Прежде всего износостойкость может достигаться высокой твердостью поверхности

Материалы с высокой твердостью поверхности.К ним относятся аустенитные стали с низкой исходной твердостью, но способные из-за интенсивного деформационного упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в условиях эксплуатации (сталь 110Г13Л, содержащая 0,9-1,3% углерода и 11,5-14,5% марганца).

Материалы, устойчивые при абразивном изнашивании. При абразивном изнашивании ведущими являются процессы многократного деформирования поверхности скользящими по ней частицами и микрорезание.

Наибольшей износостойкостью обладают материалы, структура которых состоит из частиц твердой карбидной фазы и удерживающей их высокопрочной матрицы. Карбидные сплавы применяют при наиболее тяжелых условиях работы в виде литых и наплавочных материалов. Это сплавы с высоким содержанием углерода (до 4%) и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). В их структуре может быть до 50% специальных карбидов, увеличение количества которых сопровождается ростом износостойкости.

Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с мартенситной структурой (цементуемые - Ст 10,15,20; 15Х, 20ХР; 12ХН3А, 20ХН3А и шарикоподшипниковые стали – ШХ4, ШХ9, ШХ20СГ).

Для более легких условий изнашивания (для деталей, работающих в условиях граничной смазки) применяют низко- и среднеуглеродистые стали с различными видами поверхностного упрочнения и чугуны.

11.7. Материалы, устойчивые к действию температур и рабочей среды

Жаропрочные материалы

Жаропрочностью называется способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению, когда рабочие температуры деталей превышают 0,3t_пл.

Решающее значение при выборе материала имеют температура, длительность работы под нагрузкой и действующие напряжения.

При длительном нагружении при высоких температурах поведение материала определяется диффузионными процессами. Для этих условий характерны процессы ползучести, релаксации напряжений.

Ползучесть – медленное нарастание пластической деформации под действием напряжений, меньших предела текучести (σ_0,2).

Предел ползучести – напряжение, под действием которого материал деформируется на определенную величину за определенное время при заданной температуре.

В обозначении предела ползучести указывают температуру, деформацию и время, за которое она возникает. Например, σ⁵⁵⁰_1/100000=100 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100000 часов при 550^оС в материале появится пластическая деформация, равная 1%.

Критериями жаропрочности, помимо предела ползучести, является предел длительной прочности и сопротивление релаксации.

Пределом длительной прочности называется напряжение, которое вызывает разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Например, σ⁵⁵⁰₁₀₀₀₀=130 МПа означает, что материал выдержит напряжение 130 МПа при температуре 600^оС 10000 часов.

Ползучесть металлов вызывает релаксацию напряжений в предварительно нагруженных деталях. При высокотемпературных условиях работы постепенно уменьшаются напряжения в болтах и других крепежных деталях, ослабляются натяги и т.п. Деформация нагруженной детали представляет собой сумму упругой и пластической деформаций. В начале эксплуатации пластической деформации нет и напряжение равно

σ₀=Е_tε₀,

где Е_t- модуль упругости при температуре эксплуатации, ε₀ – упругая деформация.

Появление пластической деформации снижает долю упругой деформации до ε₁< ε₀. Соответственно напряжение снижается до величины

σ ₁=Е_tε₁.

Возникающая пластическая деформация равна деформации ползучести под действием монотонно убывающего напряжения.

Критерием сопротивления релаксации является падение напряжения

Δ σ = σ₀ - σ_τ

за время τ при заданной температуре t₀.

Большинство жаропрочных материалов – поликристаллические. Деформация ползучести в таких материалах развивается благодаря перемещению дислокаций в зернах, зернограничному скольжению и диффузионному переносу. Для обеспечения жаропрочности требуется ограничить подвижность дислокаций и замедлить диффузию. Это достигается повышением прочности межатомных связей, созданием препятствий для перемещения дислокаций внутри зерен и на их границах, увеличением размеров зерен.

Прочность межатомных связей увеличивают легированием, изменением типа кристаллической решетки, переходом от металлической связи к более прочной ковалентной.

Твердые растворы легируют более тугоплавкими металлами, чем металл-основа. Так, стали с ОЦК-решеткой легируют молибденом (до 1%), а никелевые сплавы с ГЦК-решеткой – вольфрамом, молибденом, кобальтом (до 15-20% в сумме). Материалы со структурой твердого раствора по жаропрочным свойствам уступают материалам, упрочненным дисперсными частицами.

Выше 1000^оС материалы с ковалентной межатомной связью – графит, керамика на основе карбида кремния (SiC), нитрида кремния (Si₃N₄), или материалов системы Si-Al-O-N (сиалоны) по жаропрочным свойствам уступают лишь ряду тугоплавких сплавов, выгодно отличаясь от них меньшей плотностью и стоимостью.

Подвижность дислокаций существенно снижается в многофазной структуре с мелкими частицами упрочняющих фаз. Материалы с многофазной структурой, получаемой термической обработкой, называются дисперсионно-упрочненными.Дисперсионно-упрочненные материалы получаются при помощи закалки и отпуска, либо – закалки и старения. Для получения оптимальной структуры используют комплексное легирование и по химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных сталей и сплавов.

Упрочненными фазами служат карбиды и карбонитридыв жаропрочных сталях, фазы Лавеса и другие промежуточные фазы в высоколегированнных сталях.

Способы снижения зернограничного скольжения – создание крупнозернистой структуры, образование дисперсных частиц вторых фаз на границах зерен, нейтрализация вредных легкоплавких примесей на границах зерен.

Для упрочнения границ зерен в жаропрочные сплавы и стали вводят малые добавки (0,1-0,01%) легирующих элементов, которые концентрируются на границах. Эти элементы замедляют зернограничное скольжение и нейтрализуют действие вредных примесей (B, Ge и др. редкоземельные металлы).

К дополнительным мерам повышения жаропрочности относят термомеханическую обработку для получения структуры полигонизации, упорядочение твердого раствора металла-основы и создание анизотропной структуры.