Univerzitet u Novom Sadu Tehniki fakultet Mihajlo Pupin Zrenjanin

- seminarski rad Materijali i tehnologija obrade

Profesor: Prof. Dr. Slobodan Stojadinovi

Student: Boro Zoltan 23/09-13

Profesor tehnike i informatike Zrenjanin, 2011 Mart Izbor i primena inenjerskih materijala za rad u specifinim eksploatacionim uslovima

Savremeno mainsko inenjerstvo za izradu procesne opreme, konstrukcija i raznih drugih maina i alata, koristi materijale razliitog porekla, sastava i strukture, odnosno razliitih svojstava. Sa razvojem energetike i tehnike, rastu i potrebe za sve kvalitetnijim i otpornijim materijalima. Naime, savremena tehnika se moe definisati kao tehnika visokih potencijala, tj. visokih i vrlo visokih: brzina, pritisaka i temperatura.

Kada su u pitanju materijali za savremene konstrukcije, brzine i pritisci navedene vrste su usko povezani sa strukturom, odnosno mehanikim svojstvima materijala, a temperature su tesno korelirane sa osobinama materijala, kao to su: vatrostalnost, vatrootpornost i refraktornost. Izbor materijala se vri na osnovu zahteva projekta, odnosno, obezbeivanja potrebnih svojstava materijala, koja se trae, za date uslove.

Tako npr., pri radu na povienim temperaturama, zbog mogue pojave puzanja i vremenski zavisnih promena strukture, mora se uzeti u obzir i radni vek konstrukcije ili sistema, koji se sve vie smanjuje, ukoliko su radne temperature vie. Zato se od ovakvih materijala, uz dovoljnu nosivost na povienim temperaturama, postavljaju i zahtevi za dobrom hemijskom postojanou na povienim temperaturama, jer i ovo svojstvo materijala, odnosno legura moe imati veliki uticaj na radni vek elementa, odnosno sistema, ili konstrukcije. Takoe je zapaeno da se materijali koji se koriste za izradu delova i elemenata maina, ureaja i sistema, koji rade u ovim specifinim uslovima ponaanju, u veim sluajeva, drugaije, nego na 20 C, ili ak na temperaturama do 300 C. Na osnovu navedenog moe se konstatovati da radi pravilnog: izbora, obrade i eksploatacije odgovarajueg konstrukcionog materijala inenjeri projektanti treba dobro da poznaju unutranju strukturu i svojstva materijala, jer se time, takoe, utie na radni vek i sigumost konstrukcije, odnosno sistema.

2

1.1. Vatrostalni materijaliVatrostalni materijali su oni koji imaju dobru vrstou na temperaturama veim od 450 C, pri delovanju visokih pritiska i naprezanja (napona), u toku odreenjog (dueg) vremenskog perioda. Vatrostalnost se odreuje na osnovu dugotrajnih ispitivanja na istezanje (ree na uvijanje, ili savijanje). Veliine koje karakteriu vatrostalnost su: -granica puzanja (Rpu) -vremenska vrstoa (Rv) Granica puzanja (Rpu) koja predstavlja naprezanje, koja izaziva izvesnu brzinu deformacije na datoj temperaturi. Vremenska vrstoa (Rv) predstavlja naprezanje, koje izaziva razaranje materijala na datoj temperaturi, za dati period vremena. Vatrostalnost u velikoj meri zavisi od temperature topljenja osnovnog metala, odnosno glavnog legirajueg elementa legure. Najbolju vatrostalnost imaju legure molibdena, koji ima visoku temperaturu topljenja, a najloiju vatrostalnost legure aluminijuma, to je vezano za njegovu relativno nisku temperaturu topljenja. Osnovni problem vatrostalnih elika i legura je nestabilnost strukture na radnim temperaturama, koja direktno utie na granicu puzanja i trajnu vrstou. Promena strukture ne utie samo na nosivost, ve i na ilavost i prelom materijala, posle njegovog dugotrajnog rada. Mehanika svojstva raznih legura, definisana na datoj temperaturi, ne mora da budu u istom odnosu i pri drugim temperaturama. Zato konstruktor, koji bira vrstu materijala, mora da zna da data legura ima optimalna svojstva vrstoe u optimalnom intervalu temperature. Postoje i tri velike grupe metalnih meteijala: -vatrostalni elici -kobaltne i niklove legure -tekotopljivi metali

1.1.1. Vatrostalni ilici 3

U zavisnosti od koliinskog sadraja, elemenata za legiranje, vatrostalni elici mogu da se podele: -nisko ; -srednje; i -visokolegirane. Sa druge strane, po strukturi, dobijene posle hlaenja na vazduhu, razlikuju se vatrostalni elici: pertlitne, martenzitne, martenzitno feritne, feritne, austenitno martenzitne i austenitne klase. Niskolegirani elici spadaju, po pravilu u perlitnu klasu, srednjelegiranju: perlitnu, austenitnu i martenzitno-feritnu klasu, a visokolegirani: sa izuzetkom perlitne, mogu da pripadaju svim navedenim klasama. Perlitni vatrostalni elici se, u glavnom, koristi za: konstrukciju kotlova, parovoda, pregrejaa pare i drugih detalja koji su izloeni dugotrajnom delovanju naprezanja, na umereno visokim temperaturama. Zajedniko za sve klase perlitnih elika je to to njihovu osnovu ini: vrsti rastvor, a sekundarnu fazu ine razliite vrste karbida. Kod elika perlitne klase, dodavanje male koliine Mo, povisuje temperaturu rekristalizacije ferita, a time poveava i vatrostalnost. Slino deluje i hrom. elici perlitne klase su relativno nisko legirani i sadre 0,5 ili 1% Cr i 0,3 ili 0,5% Mo. Mali dodatak vanadijuma usitnjava zrno, a takoe povisuje vatrostalnost. Posle hlaenja komada na vazduhu dobija se perlitna struktura, a posle kaljenja u ulju martenzitno-beinitna struktura. Austenitni vatrostalni eili primenjuju se za delove motora, lopatice gasnih turbina i drugih vruih detalja reaktivnih motora, odnosno primenjuju se za rad na temperaturama 500-700C. Svi austenitni vatrostalni elici sadre vei procenat Cr i Ni od 7-27% svakog elementa, a takoe i dodatak drugih elemenata, kao to su volfram, molibden, titan, niobijum i dr. Dobre osobine austenita: - visoka vatrostalnost - visoka postajanost prema oksidaciji - velika plastinost - dobar zavarljivost - veliki koeficijent linearnog irenja Prema perlitnim i martenzinim elicima imaju niu sposobnost obrade deformisanjem i rezanjem. Hrom i Nikl su osnovne legurajue komponente ovih elika. Hrom odreuje postojanost prema oksidaciji, a nikl- postojanost austenita. Nedostatak nikla moe da izazove pogoranje vatrostalnosti.

1.2. Vatrootporni materijali4

Vatrootpornost se odnosi na legure, koje su primarno postojane prema koroziji, koje su predviene za rad u uslovima nevelikih optereenja, tj. kada otpornost na puzanje nije bitna. Sa razvojem energetike i tehnike uopte kroz istoriju, rasle su i potrebe za kvalitetnijim i otpornijim materijalima. Uslovi rada delova toplotih postrojenja danas su mnogo tei nego recimo pre 90 godina. Shodno tome, potrebno je proizvesti tako dobre materijale, koji e u potpunosti zadovoljiti zahtevane uslove rada, koji, iz dana u dan, postaje sve rigorozniji. Naime, eksplotacione temperature i pritisci rastu, a radne sredine postaju koroziono sve agresivnije. Na osnovu reenog, moe se zakljuiti da se posebna panja poklanja projektovanju i dobijanju vatrootpornih elika i drugih specijalnih legura, predvienih na rad u korozionim uslovima i na visokim temperaturama. 1.2.1. Vatrootporni elici Ugljenini elici nisu pogodni za rad na visokim temperaturama, poto njihova povrina intenzivno oksidie i razara se ve na temperaturama oko 300 C. Njihovo razaranje je posebno intenzivno, ako radne sredine sadre azot, ili jedinjenja sumpora. to je vei sadraj Cr, Al, ili Si u eliku, to je vea postojanost elika prema oksidaciji, to znai da njegova radna temperatura moe biti vea. Minimalni sadraj Cr, koji obezbeuje postojanost prema oksidaciji na razliitim temperaturama, iznosi oko 12,5%. Na temperaturu do 900C, radi dobijanja legure postojane prema oksidaciji, sadraj Cr ne sme da bude ispod 11,5%, a pri radnoj temperaturi od 1100C, sadraj hroma treba da bude 20-25%. Ovi elici sadre i 20-25% Ni, u cilju popravljanja mehanikih svojstava i otpornosti na oksidaciju. Temperatura do koje se mogu koristiti vatrootporni elici zavisi od sadraja legirajuih elemenata i od radne atmosfere. Postojanost prema oksidaciji legure bitno zavisi od njenog sastava, a ne zavisi od njene strukture, tj. postojanost prema oksidaciji nije osetljiva na promenu strukture.

5

1.3. Nerajui eliciNerajui elici imaju izuzetnu korozionu otpornost, kako prema delovanju okolne atmosfere, tako i prema dejstvu raznih agresivnih fluida. Da bi elik bio nerajui, mora imati najmanje 12% Cr. Naime, hrom obrazuje oksidnu prevlaku, koja titi osnovu legure od dalje korozije. Pored hroma ovi elici sadre i druge elemente, kao to su: Ni, Mo, Nb, Ti, Sb, Mn. U osnovu postoji 4 vrsta nerajuih elika: - feritni - martenzitni - austenitni - talono ojaani 1.3.1. Hromni nerajui elici feritne i martenzitne klase Primenjuju se ti tipa hromnik nerajuih elika, koji sadre (12-28% Cr): elici sa 12% (Cr) hroma, u zavisosti od namene, sadre od 0,1-0,4% ugljenika elici sa 17-18% Cr i elici sa 20-25% Cr sadre ponekad male koliine titana i nikla. Titan i nikl se dodaju radi usitnjivanja zrna, pri emu nikl poboljava i mehanika svojstva. elici sa 17% Cr poseduju visoku korozionu postojanost, pri emu se mogu koristiti i u azotnoj kiselini do temperature od 900 C. elici sa 25-28% Cr se primenjuju za delove pei, koji su izloeni visokim temperaturama (1050-1150 C). Hromni nerajui elici, u zavisnosti od sastava, mogu imati feritnu ili mertenzitnu strukturu. Feritni nerajui elici su u sutini dvojne legure eljezo-hrom, koje sadre oko 12-28% Cr i manje od 0,12% C. Oni su magnetini i relativno su jeftini, poto ne sadre nikl. Koristi se kao konstrukcioni materijali opte namene, od kojih se zahteva posebna otpornost prema koroziji i zagrevanju. Martenzitni nerajui elici su u sutini Fe-Cr legure, koje sadre 12-17% Cr, sa dovoljnim sadrajem ugljenika (0,5-1%), tako da se moe postii martenzitna struktura kaljenjem iz austenitnog faznog podruja. Termika obrada ovih elika, radi poveanja vrstoe i ilavost, je u sutini ista, kao ona za ugljenine i niskolegirane elike. Ovi elici imaju visoku: vrstou, tvrdou i otpornost na zamor, kao i dobru plastinost. 1.3.2. Hrom-niklovi nerajui elici austenitne klase 6

Dodavanjem dovoljne koliine nikla eliku, koji sadri 17% hroma, dobija se elik sa austenitnom strukturom na svim temperaturama, to obezbeuje bolja mehanika svojstva, manju sklonost ka rastu zrna i bolju korozionu postojanost. Austenitni nerajui elici su u sutini trojne legure eljezo-hrom-nikl, koje se sastoje od oko 16-25% Cr i 7-20% Ni. Ove legure se nazivaju austenitne, budui da njihova struktura ostaje austenitna na svim uobiajenim temperaturama termike obrade. Industrijski hrom-niklovi elici nisu iste Fe-Cr-Ni legure, ve sadre primese. Ove primese se rastvaraju u osnovnim fazama i obrazuju nove faze i mogu bitno izmeniti svojstva elika. Elementi, koji stabiliziraju austenit, tj. koji deluju slino Ni su: ugljenik, azot i mangan. Elementi koji stabiliziraju ferit, tj koji deluju slino Cr su : molibden, volfram, titan, nuobiju, silicijum. Slino hromnim, i hrom-niklovi elici se mogu podeliti na tri klase: austenitni elici sa postojanim austenitom; austenitno-martenzitni elici, ili tzv. prelazne klase. U ovim elicima se, pri hlaenju na vazduhu, obino obrazuje manja koliina martenzita; austenitno-feritni elici imaju strukturu + , pri emu austenit kod ovih elika moe biti postojan i nepostojan.

7

1.4. Super legureSuper legure imaju izvrsnu kombinaciju svojstava pri radu u izuzetno tekim uslovima. Najvie se koriste za izradu avionskih turbina, kotlova i drugih elemenata, koji su za vreme rada kontinualno izloeni intenzivnoj oksidaciji i visokim temperaturama, kada materijal treba da ima veliki otpor prema puzanju. Super legure se dele prema dominantnom metalu u leguri, koji moe biti: nikl, kobalt, eljezo. Super legure spadaju u grupu materijala, koji su posebno otporni na puzanje. Faktori koji utiu na poveanje otpora materijala prema puzanju su: visoka temperatura topljenja, veliki modul elastinosti i veliko zrno. Otpor na puzanje super legura se poveava legiranjem vrstog rastvora, kao i formiranjem disperznih estica, koje su nerastvorive u osnovi. Treba napomenuti da se super legure pored primene za izradu turbina koriste i za izradu nuklearnih reaktora i petrohemijske opreme.

1.4.1. Super legure na osnovi nikla Dobijen je niz super legura na bazi nikla, u prvom redu za delove gasnih turbina, koje moraju biti sposobne da izdre visoke temperature i visoke oksidativne uslove i da budu otporne na puzanje. Veina super legura na bazi nikla za obradu plastinim deformisanjem sastoji se od oko 50 do 60% nikla, 15 do 20% hroma, i 15 do 20% kobalta. Male koliine aluminijuma (1 do 4%) i titana (2 do 4%) se dodaju radi talonog ojaanja. Na visokim radnim temperaturama, austenit obezbeuje plastinost, intermetalidi obezbeuju dobar otpor na puzanje i vrstou, a karbidi potpomau stabilizaciju granice zrna legure.

8