temp. pracy przekracza 550°C to od stali tych wymagana jest dodatkowa żaroodporność. Własności wytrzymałościowe konstrukcyjnych stali węglowych i niskostopowych zmienia się ze wzrostem temperatury w sposób pokazany na wykresie. Zdecydowanie ujemny wpływ na żarowytrzymałość stopów metali mają domieszki i zanieczyszczenia tworzące łatwo topliwe eutektyki.

Stale żarowytrzymałe są najczęściej stosowanym materiałem konstrukcyjnym na wszelkiego rodzaju urządzenia stosowane w energetyce, ale tylko do temp. 600°C. W wyższych temp. stosuje się stopy na osnowie niklu, kobaltu, molibdenu, wolframu. Metale bardzo trudno topliwe stosuje się często w stanie czystym po obróbce plastycznej na zimno, dzięki czemu ich wytrzymałość w temp. pracy jest większa.

Wytrzymałość na rozciąganie

Dzięki próbie wytrzymałości na rozciąganie można sprawdzić kilka cech charakteryzujących materiał tj. wytrzymałości na rozciąganie Rm, granicy plastyczności Re, wydłużenia A% i przewężenia Z%. Przy wykonywaniu próby na rozciąganie umieszcza się próbki w uchwycie i poddaje powoli wzrastającemu obciążeniu. Podczas rozciągania otrzymuje się wykres rozciągania uzależniający wydłużenie od obciążenia.

Wytrzymałość na pełzanie. Pełzanie. Granica pełzania.

Pełzanie metalu lub stopu jest to zjawisko powolnego odkształcenie się plastycznego pod wpływem stałego lub zmiennego naprężenia. Zjawisko to jest charakterystyczne dla wszystkich ciał krystalicznych poddanych działaniu naprężeń po przekroczeniu pewnej określonej temperatury.

Granica pełzania jest to naprężenie stałe (równe ilorazowi stałego obciążenia próbki przez pole jej początkowego przekroju), które pod wpływem określonego czasu działania w stałej temperaturze spowoduje trwałe wydłużenie próbki o określoną wielkość.

Wytrzymałość na pełzanie jest to stałe naprężenie (równe ilorazowi stałego obciążenia próbki przez pole jej początkowego przekroju), które po upływie określonego czasu działania w stałej temperaturze spowoduje rozerwanie próbki. Wytrzymałość na pełzanie oznacza się Rz/τ/°C np. Rz/1000/600, gdzie:

τ - czas w godzinach,

°C - temperatura.

1H18N9T

Korozja międzykrystaliczna przebiegająca po granicach ziaren austenitu. Pow. 400x Trawiono elektrolitycznie w 10% kwasie szczawiowym

1H17N469

Ziarna austenitu stopowego z bliźniakami rekrystalizacji. Widoczne ułożone pasmowo wydzielenia węglików. Pow. 800x Trawiono Mi19Fe

H7 11G12

12% magnezu, staliwo Hadfielda Iglaste wydzielenia cementytu stopowego, na granicach ziaren widoczne owalne, ciemne wtrącenia niemetaliczne. Pow. 400x Trawiono Mi1Fe

3

---