Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочная сталь используется при изготовлении разных деталей, которые контактируют с агрессивными средами, при этом подвергаются значительным нагрузкам, вибрациям и высокому термическому воздействию. К примеру, сюда относятся следующие изделия: турбины, печи, котлы, компрессоры и т.п. Далее представлены характеристики термостойких, жаропрочных сплавов, классификация, марки, особенности их применения.
Жаростойкая сталь (или окалиностойкая) – металлический сплав, используемый в ненагруженном или слабонагруженном состоянии и способный на протяжении длительного времени в условиях высоких температур (более 550 ºС) сопротивляться газовой коррозии. Жаропрочные металлы – изделия, которые под высоким термическим воздействием сохраняют свою структуру, не разрушаются, не поддаются пластической деформации. Важная характеристика таких металлов – условный предел ползучести и длительной прочности. Жаропрочные сплавы могут быть жаростойкими, однако не всегда такими бывают, поэтому в агрессивных средах могут быстро повредиться по причине окисления.
Процесс плавления
При термовоздействии на деталь изменение внутренней структуры происходит за счет накопления энергии молекулами. Скорость их движения возрастает. В критической точке нагрева начинается разрушение кристаллической структуры, межмолекулярные связи уже не могут удержать молекулы в узлах решетки. Взамен колебательным движениям в пределах узла происходит хаотическое движение, образуется ванна расплава в месте нагрева. Точку начала расплавления вещества в лабораторных условиях определяют до сотых долей градуса, причем этот показатель не зависит от внешнего давления на заготовку. В вакууме и под давлением металлические заготовки начинают плавиться при одной и той же температуре, это объясняется процессом накопления внутренней энергии, необходимой для разрушения межмолекулярных связей.
Галлий
Вторым в списке наиболее легкоплавких металлов находится галлий. Он становится жидкостью при температуре выше 29,5 градусов Цельсия, и размягчить его можно просто подержав немного в руках. При нормальных условиях галлий очень хрупкий, легко поддается механическому воздействию и окрашен в светло-серебристый, несколько голубоватый оттенок.
Металл очень рассеян в земной коре и не встречается в виде самородков. В природе его находят в составе различных минералов, таких как гранат, мусковит, турмалин, хлорит, полевой шпат. Кроме того, он содержится в морской воде. Галлий используют в высокочастотной электронике, для изготовления зеркал и различных сплавов.
Прочность металлов
Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.
Существуют следующие группы прочности металлов:
- Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
- Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
- Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.
Таблица прочности металлов
| Металл | Сопротивление, МПа |
|---|---|
| Медь | 200−250 |
| Серебро | 150 |
| Олово | 27 |
| Золото | 120 |
| Свинец | 18 |
| Цинк | 120−140 |
| Магний | 120−200 |
| Железо | 200−300 |
| Алюминий | 120 |
| Титан | 580 |
Наиболее распространенные в быту сплавы
Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.
Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.
Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.
Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.
Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.
Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.
7. Натрий (97,8°C)
Натрий (Natrium, 11-й элемент) может расплавиться даже в кипятке — 97,8°C. Но мы бы не советовали позволить даже маленькому кусочку натрия упасть в воду (хотя бы и ледяную). Щелочной металл натрий очень активен химически и немедленно реагирует, отделяя от молекул воды водород и превращаясь в сильнейшую щелочь.
При этом выделяется много тепла, которое тут же поджигает освободившийся водород. Взрыв и пожар! Такие материалы как натрий хранят в керосине, что исключает их контакт с водой и влагой воздуха.
Как очень активный элемент, натрий в том или ином виде присутствует вокруг нас в огромных количествах. Взять хотя бы хлорид натрия — обычная поваренная соль.
Нержавеющая сталь
Нержавеющая сталь — это один из многих железных сплавов, которые содержатся в стали. Она содержит в себе Хром от 15 до 30%, который делает её ржаво-устойчивой, создавая защитный слой оксида на поверхности, и углерод. Самые популярные марки такой стали зарубежные. Это 300-я и 400-я серии. Они отличаются своей прочностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям и пластичностью. 200-я серия менее качественная, но более дешёвая. Это и является выгодным для производителя фактором. Впервые её состав заметил в 1913 году Гарри Бреарли, который проводил над сталью много разных экспериментов.
На данный момент нержавейку разделяют на три группы:
- Жаропрочная — при высоких температурах имеет высокую механическую прочность и устойчивость. Детали, которые из неё изготавливаются применяют в сферах фармацевтики, ракетной отрасли, текстильной промышленности.
- Ржаво-стойкая — имеет большую стойкость к процессам ржавления. Её используют в бытовых и медицинских приборах, а также в машиностроении для изготовления деталей.
- Жаростойкая — является устойчивой при коррозии в высоких температурах, подходит для использования на химических заводах.
Температура плавления нержавеющей стали колеблется в зависимости от её марки и количества сплавов приблизительно от 1300 °C до 1400 °C.
Общее описание процесса 
Чтобы понять, при какой температуре плавится сталь, нужно рассмотреть этот процесс более детально. Расплавление происходит при нагревании. Нагревать материал можно как снаружи, так и изнутри. Внешний нагрев осуществляется в термических печах. Для того чтобы расплавить сплав изнутри, используется резистивный нагрев. Принцип резистивного нагрева заключается в электросопротивлении, которым обладают любые материалы.
Вне зависимости от типа термического воздействия, в материалах происходят одинаковые изменения. За счет нагревания тепловые колебания молекул усиливаются, что приводит к структурным дефектам решетки. Такие изменения способствуют разрыву межатомных связей, в результате чего сплав переходит в жидкое состояние.
На практике многие сталкиваются с плавлением при пайке деталей. Если поверхности соединяемых материалов очищены от загрязнений и окислов, то их нетрудно спаять припоями. Принято делить припои на твердые и мягкие. Мягкие получили наибольшее распространение:
- ПОС-15 — 278…282 °C;
- ПОС-25 — 258…262 °C;
- ПОС-33 — 245…249 °C;
- ПОС-40 — 236…241 °C;
- ПОС-61 — 181…185 °C;
- ПОС-90 — 217…222 °C.
Их выпускают для предприятий, изготавливающих разные радиотехнические приборы.
Твердые припои на основе цинка, меди, серебра и висмута имеют более высокую температуру плавления:
- ПСр-10 — 825…835 °С;
- ПСр-12 — 780…790 °С;
- ПСр-25 — 760…770 °С;
- ПСр-45 — 715…721 °С;
- ПСр-65 — 738…743 °С;
- ПСр-70 — 778…783 °С;
- ПМЦ-36 — 823…828 °С;
- ПМЦ-42 — 830…837 °С;
- ПМЦ-51 — 867…884 °С.
Использование твердых припоев позволяет получать прочные соединения.
Внимание! Ср означает, что в составе припоя использовано серебро. Такие сплавы обладают минимальным электрическим сопротивлением.
Прочность металлов
Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.
Существуют следующие группы прочности металлов:
- Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
- Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
- Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.
Таблица прочности металлов
| Металл | Сопротивление, МПа |
|---|---|
| Медь | 200−250 |
| Серебро | 150 |
| Олово | 27 |
| Золото | 120 |
| Свинец | 18 |
| Цинк | 120−140 |
| Магний | 120−200 |
| Железо | 200−300 |
| Алюминий | 120 |
| Титан | 580 |
Наиболее распространенные в быту сплавы
Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.
Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.
Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.
Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.
Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.
Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.
