C12SELECTIA MATERIALELOR REZISTENTE LA TEMPERATURI RIDICATE10.1 Generalităţi asupra comportării la cald a materialelor

Dezvoltarea materialelor pentru temperaturi înalte a acompaniat pe cea a maşinilor termice şi frecvent a condiţionat creşterea performanţelor acestora. Cazul cel mai elocvent este cel al turbinelor aeronautice, echipamentelor de producere a energiei şi reactorii chimici.

Noţiunea de temperatură înaltă este asociată aparitiei, în cursul unei solicitări sub tensiune, a unui comportament văsco-plastic care conduce la rupere. Acest comportament vîsco-plastic are la bază difuzia atomilor care devine senmificativă la o temperatură superioară lui (0,3-fO,4)*Tf, Tf

este temperatura de fuziune a materialului exprimată în K.Difuzia atomică are o influentă asupra comportamentului văsco-plastic al materialelor şi totodată ea modifică atît microstructura cît şi rezistenţa la coroziune.Se vorbeşte tradiţional de materiale pentru temperaturi înalte atunci cînd rezistenţa lor mecanică şi comportarea la oxidare permit o utilizare la peste 400°C, limita obişnuită de întrebuinţare a oţelurilor nealiate. Acest criteriu conduce la reţinerea următoarelor materiale:

unele oţeluri slab aliate; oţeluri inoxidabile; unele aliaje cu bază de titan; superaliajele; metalele refractare; ceramicele monolitice şi compozitele.

În figura 10.1 este arătată dependenţa rezistenţei specifice de temperatura de încercare a materialelor inginereşti.O prezentare rapidă are în vedere şi aliajele cu bază de aluminiu precum şi compozitele cu matrice organică în curs de dezvoltare a căror stabilitate permite o utilizare la 200-300°C. Proprietăţile tehnologice şi de întrebuinţare ale acestor materiale depind de compoziţia lor chimică, de natura, mărimea şi dispersia fazelor secundare, de impurităţile rezultate în urma elaborării şi de tratamentul termomecanic aplicat. Selectia judicioasă a materialului implică o cunoaştere foarte precisă a condiţiilor de utilizare: intensitatea şi durata de aplicare a tensiunilor, temperatura şi mediul înconjurător. Pentru o aplicatie dată va fi necesar să se indice atît compozitia chimică a materialului cît şi procedeul de fabricare şi tratamentele termice care determină starea sa structurală.

200 400 600 800 1000 1200 Temperarura , 0C

Figura 10.1 Evoluţia rezistenţei specifice în funcţie de temperatură pentru principalele familii de materiale.

10.2 Materialele metalice

Structurile de rezistenţă exploatate la temperatura ambiantă sunt proiectate fie pe baza limitei de curgere fie pe baza rezistenţei la rupere, caracteristici determinate prin încercări de tracţiune statică la temperatura camerei. Pentru majoritatea metalelor inginereşti caracteristicile de tractiune la temperatura camerei sunt independente de timp. Creşterea temperaturii influenţează toate proprietăţile: ea diminuează modulul de elasticitate (ca urmare a scăderii fortelor de coeziune interatomică), limita de curgere, rezistenţa la rupere (figura 10.2) şi îndeosebi gradul de durificare prin deformare plastică. Mai mult, trebuie ţinut seama de faptul că în conditiile unei viteze mici de aplicare a sarcinii, ruperea este provocată de tensiuni mai reduse decît în conditiile încercărilor statice uzuale.La temperaturi ridicate (superioare celei de recristalizare) proprietătile mecanice ale materialelor metalice sunt determinate de procesele simultane de durificare prin deformare plastică şi de înmuiere datorită restaurării şi recristalizării. De aceea, la temperaturi ridicate acţiunea prelungită în timp a unei sarcini constante dă naştere unei măriri progresive a deformaţiei plastice sub acţiunea tensiunilor inferioare celor susceptibile să provoace o astfel de deformatie la încercări uzuale. Aptitudinea materialului, menţinut timp îndelungat sub sarcină la temperaturi ridicate,

de a se deforma lent şi continuu poartă numele de fluaj.

Temperatura 0C

Fig.10.2 Variaţia caracteristicilor statice de tracţiune ale oţelurilor cu conţinut redus de C funcţie de temperatura de

încercare

Rezistenţa la fluaj este definită prin limita conventională de fluaj, aceasta fiind tensiunea care provoacă într-un timp dat de încercare la o temperatură dată o alungire dată a epruvetei sau o viteză de deformare dată.Un fluaj important poate conduce la ruperea materialului metalic. Rezistenţa la rupere ca urmare a menţinerii prelungite sub sarcină la temperaturi ridicate poartă denumirea de rezistenţă de lungă durată.Rezistenţa metalelor la fluaj şi la rupere sub actiunea prelungită a unei sarcini în domeniul temperaturilor ridicate se numeşte rezistenţa la cald.Pentru definirea rezistenţei la cald se efectuează încercări de tractiune la cald de scurtă durată şi încercări de fluaj.Încercările de tractiune la cald de scurtă durată sunt aplicate cînd timpul în care piesa suferă acţiunea

temperaturilor ridicate este foarte scurt sau cînd temperatura în serviciu nu este foarte ridicată şi valoarea fluajului este neglijabilă. Aceste încercări se desfaşoară de o manieră analoagă cu cele uzuale de tracţiune, dar epruveta este plasată într-un cuptor.Încercările de fluaj se folosesc pentru determinarea rezistentei la rupere. Pentru aceasta se folosesc maşini speciale la care epruveta plasată într-un cuptor electric şi încălzită pînă la o temperatură impusă suferă acţiunea unei sarcini constante. Deformatia epruvetei este măsurată cu o precizie de 0,001mm printr-un instrument optic. Mai multe epruvete sunt puse la încercare la fiecare temperatură impusă sub sarcini variate după care se trasează pentru fiecare epruvetă curbele alungire-timp (curbele de fluaj - figura 10.3).Sectorul OX al curbei corespunde unei deformatii elastice şi plastice produsă printr-o sarcină instantanee; urmează sectorul I pentru care deformaţia metalului are loc la o viteză inegală şi descrescătoare şi sectorul II la care viteza de fluaj este aproximativ constantă şi minimă. Efortul aplicat, temperatura şi materialul supus încercării fac ca

Timpul

Figura 8. 3 Curba de fluaj.

deformaţia să antreneze fie ruperea (zona III A figura 10.3) fie încetinirea şi încetare fluajului (zona III B figura 10.3).

Iniţierea fluajului secundar are loc după 700-lOOOh, iar durata totală a unui

asemenea test este de mai multe mii de ore.Temperaturile de serviciu ale aliajelor moderne rezistente la cald variază între 0,45…0,8 din Tf. Duratele de serviciu ale acestor aliaje variază de la (l-2)h (rachete) la sute (turbine cu gaz pentru avion) şi mii de ore (turbine staţionare cu gaz şi cu vapori).La temperaturi inferioare lui 0,45 *Tf sau 0,8*Tf, rezistenţa unui aliaj este determinată stabilitatea structurii dislocaţiilor.La temperaturi mai ridicate, această stabilitate este distrusă (densitatea dislocaţiilor micşorează, numărul de lacune creşte, etc.). Se observă dezvoltarea proceselor înmuiere prin difuzie (revenire şi recristalizare, sferoidizarea şi coalescei particulelor de fază în exces, etc.).Degradarea metalelor la temperaturi ridicate nu este încă suficient studiată. Dacă temperaturi joase, marginile grăunţilor frînează deplasarea dislocaţiilor şi durifică aliajul, la temperaturi înalte fenomenul este invers: alunecarea limitelor devine mecanismul predominant al deformării şi ca urmare ele favorizează înmuierea accelerată a metalelor policristaline. Un grăunte mai mare contribuie la creşte rezistenţei la cald, cu toate că deseori în aceste condiţii plasticitatea este mai mică.Rezistenţa la cald a unui otel şi a altor aliaje metalice depinde în mare măsură fortele de legătură interatomică şi de starea lor structurală. În primă aproximatie poate admite că cu cît temperatura de tranzitie este mai ridicată, cu atît fortele legătură dintre atomi sunt mai mari şi temperatura maximă de utilizarc a acestor aliaje este mai înaltă.De exemplu, la temperaturi ridicate Al este mai rezistent decât Zn, iar Cu este mai rezistent decât Al. Cu toate că metalele care au punctele de topire cele mai ridicate ar trebui să aibă cea mai bună rezistenţă la fluaj, alti factori limitează utilizarea practică a acestora.Astfel, metalele refractare Nb, Mo, Ta şi W (tabelul 10.1) nu pot fi prelucrate uşor sub formă de piese mari cu formă complexă şi au o rezistentă la oxidare scăzută. Titanul are o rezistenţă mai mică la fluaj raportată la temperatura de topire, dar aliajele cu bază de titan sunt utilizate în aplicaţii aerospatiale datorită masei specifice reduse. Cromul nu este utilizat din cauza ductilităţii reduse, dar este folosit ca element de aliere în multe asemenea aliaje. Fe, Co şi Ni, principalele elemente ale celor mai bune aliaje rezistente la fluaj, au punctele de topire nu prea ridicate.

10.3 Mecanisme de creştere a rezistenţei la fluaj

Mecanismele utilizate pentru creşterea rezistenţei la fluaj sunt similare cu cele folosite pentru îmbunătătirea caracteristicilor de rezistentă mecanică la temperatura camerei: călirea pentru punere în soluţie urmată de îmbătrânirea prin revenire. Diferentele de la un material la altul în privinţa rezistenţei la fluaj sunt legate de persistenta mecanismului de durificare cu creşterea temperaturii.

Tabelul 10.1 Corelatia dmtre temperatura de topire şi temperatura potentială de utilizare a unor materiale metalice.

MetalTemperatura de topire

Temperatura potenţială de utilizare

T=2/3-Tf

T/Tf atins în momentul actual

°C K K °C

Al 658 931 350 77 0,56

Cu 1083 1356 630 357

N1 1455 1728 830 557 0,74 (Nimonic la 980"C)

Fe 1538 1811 930 657 0,57 (oţel austenitic la 750°C)

Ti 1728 2001 1020 747 0,4

Zr 1852 2125 1150 877

Cr 1900 2173 1180 907 0,60 poate fi atinsa dacă Cr poate fi facut suficient de ductil

Hf 2222 .

2495 1370 1097

Nb 2468 2741 1550 1277 0,54 poate fi atinsă dacă se găseşte o acoperire de suprafaţă corespunzătoare

Mo 2610 2883 1550 1277

Ta 2996 3269 1910 1637

W 3410 3683 2160 1887 0,76 (filamentul lămpii electrice la 2500°C)

Otelurile cu continut redus în carbon, care au dizolvat interstitial atomii de azot şi de carbon, sunt susceptibile la îmbătrânire prin deformare, fapt care justifică utilizarea lor până la temperaturi de 315°C.Prelucrarea anterioară prin deformare la rece este utilizată pentru creşterea rezistenţei la fluaj, deşi la temperatari în jur de 0,5-Tf se constată o reducere a acesteia ca urmare a recristalizării.Cea mai importantă metodă de îmbunătăţire a rezistenţei la fluaj constă în încorporarea unei dispersii fine de particule de fază secundară în interiorul grăuntilor.Durificarea produsă prin dispersia oxizilor la alierea mecanică poate favoriza mărirea rezistenţei la fluaj.În cazurile cînd snnt necesare proprietăţi de întrebuinţare pe o durată mai lungă de timp (pănă la lOO.OOOh) pentru care nu există date disponibile, singura alternativă este extrapolarea rezultatelor experimentale. Larson şi Miller au propus

următoarea relaţie de echivalenţă între timpul şi temperatura de serviciu:

P = T(K)*(C+logtr)*10-3

Figura 8. 4 Rezistenţa la rupere prin fluaj a oţelurilor şi a aliajelor de Ni utilizate la temperaturi înalte.

Această relaţie permite, cunoscînd curba experimentală R=f(P) şi doi din cei trei parametrii:1. tensiunea de rupere R;2. timpul de rupere tr;3. temperatura T.să se determine cel de-al treilea.Totodată, curbele Larson-Miller sunt foarte utile pentru compararea între ele a diferitelor nuante de materiale (figura 10.4). Această figură contine şi o abacă ce permite să se determine uşor parametrul P pentru o temperatură şi o durată dată.În cele ce urmează se analizează succint otelurile şi aliajele rezistente la cald. Există două clase principale de asemenea oteluri:

oteluri cu matrice constituită din soluţia solidă α; oţeluri cu matrice alcătuită dintr-o structură

austenitică.

10.4 Oţeluri cu matrice de soluţie solidă α

Oţelurile caracteristice acestei clase sunt examinate în funcţie de rezistenţa pe care o au la temperaturi înalte.

MPa

Fig.10.5 Variaţia limitei de fluaj cu temperatura pentru o deformaţie de 1 % şi o durată de 100.000 h

10.4.1 Oţeluri cu structură ferito-perlitică sau ferito-bainito-perlitică

Ele nu pot fi utilizate în serviciu decât la temperaturi relativ scăzute, care nu depăşesc 500-580°C. Au un continut scăzut în carbon şi sunt aliate cu Mo, Cr şi V pentru creşterea rezistentei la fluaj (figura 10.5 şi tabelul 10.2).Prezenta în soluţia solidă a Cr şi Mo măreşte temperatura de recristalizare a feritei şi facând mai dificil procesul de difuzie, îmbunătâţeşte rezistenta la cald. Vanadiul îmbunătăţeşte rezistenţa la cald deoarece formează carburi, VC, cu grad redus de dispersie dar care la încălzire până la 650°C suferă fenomene de coalescenţă şi fac dificilă deformarea plastică a solutiei la temperaturi ridicate.Pentru ţevile de încălzire la presiune înaltă (până la 100 atm) la temperatura de supraîncălzire care variază de la 500 la 530°C, se utilizează oteluri aliate cu 0,4-0,6%Mo.Pentru utilizări la temperaturi moderate sau pe durate scurte

la care nu intervine fluajul, cea mai importantă caracteristică mecanică este limita de curgere la cald.

Pentru realizarea rotorilor şi a componentelor turnate ale turbinelor ce functionează la temperaturi de până la 550°C se utilizează otelul slab aliat de tipul lCrlMol/4V, iar la temperaturi de până la 600°C otelul 12CrlMol/2V. În intervalele de temperatură medie se utilizează oţeluri slab aliate Cr-Mo şi Cr-Mo-V. Rotorii de putere scăzută la care temperatura dezvoltată nu depăşeşte 350°C se realizează din oteluri cu 2,8-3,5 Ni-Cr-Mo-V.Oţelurile aliate cu Cr şi Mo sunt destinate fabricării echipamentelor care lucrează la temperaturi de 475-5 80°C (cazane energetice, recipiente sub presmne, schimbătoare de căldură). În functie de conţinutul în Cr aceste se împart în:

oţeluri slab aliate cu 0,45-1,70%Cr, 0,15-0,40%Mo şi concentraţii mai ridicate în carbon (0,30-0,46%C);

oţeluri mediu aliate cu 0,70-6,0%Cr, 0,25-1,l%Mo şi conţinut redus în carbon (0,10=0,15%C).

Molibdenul şi cromul sunt elemente de aliere alfagene care stabilizează domeniul feritic şi tind să reducă domeniul austenitic.Fierul şi cromul formează la temperaturi ridicate o serie izomorfă de soluţii solide având o reţea cristalină CVC.Rezistenţa la cald a oţelurilor Cr-Mo este determinată în principal de conţinutul în Mo, care măreşte stabilitatea la revenire, respectiv frânează procesul de coalescentă acarburilor prin micşorarea vitezei de difuzie şi totodată favorizează formarea unor carburi fin dispersate care au un efect de blocare a fenomenelor de alunecare pe anumite suprafeţe ale cristalelor de ferită. Oţelurile slab aliate cu Cr-Mo-V din clasa ferito-bainito-perlitică sunt supuse unor solicitări mecanice şi termice ridicate (p=140daN/cm2, T=565°C) pe durate care ating peste 20 ani de utilizare.In cadrul centralelor termice apar fluctuatii continue de temperatură şi presiune (±10...20°C şi ±5...10daN/cm2), care provoacă, de exemplu în pereţii conductelor de abur viu, iniţierea fenomenului de fluaj în conditii de temperatură şi prcsiune variabilă. Variatii şi mai importante ale parametrilor de exploatare se înregistrează la pomirea sau oprirea cazanelor. Date fiind condiţiile variabile de exploatare, problema fimdamentală la aceste materiale este stabilirea corelaţiei dintre microstructură, deformarea microscopică şi comportarea microscopică la fluaj.Factorii care asigură o diminuare a vitezei de fluaj:

prezenţa atomilor străini dizolvaţi în grăuntii cristalini, ce se aglomerează în apropierea dislocatiilor modificând astfel procesele de difuzie şi energia defectelor de împachetare;

asigurarea prin prelucrările mecanice şi termice la care este supus produsul respectiv a unei proporţii optime

între constituenţii stmcturali de utilizare: astfel, cantitatea de bainită trebuie să fie de maxim 25%, perlita să fie sub 5%, iar constituentul predommant, ferita, de 70-75%;

blocarea mişcării dislocaţiilor şi a celorialte tipuri de defecte ale reţelei printr-o dispersie cât mai fină a particulelor de faze secundare stabile pe întreaga perioadă de exploatare a agregatului respectiv; în olelurile Cr-Mo-V apar carburi foarte fine de vanadiu, VC, carburi sub formă pătratică şi carburi sub formă de bastonaşe de tipul M7C3.

Prin menţinerea la temperaturi ridicate a acestor oţeluri se produce o degradare a structurii bainito-perlitice, o modificare a morfologiei carburilor şi o dezvoltare bidimensională prin coalescentă a acestora. Particulele de dimensiuni mari cresc pe seama celor mici, gradul de dispersie devine nefavorabil şi se provoacă o diminuare a rezistenţei la fluaj. Forta motrice a mecanismului de coalescenţă este diminuarea energiei libere interfazice ca urmare a transferului de atomi de la un precipitat mic către unul mare.Temperatura fluidului de încâlzire, dar şi a aburului în ţevi diferă după direcţia transversală şi longitudinală. Deci temperatura materialului ţevii de la un supraîncălzitor de abur poate varia cu mai mult de 10°C. Cele mai frecvente cauze ale degradârilor la ţevile supraîncâlzitoare sunt:

coroziunea şi eroziunea (cca. 17%) întrucât se depăşeşte temperatura prescrisă, creşte agresivitatea fluidului, apar turbulenţe în circulaţia gazelor;

defecte de construcţie (cca. 10%), generează tensiuni suplimentare, în general de îndoire în apropierea îmbinărilor şi racordurilor, proiectarea neadecvată a sudurilor;

altele (cca. 3%), datorate defectelor tehnologice ale ţevilor, înlocuirea unor marci de oţeluri cu altele mai slabe.

În tabelul 10.10 se arată câteva exemple de utilizare a mărcilor de oteluri termorezistente.Tabelul 10.10 Exemple de selecţie a oţelurilor slab aliate termorezistente.

Marca de oţel Forma de livrare Temperatura limită în exploatarea de duratâ, °C

Exemple de utilizare

OLT35K OLT45K K410 K460 K510

Ţevi laminate la cald.

Ţevi trase sau laminate la rece

Ţevi pentru schimbâtoare de câldurâ, Oţel rotund laminat la cald. 0(el lat pentru cazane. Table groase.

400 Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 230kW/m2 la presiuni de până la 200bar

16Mo3 430 Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 460KW/m2 la presiune de până la 200bar.

480 Focare de supraîncălzitoare

14MoCrlO 470 Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 460KW/m2 la presiuni de 160-200bar

540 Focare de supraîncălzitoare

10MoCr22 570 Focare de supraîncălzitoare la presiune de peste 500 bar

10.4.2 Oţeluri martensitice rezistente la caldPentru executia pieselor şi ansamblelor turbinelor cu gaz şi instalaţiilor cu vapori se utilizează oţeluri martensitice cu o compoziţie chimică relativ complexă (tabelul 10.11).

Tabelul10.11 Compoziţia chimicâ a unor oţeluri martensitice rezistente la cald.Compo-ziţia chi-nucă, %

Marca de oţel

20VWMoCrl20 20Crl30 30Crl30 35MoCrl65 40Crl30 22NiCrl70

C 0,17...0,25 0,17...0,22 0,25...0,35 0,33...0,43 0,35...0,45 0,15...0,23

Mn 0,30...0,80 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00

Si 0,10...0,50 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00 max. 1,00

Pmax. 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045

Smax. 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030 0,030

Cr 11,0...12,5 12,0...14,0 12,0.,.14,0 15,5...17,5 12,0,..14,0 16,0...18,0

Mo 0,80...1,20 - - 0,90...1,30 - -

Ni 0,30.,.0,80 - - max. 1,00 - 1,5...2,5

Alte ele-mente

V=0,25...0,35 W=0,40...0,60

~ " " " ~

Be sunt aliate cu W, V, Mo, Nb, Ti, care, ridicând temperatura de recristalizare şi formând carburi de tipul M2C, MC şi faze Laves Fe2\V(Fe2Mo), îmbunătăţesc rezistenta la cald. Elementele care măresc cel mai mult rezistenţa la cald sunt W şi V combinate cu Mo. Adaosul de B, Zr, Ce şi N provoacă o creştere suplimentară a rezistenţei la cald. Temperaturile de serviciu ale acestor oteluri pot atinge 600-620°C. Totuşi, cantitatea de elemente de aliere cu caracter alfagen trebuie să fie limitată deoarece în caz contrar structura oţelului poate deveni semiferitică şi astfel rezistenţa la cald va fi afectată.Pentru obţinerea unei rezistenţe optime la cald otelurile cu continut ridicat în Cr se supun unei căliri martensitice volumice de la 1000-1060°C, cu răcire în ulei. Temperaturile ridicate de încâlzire sunt necesare pentru dizolvarea în austenită a carburilor M23C6 şi MC. Dacă temperatura este prea ridicată în microstructură apare o cantitate mare de ferită δ, care diminuează rezistenta. In urma revenirii aceste oţeluri au o microstructură constituită din sorbită şi troostită de revenire.

Pentru execuţia supapelor de evacuare ale motoarelor cu ardere internă se folosesc oţelurilc Cr-Si cu structură martensitică, numite silcromuri. Ca urmare a conţinutului ridicat în elemente de aliere alfagene, ele au punctele critice foarte ridicate şi deci temperaturile de călire şi de revenire sunt cu mult superioare celor utilizate la oţelurile slab aliate cu acelaşi continut în carbon. De altfel, temperaturile de revenire trebuie să fie superioare cu 100-150°C celor de

serviciu care, la supapele de automobile şi tractoare sunt de 500-600°C, iar duritatea obtinută după revenirea înaltă (25-35HRC) trebuie să se păstreze timp îndelungat în funcţionare. Ciclogramele de tratament termic secundar sunt redate în figura 10.13.La încălzire şi răcire în vederea călirii aceste oteluri suferâ o recristalizare de fază completă γ=>α. Temperaturile mari de călire favorizează creşterea pronuntată a granulaţiei. Silcromurile răcite lent în intervalul de temperaturi 450-600°C devin fragile. Această fragilitate poate fi eliminată printr-o încălzire suplimentară repetată până la 750-800°C. 0 încălzire la temperaturi de peste 500-600°C înrăutăţeşte bruscrezistenţa mecanicâ. Din aceste motive în fabricaţia motoarelor Diesel şi a celor de putere mare se folosesc oţelurile austenitice rezistente la cald.

Timpul, t ————

Figura 8.13 Tratamentul termic secundar al oţelurilor silcrom.

10.4.3 Oţeluri înalt aliate cu structură martensito-feritică În această clasă sunt cuprinse oţelurile inoxidabile cu conţinut ridicat în crom (peste 12%Cr). Pentru îmbunătătirea rezistenţei la fluaj, în compoziţia lor chimică mai sunt prezente elemente ca Mo, W, V, care formează carburi stabile. Aceste oţeluri pot fi utilizate timp îndelungat (peste lO.OOOh) la temperaturi de până la 600-650°C. De regulă, se folosesc în construcţia turbinelor cu gaz la fabricarea rotoarelor discurilor şi paletelor. Tratamentul termic aplicat pentru mărirea rezistenţei la cald constă dintr-o călire de la 1000-1050°C urmată de o revenire la 650-720°C. La concentraţii de peste 16%Cr ele sunt sensibile la fragilizare la 475°C.

10.5 Oţeluri austenitice rezistente la cald

Principalele elemente de aliere ale acestor oţeluri sunt Cr, Ni şi Mn, care asigură formarea unei structuri austenitice stabile. Pentru asigurarea unei rezistenţe mari la cald, în compoziţia lor chimică apar şi alte elemente de aliere ca Mo, W, V, Ti, Nb, Al, B, N. Aceste elemente se numesc durificatoare deoarece măresc stabilitatea legăturilor interatomice, ridică temperatura de recristalizare a soluţiei solide şi formează compuşi intennetalici şi carburi stabile. Temperatura maximă de utilizare a oţelurilor austenitice este de 700-750°C. Având în vedere modul de durificare, aceste oţeluri se clasificâ în trei grupe:

soluţii solide cu o cantitate relativ mică de elemente de aliere;

solutii solide durificabile prin carburi; în acest caz fazele durificatoare sunt atât carburile primare (TiC, VC, ZrC, NbC, etc.) cât şi cele secundare izolate în soluţia solidă;

soluţii solide durificabile prin compuşi intermetalici.În aceste oteluri faza durificatoare este de cele mai multe ori compusul de tipul Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Ti,Al), etc.Oţelurile durificabile prin compuşi intermetalici sunt mai rezistente la cald decât otelurile care se durifică prin carburi.Prima grupă de oţeluri se folosesc la execuţia supraîncălzitoarelor cu abur şi a conductelor instalaţiilor de fortă, care lucrează la temperaturi de 600-700°C. Ele se supun tratamentului termic de călire care le asigură o rezistenţă moderată şi bune caracteristici de plasticitate.Pentru obtinerea unei rezistenţe ridicate la cald, oţelurile din ultimele două grupe sunt supuse unui tratament termic care prevede două operatii succesive:1. Călire de la 1050-1200°C cu răcire în apă, ulei sau aer, care urmăreşte dizolvarea carburilor şi a fazelor intermetalice în soluţia solidă (austenită) şi obţinerea după râcire a unei soluţii solide omogene înalt aliată cu duritate minimă.Pentru creşterea rezistenţei la cald a oţelurilor cu o cantitate mare de fază durificatoare, se recurge câte o dată la două căliri. Prima se execută la temperaturâ înaltă (1150-1200°C) (normalizare) şi măreşte granulaţia pentru a se îmbunătăţi şi mai mult rezistenţa la fluaj. A doua călire se face la temperaturi mai scăzute (1000-1100°C) pentru a se asigura o eterogenitate determinată a soluţiei solide.2. Îmbâtrânire la 600-850°C pentru separarea din soluţia solidă a fazelor dispersate care asigură durificarea de o manieră încât să nu declanşeze coalescenţa perceptibilă a fazelor în exces.

Creşterea continutului în elemente de aliere care încetinesc difuzia, face să se ridice temperatura de îmbătrânire. Pentru a asigura precipitarea maximă şi regulată a fazelor de carburi şi de compuşi intermetalici, se aplică uneori o îmbătrânire etajată, de exemplu o dublă îmbâtrânire, mai întâi la o temperatură ridicată, apoi la o temperatură mai scăzută.Compoziţia chimică a oţelurilor austenitice rezistente la cald se prezintă în tabelul 10.12.Inconvenientul numeroaselor oţeluri austenitice (precum şi al oţelurilor feritice) cu conţinut ridicat în Cr este aparitia fenomenului de fragilitate la cald pentru temperaturi de exploatare cuprinse între 500°C şi 800°C. Cauza esenţială a acestui tip de fragilitate este separarea din soluţia solidă a fazei o (compus intermetalic FeCr) care este susceptibilă să dizolve Mo, W, Al, Ni, în cantităţi importante.Precipitarea fazei o este mai intensă într-o structură feritică şi ea creşte cantitativ cu conţinutul în elemente de aliere alfagene (Mo, Ti, Si) din oţel. La concentraţii mari în Mo sau în Mo şi Ti, oţelurile sunt sensibile fragilizării prin faza γ. Această fază este un compus intermetalic complex al fierului cu molibdenul (titanul) având reţea cubică complexă şi precipită tot pe limitele grăunţilor la fel ca faza α.

Tabelul 8.12 Compoziţia chimică a unor oţeluri austenitice rezistente la cald.

Comp. chim., %

Marca de oţel

2NiCrl85 lOTiNiCrlgO 2MoNiCrl75 10TiMoNiCrl75 2NbNiCr250 2CuMoCrNi250

C max. 0,03 max. 0,10 max. 0,03 max. 0,10 max. 0,03 max. 0,02

Mn max. 2,00 inax. 2,00 max. 2,00 max. 2,00 max. 1,00 max. 2,00

Si max. 1,00 max.1,00 max. 1,00 max. 1,00 max. 0,40 max. 1,00

Pmax. 0,045 0,045 0,045 0,045 0,035 0,040

Smax. 0,030 0,030 0,030 0,030 0,025 0,030

Cr 17,0...20,0 17,0...19,0 16,5...18,5 16,5...18,5 23,0...26,0 19,0...22,0

Ni 10,0...12,5 9,0...11,5 12,5...15,0 10,5...13,5 19,0...22,0 24,0...27,0

Mo - - 2,5...3,0 2,0...2,5 - 4,0...4,8

Alte elem. ~ Ti=min.

5x%C

Ti=min.

5x%C

NW),25 Cu=l,0...2,0