В данной книге описаны только высокохромистые жа­ропрочные стали мартенситно-ферритного класса. Поэтому огра­ничимся рассмотрением влияния элементов на жаропрочность именно этих сталей, не касаясь жаропрочных сталей и сплавов аустенитного класса.

Под жаропрочностью понимают способность металла дли­тельное время противостоять внешним механическим напряже­ниям при высоких температурах. С повышением температуры требуемое для пластического течения металла напряжение сни­жается. Тем более это напряжение меньше при длительном воз­действии на металл при высоких температурах. Чем выше тем­пература и напряжение, при которых металл не претерпевает пластическую деформацию в условиях длительного нагружения, тем он более жаропрочен.

При длительном воздействии приложенных напряжений в условиях высоких температур, превышающих допустимые для данного металла, он претерпевает пластическое деформирование (ползучесть) и разрушается. Для предотвращения явления пол­зучести и, следовательно, обеспечения требуемой длительной прочности стали необходимо, чтобы температура рекристаллиза­ции ее была бы выше рабочей, или предел упругости данной стали был бы выше рабочего напряжения при данной рабочей температуре.

Жаропрочность обеспечивается за счет упрочнения твердого раствора стали легирующими элементами, создающими поле на­пряжений вокруг дислокаций, за счет карбидов в металле, явля­ющихся дополнительными препятствиями перемещению дислока­ций, а также стабилизации структуры путем введения в металл карбидообразующих элементов (ванадия или ванадия и ниобия), обладающих более высоким химическим сродством к углероду, чем хром. Благодаря введению сильных карбпдообразующих, предотвращается переход хрома и других упрочняющих элемен­тов (Мо, W) из твердого раствора в карбиды в условиях длитель­ного нагружения при высоких температурах, обеспечивая тем самым стабильность свойств твердого раствора, отсутствие диф­фузионных процессов в металле и, следовательно, сопротивляе­мость его ползучести.

Как указывается многими исследователями, сопротивляемость деформированию и разрушению металла в условиях длительного нагружения при высоких температурах возрастает с увеличе­нием силы межатомной связи, упругих постоянных, сопротивляе­мости электронов перераспределению под нагрузкой. Высоким сопротивлением сдвиговой деформации должен обладать твердый раствор с высоким значением модуля упругости и большими внутренними напряжениями; при этом особенно важное значение имеют внутренние напряжения, связанные с наличием небольших групп растворенных атомов с отличным от атомов основы стали размером, т. е. создающих поля напряжений вокруг дислокаций.

Элементами, повышающими жаропрочность 10—12%-ного хромистого металла, является молибден, вольфрам, ванадий, ниобий и титан. Причем молибден и вольфрам, растворенные в феррите, упрочняют его. Ванадий, ниобий, титан, связывая угле­род в устойчивые карбиды, обеспечивают стабильность твердого раствора. Упрочненный молибденом и вольфрамом высокохро­мистый феррит и карбиды обеспечивают высокое сопротивление ползучести стали.

Установлено, что наиболее высокая жаропрочность 10— 12%-ной хромистой стали при температурах 600—630° С полу­чается при легировании ее 0,6—0,8% Мо, около 4% W, 0,20— 0,30% V и 0,15—0,30% Nb [197]. Твердый раствор имеет высокую стабильность в присутствии одновременно титана и ниобия; один титан оказывает недостаточно стабилизирующее действие. Обна­ружено снижение жаропрочности высокохромистой стали при увеличении содержания ванадия более 0,3%. На основании дан­ных В. А. Ильиной и В. К. Крицкой [65] это явление объяснено уменьшением межатомной связи в феррите при растворении в нем ванадия [197]. Стали, содержащие оптимальное количество упрочняющих и стабилизирующих элементов, наряду с высокой жаропрочностью обладают пониженной вязкостью благодаря по­вышенному количеству ферритной фазы. Л. Я. Либерман и А. В. Боева [131] указывают на отрицательное влияние струк­турно свободного феррита (более 20%) на жаропрочность стали.

Ряд исследователей разработали марки высокохромистых жа­ропрочных сталей ЭИ802, ЭИ756, ЭИ993 и др., которые в послед­ние годы все больше применяются в паротурбостроении.