2010-2011
FLUAJUL SI RELAXAREA TENSIUNILOR IN METALE Oţeluri utilizate in condiţii de fluaj Oţeluri ferito-perlitice Oţeluri martensitice Oţeluri austenitice
DAMIAN RADU UNIVERSITATEA “GH. ASACHI”, FACULTATEA DE MECANICĂ, IAŞI 2010-2011
Oţeluri ferito-perlitice utilizate in conditii de fluaj Oţelurile ferito-perlitice 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 1 şi tabelul 1). 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 a carburilor 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 1 se arată câteva exemple de utilizare a mărcilor de oteluri termorezistente.
Tabelul 1. Exemple de selecţie a oţelurilor slab aliate termorezistente Marca de Forma de livrare oţel
Temperatura Exemple de utilizare limită în exploatarea de durată, °C
Ţevi laminate la 400 cald. Ţevi trase sau laminate la rece Ţevi pentru schimbâtoare de 430 16Mo3 câldurâ, Oţel rotund laminat la cald. 0(el lat pentru cazane. 480 Table groase. 14MoCrlO 470
Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 230kW/m2 la presiuni de până la 200bar
540
Focare de supraîncălzitoare
570
Focare de supraîncălzitoare la presiune de peste 500 bar
OLT35K OLT45K K410 K460 K510
10MoCr22
Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 460KW/m2 la presiune de până la 200bar. Focare de supraîncălzitoare Ecrane ale cazanelor de abur cu flux termic de max. 460KW/m2 la presiuni de 160-200bar
Fig.1. Variaţia limitei de fluaj cu temperatura pentru o deformaţie de 1 % şi o durată de 100.000 h
Oţeluri martensitice utilizate in conditii de fluaj
Pentru executia pieselor şi ansamblelor turbinelor cu gaz şi instalaţiilor cu vapori se utilizează oţeluri martensitice cu o compoziţie chimică relativ complexă (Tabelul 2). Tabelul 2. Compoziţia chimicâ a unor oţeluri martensitice rezistente la cald.
Compo- Marca de oţel 20VWMoCrl20 20Crl30 30Crl30 35MoCrl65 40Crl30 22NiCrl70 ziţia C Mn Si Pmax. Smax. Cr Mo Ni Alte ele-
0,17...0,25 0,30...0,80 0,10...0,50 0,045 0,030 11,0...12,5 0,80...1,20 0,30.,.0,80 V=0,25...0,35
mente
W=0,40...0,60
0,17...0,22 max. 1,00 max. 1,00 0,045 0,030 12,0...14,0 ~
0,25...0,35 max. 1,00 max. 1,00 0,045 0,030 12,0.,.14,0 "
0,33...0,43 max. 1,00 max. 1,00 0,045 0,030 15,5...17,5 0,90...1,30 max. 1,00 "
0,35...0,45 max. 1,00 max. 1,00 0,045 0,030 12,0,..14,0 "
0,15...0,23 max. 1,00 max. 1,00 0,045 0,030 16,0...18,0 1,5...2,5 ~
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 2. 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 brusc rezistenţa mecanicâ. Din aceste motive în fabricaţia motoarelor Diesel şi a celor de putere mare se folosesc oţelurile austenitice rezistente la cald.
Timpul, t ————
Fig.2. Tratamentul termic secundar al oţelurilor silcrom
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.
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, Ni3 Al, 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: - 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.
- 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 3.
Tabelul 3. Compoziţia chimică a unor oţeluri austenitice rezistente la cald
Comp. chim., C
Marca de oţel 2NiCrl8 lOTiNiCr 2MoNiCr 10TiMoNi 2NbNiCr 2CuMoCr max.
max.
max.
max. 0,10 max. 0,03 max. 0,02
Mn
max.
inax.
max.
max. 2,00 max. 1,00 max. 2,00
Si Pmax. Smax.
max. 0,045 0,030
max.1,00 0,045 0,030
max. 0,045 0,030
max. 1,00 max. 0,40 max. 1,00 0,045 0,035 0,040 0,030 0,025 0,030
Cr
17,0...20 17,0...19, 16,5...18, 16,5...18,5 23,0...26, 19,0...22,0
Ni Mo
10,0...12 9,0...11,5 12,5...15, 10,5...13,5 19,0...22, 24,0...27,0 2,5...3,0 2,0...2,5 4,0...4,8
Alte elem.
~
Ti=m
Ti=mi
in.
n.
NW),25 Cu=l,0...2 ,0
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.
