Наоборот, специфически жароупорные сплавы некоторых видов не отличаются особой жаропрочностью; таковы, например, спец сплавы для элементов электрического сопротивления.
Жаропрочные сплавы применяются для изготовления частей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей, атомноэнергетических установок и пр.
Важнейшими являются следующие их свойства.
Высокая жаропрочность характеризуется пределом ползучести при высоких температурах, являющимся основной расчётной величиной, определяющей сопротивление деформации, и пределом длительной прочности, определяющей сопротивление разрушению.
Высокая жароупорность характеризуется сопротивлением химическому разрушению материала с поверхности при высоких температуpax; разрушение это (часто интеркристаллитное) ускоряется при наличии растягивающих напряжений.
Высокий предел усталости, иначе выносливость материала, характеризуется сопротивлением переменным нагрузкам. Нередко, в применении к нагнетателю газовой турбины, эта характеристика является важнейшей, поскольку практически невозможно полностью устранить вибрацию отдельных элементов такой конструкции.
Малая чувствительность к надрезу — свойство материала перераспределять напряжения, снижая их «пики» у дна надреза в результате местной пластической деформации. С течением времени материал, работающий при высоких температуpax, становится более хрупким, что во многих случаях сильно повышает его чувствительность к надрезам (к концентрации напряжений).
Высокое сопротивление термической усталости, т. е. действию неизбежно возникающих в отдельных элементах конструкции термических напряжений, которые пропорциональны модулю упругости сплава и его коэффициенту теплового расширения и обратно пропорциональны коэффициенту теплопроводности.
Высокое сопротивление эрозии, т. е. разрушению (истиранию) при динамическом контакте с рабочим телом — газом, паром, воздухом.
Некоторые физические свойства — малый коэффициент теплового расширения и высокая теплопроводность.
Однородность структуры и свойств, т. к. прочность всей конструкции определяется прочностью самой слабой её части, и дефект в одной лопатке турбины может стать причиной аварии сложного сооружения.
Основные требования производства к жаропрочным сплавам таковы:
Температурный уровень жаропрочности сплавов определяют в основном следующие 3 фактора.
Прочность межатомной связи: по этой причине молибден является лучшей основой таких сплавов, чем никель или железо, а железо — лучшей, чем алюминий или магний, прочность межатомного сцепления в том или ином металле можно повысить легированием.
Температура плавления: сплавы, естественно, не могут работать при температуре выше точки своего плавления.
Структура сплава; жаропрочность, как и прочность вообще, в очень большой мере зависит от структуры. Изменением её можно широко регулировать жаропрочность сплава, однако в пределах лишь тех возможностей, какие определяются прочностью межатомной связи.
По своей структуре жаропрочные сплавы должны отличаться:
Большое влияние на жаропрочность сплавов имеет состояние поверхности изготовленных из них изделий (деталей). В частности, наклёп, как следствие механической обработки, влияет на длительную прочность двояко: повышает её при сравнительно низких температуpax и понижает при высоких.
Это связано с ускорением диффузии атомов в результате холодного деформирования, при высоких температуpax, когда фактор диффузии приобретает практическое значение, он может обусловить повышение хрупкости (в особенности по границам зёрен) в результате усиленного старения сплава и понижение сопротивления отрыву.
Интересно, что по той же причине (интенсивное старение) сопротивление жаропрочного сплава пластической деформации и срезу возрастает.
Таким образом, предел длительной прочности не является, функцией сопротивления срезу или пластической деформации, многочисленные опыты убеждают, что он является функцией сопротивления отрыву, которое характеризует хрупкое, а не вязкое разрушение материала.
Упрочняющий эффект наклёпа при длит, испытаниях в области сравнительно низких температуp, где диффузия атомов не имеет существенного значения, связан с повышением сопротивления отрыву вследствие измельчения структуры под влиянием предварительной деформации.
К началу 2-й пол. 20 в. имеется много сплавов, применяемых в качестве жаропрочных. Они строятся на основе алюминия, магния, меди, железа и никеля. Всё большее распространение получают также сплавы на основе титан некоторых тугоплавких металлов (молибдена и др.) и тугоплавких химических соединений (карбидов, боридов и т. п.).
Жароупорные сплавы можно характеризовать как разновидность жаропрочных сплавов, которые не подвергают действию механических нагрузок. В отношении их решающее значение имеет сопротивление химическому воздействию внешней среды всего это воздействие сводится к окислению.
Наличие на поверхности сплава плотных окисных плёнок предохраняет его от окисления при нагреве (помимо плотности, защитные свойства плёнок зависят также от температуры их плавления, теплоты образования, упругости диссоциации, электросопротивления и др.).
Легирование железных сплавов хромом, алюминием и кремнием приводит к образованию таких плёнок поверхности металла. Сплав на никелевой основе, содержащий около 20% Сг (нихром), специально применяется для изготовления элементов электрических нагревателей, работающих при температуре до 1200°. Для работы при более высоких температурах существуют другие специальные сплавы.
