Жаропрочность и жаростойкость (tраб, °C; σдп, МПа) — Жаропрочность — сохранение прочности при высокой температуре под нагрузкой; жаростойкость — стойкость к окалине. Это разные свойства и разные стали.
Суть
При нагреве в стали одновременно происходят два разных процесса. Первый — падение прочности: выше ~350–400 °C углеродистая сталь начинает ползти, то есть медленно деформироваться под постоянной нагрузкой, даже если напряжение ниже предела текучести σт. Второй — газовая коррозия: кислород воздуха или дымовых газов окисляет поверхность, и на ней растёт слой окалины.
Сопротивление первому процессу называют жаропрочностью, второму — жаростойкостью (окалиностойкостью). ГОСТ 5632 разделяет их прямо: жаростойкие стали работают при температурах выше 550 °C в ненагруженном или слабонагруженном состоянии, жаропрочные — под нагрузкой в течение заданного времени, и при этом должны обладать достаточной жаростойкостью. Первое свойство определяется структурой и прочностью связей в решётке, второе — способностью образовывать плотную защитную оксидную плёнку.
Свойства не совпадают. Хромистая сталь с 25 % Cr не окисляется до ~1100 °C, но нагруженную конструкцию при такой температуре не удержит. И наоборот: перлитная сталь 12Х1МФ хорошо работает под давлением пара при 570 °C, но при более высокой температуре быстро окисляется. Поэтому марку выбирают по тому свойству, которое лимитирует конкретный узел.
Как измеряют и от чего зависит
Обычные σт и σв при рабочей температуре для жаропрочности недостаточны, потому что разрушение при ползучести растянуто во времени. Используют две характеристики: предел длительной прочности — напряжение, вызывающее разрушение за заданное время при заданной температуре (испытание по ГОСТ 10145), и предел ползучести — напряжение, при котором деформация за заданное время не превысит допустимой (ГОСТ 3248).
σ60010 000 = 100 МПа — разрушение при 600 °C через 10 000 ч под напряжением 100 МПа; σ1/100 000 — деформация 1 % за 100 000 ч
- Молибден и ванадий повышают жаропрочность: Mo упрочняет твёрдый раствор и замедляет ползучесть, V и Nb дают мелкие карбиды, «пришпиливающие» границы зёрен. Отсюда стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12МХ.
- Хром отвечает за жаростойкость: при содержании выше ~12–13 % на поверхности образуется плотная плёнка Cr₂O₃; чем больше Cr (и Al, Si), тем выше предельная температура окалиностойкости.
- Аустенитная структура (Cr–Ni стали типа 12Х18Н10Т, 20Х23Н18) сочетает оба свойства: ГЦК-решётка медленнее ползёт, а хром защищает от окисления.
- Крупное зерно, в отличие от работы при комнатной температуре, при ползучести полезно — меньше границ, по которым идёт диффузионное скольжение.
- Длительность работы: жаропрочность всегда указывают для конкретного ресурса — 10 000 или 100 000 ч; при большем сроке допускаемое напряжение ниже.
Примерно между 400 и 600 °C работают теплоустойчивые стали (ГОСТ 20072) — переходная группа (20, 15ХМ, 12Х1МФ), для которых жаростойкость ещё не критична, а ползучесть уже учитывают в расчёте.
Ключевые числа
| Граница «высоких температур» по ГОСТ 5632 | выше 550 °C |
|---|---|
| Сталь 20 (ГОСТ 1050), котельные трубы ТУ 14-3Р-55 | длительно до 450 °C |
| 12Х1МФ (Cr–Mo–V, ГОСТ 20072) | длительно до 570 °C |
| 15Х5М (5 % Cr, ГОСТ 20072) | до 600 °C под нагрузкой; окалиностойкость до 650 °C |
| 12Х18Н10Т (аустенитная, ГОСТ 5632) | под нагрузкой до 600 °C; окалиностойкость до 800 °C |
| 20Х23Н18 (жаростойкая, ГОСТ 5632) | окалиностойкость до 1000–1050 °C |
| Содержание Cr и окалиностойкость (ориентир) | ~13 % Cr — до 750 °C; ~25 % Cr — до 1050–1100 °C |
| Методы испытаний | длительная прочность — ГОСТ 10145; ползучесть — ГОСТ 3248 |
Где встречается в трубах
В трубах жаропрочность лимитирует стенку паропроводов, коллекторов и поверхностей нагрева котлов: допускаемое напряжение при 500–600 °C берут не от σт, а от предела длительной прочности на ресурс 100 000 ч. Жаростойкость важнее там, где нагрузки малы, а среда горячая и окислительная — в печных змеевиках, дымоходах, теплообменниках.
- Котельные трубы по ТУ 14-3Р-55 из стали 20 и 12Х1МФ — типовой пример выбора марки по рабочей температуре.
- Бесшовные трубы из легированных сталей по ГОСТ 550-75 (15Х5М, 15Х5) — для нефтепереработки, где нужны и жаропрочность, и стойкость к сероводороду.
- Трубы из 12Х18Н10Т используют как жаростойкие в печах и как жаропрочные при умеренных нагрузках; подробнее — в статье о нержавеющих трубах.
- Как эти свойства работают в энергетике — котельные трубы; роль элементов — хром, никель, молибден; продукт окисления — окалина.
Связанные термины
- Хром, никель, молибденТри главных легирующих элемента: хром даёт коррозионную стойкость, никель — вязкость и аустенит, молибден — жаропрочность и стойкость к хлоридам.
- Легированные сталиСтали с суммой легирующих выше 2,5 %: жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие — для особых условий работы.
- ОкалинаСлой оксидов железа, образующийся при горячей прокатке и нагреве; должен удаляться перед покрытием и сваркой.