Структура и свойства жаростойких материалов

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

В.И. Силаева, А.С. Помельникова, М.В. Унчикова

Структура и свойства  
жаростойких материалов 

Методические указания к выполнению лабораторной работы 

Под редакцией В.И. Силаевой

УДК 669.14.018
ББК 30.3
 
С36

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/46/book1624.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Материаловедение»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия 

Рецензент д-р техн. наук профессор В.М. Неровный

Силаева, В. И.
С36  
Структура и свойства жаростойких материалов : методические 
указания к выполнению лабораторной работы / В. И. Силаева, 
А. С. Помельникова, М. В. Унчикова; под ред. В. И. Силаевой. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2017. — 21, [3] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4648-3

Рассмотрены кинетические закономерности процесса окисления в зависимости 
от защитных свойств оксидной пленки, описаны критерии оценки 
и способы повышения жаростойкости. Особое внимание уделено изучению 
влияния структурного класса жаростойких сталей на механические и технологические 
свойства, область применения. 
Для студентов, обучающихся по специальностям «Проектирование, 
производство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов», 
«Специальные системы жизнеобеспечения».

УДК 669.14.018
ББК 30.3

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4648-3 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017

Предисловие

Жаростойкость, т. е. способность материала сопротивляться химической 
коррозии, является одним из наиболее важных свойств 
материалов, работающих при высоких температурах, которое 
определяет техническую эффективность и экономическую обоснованность 
их применения.
Наиболее распространенным видом химической коррозии считается 
газовая коррозия металлов в кислородсодержащих средах. 
Процесс окисления определяет долговечность арматуры нагревательных 
печей, деталей двигателей внутреннего сгорания, стационарных 
и транспортных газотурбинных установок и т. д.
Цель работы — изучение процесса окисления, структуры и 
свойств жаростойких металлов и сталей.
При выполнении лабораторной работы по дисцип лине «Материа-

ло ведение» студенты изучают особенности окисления железа (Fe) и 
молибдена (Mo) на основании результатов микроструктурных исследований, 
а также расчетным способом по диаграмме Шеффлера 
определяют структурные классы жаростойких сталей в зависимости 
от химического состава.
В ходе работы студенты приобретают навыки самостоятельного 
проведения экспериментов, микроструктурных исследований и 
оценки жаростойкости материалов, а также сравнительных испытаний 
и анализа экспериментальных данных для такой оценки. Кроме 
того, студенты научатся определять структурный класс жаростойких 
сталей расчетным способом и по результатам микроструктурных 
исследований и выбирать жаростойкие материалы, руководствуясь 
требованиями долговечности, механическими и технологическими 
свойствами. 

Краткая характеристика  
жаростойких материалов

Жаростойкостью называют способность материалов сопротивляться 
химической коррозии при высоких температурах в среде  
не электролитов или сухих газов (сухом воздухе, кислороде, углекислом 
газе и др.). Реже химическая коррозия развивается в сернистых 
и сероводородных средах. Наиболее распространенным видом химической 
коррозии является окисление. Поэтому жаростойкими, как 
правило, называют материалы, обладающие способностью сопротивляться 
окислению под действием окружающей среды при повышенных 
температурах. Скорость окисления зависит от нескольких факторов, 
к главным из которых относят скорость реакции образования 
оксида и скорость диффузии ионов металла и кислорода через пленку 
оксида. Скорость образования оксида определяется сродством металла 
к кислороду: чем оно выше, тем быстрее окисляется металл.
Скорость окисления — это характеристика долговечности металла. 
Она определяется по весовому показателю (мг/см2 или 
г/м2) за определенное время (ч) либо оценивается глубиной коррозии (
мкм, мм) за заданное время (ч) — глубинный показатель согласно 
ГОСТ 6130–71. 
При взаимодействии с кислородом поверхность металла покрывается 
пленкой оксидов, от защитных свойств которой в значительной 
мере зависит кинетика окисления и жаростойкость металлов и 
сплавов. В случае образования плотной бездефектной окалины кинетика 
окисления описывается логарифмической или параболической 
закономерностями, и скорость процесса со временем уменьшается. 
При образовании макродефектов в оксидной пленке кислород 
поступает к поверхности металла, и скорость окисления остается 
постоянной во времени. 
В зависимости от жаростойкости металлы подразделяют на пять 
групп: 
1) щелочные и щелочно-земельные металлы, для которых характерна 
линейная кинетика окисления и очень плохая жаростойкость; 

2) молибден (Mo), вольфрам (W), ванадий (V), рений (Re), обладающие 
плохой жаростойкостью ввиду сублимации оксидов; 
3) марганец (Mn), железо (Fe), кобальт (Co), цирконий (Zr), 
медь (Cu), никель (Ni), имеющие удовлетворительную жаростойкость; 

4) цинк (Zn), кремний (Si), бериллий (Be), алюминий (Al), 
хром (Cr), образующие оксиды с хорошими защитными свойствами 
и являющиеся вследствие этого основными легирующими элементами 
жаростойких сплавов; 
5) так называемые благородные металлы: серебро (Ag), палладий (
Pd), иридий (Ir), платина (Pt), золото (Au), имеющие низкое 
сродство к кислороду и отличную жаростойкость. 
Одним из эффективных способов повышения жаростойкости 
металлов является легирование, оказывающее влияние на структурно-
фазовое состояние сплавов и, как следствие, механические и 
технологические свойства.
Высокую жаростойкость имеют металлы: серебро, золото, платина, 
обладающие малым сродством к кислороду. Большинство же 
металлов вступают с кислородом в химическое взаимодействие, 
образуя соединения, называемые оксидами, которые имеют общую 
формулу МехОу. 
Стимулом протекания химической коррозии является термодинамическая 
нестабильность металлов и сплавов при определенной 
температуре, активности газовой среды, парциальном давлении 
окислителя и др. 
Жаростойкость материалов в основном зависит от химического 
состава и защитных свойств оксидной пленки. Защитные свойства 
оксидов определяются факторами, среди которых макро- и микро-
сплошность пленки являются основными.
Макросплошность — способность оксида покрывать поверхность 
металла сплошным слоем, без разрывов и морщин, оценивается 
коэффициентом объема φ, представляющим отношение молярного 
объема образующегося оксида Vокс (МхОу) к объему израсходованного 
металла Vм (M):

 
M
,
M
ρ
ϕ = ρ
x

îêñ
ì

îêñ
ì

где Мокс и ρокс — молярная масса и плотность оксида соответственно; 
Мм и ρм — молярная масса и плотность металла соответственно; 
x — число атомов металла в оксиде. 

При φ < 1 образуется несплошная, проницаемая для кислорода 
оксидная пленка. Например, плохая жаростойкость магния (Mg) 
при значениях температуры выше 450 °С объясняется образованием 
оксида магния (MgO), имеющего критерий φ, равный 0,79.
При φ > 2,5 из-за большой разницы в объемах Vокс и Vм образование 
оксида сопровождается возникновением больших внутренних 
напряжений, вызывающих разрушение и отслаивание пленки, после 
чего металл продолжает окисляться. Такие оксиды образуются 
на молибдене (Mo), вольфраме (W), тантале (Ta). Кроме того, оксиды 
этих элементов — Мо3О и W3О — имеют низкую температуру 
сублимации (сублимация — переход из твердого состояния в газообразное, 
минуя жидкую фазу), испаряются при нагреве, что приводит 
к уменьшению массы при окислении.
Таким образом, при φ < 1 и φ > 2,5 кислород беспрепятственно 
поступает к поверхности металла, скорость окисления определяется 
скоростью химической реакции, не зависит от времени и описывается 
линейной зависимостью.
При φ = 1,0…2,5 оксидные пленки могут обладать хорошими защитными 
свойствами при выполнении условия микросплошно-
сти, характеризующейся минимальной плотностью вакансий. 
Отсутствие вакансий (не заполненных атомами узлов кристаллической 
решетки) уменьшает диффузионную проницаемость пленки и, 
следовательно, скорость процесса окисления.
В этом случае ввиду затруднения перемещения ионов металла и 
кислорода скорость процесса в связи с увеличением толщины окалины 
со временем уменьшается, и рост пленок можно описать логарифмической 
или параболической зависимостью. 
Таким образом, макро- и микросплошность оксидных пленок 
определяют кинетику окисления и жаростойкость материалов. 
Например, оксиды железа вюстит FeO, магнетит Fe3O4 и гематит 
Fe2O3 являются макросплошными: критерий φ составляет соответственно 
1,77, 2,14 и 2,09. Однако для кристаллической решетки оксида 
FeO характерна высокая концентрация вакансий ионов Fe2+, 
что облегчает поступление кислорода через пленку к металлу. При 
значениях температуры нагрева выше 575 °С, когда на поверхности 
преобладает оксид FeO, происходит резкое увеличение скорости 
окисления железа. При ее более низких значениях оксид FeO 
не образуется, поэтому окисление происходит медленно, поскольку 
оксиды Fe3O4 и Fe2O3 обладают и макро-, и микросплошностью.

Для повышения жаростойкости 
стали легируют хромом, алюминием 
и кремнием. Эти элементы по 
сравнению с железом имеют большее 
сродство к кислороду и образуют 
плотные защитные оксидные 
пленки. Наибольшее применение 
для повышения жаростойкости сталей 
имеет хром, так как легирование 
алюминием и кремнием приводит 
к ухудшению технологических 
свойств, в частности при свариваемости и обрабатываемости резанием.

С увеличением содержания хрома 
повышается жаростойкость стали (
рис. 1), поскольку легирование 
хромом уменьшает дефектность оксида железа, а при высоком содержании 
хрома происходит замена оксидов железа плотными 
двойными оксидами типа шпинелей FeO∙Cr2O3 или оксидами хрома 
Cr2O3. Содержание хрома в стали может достигать 30 %, предельно 
допустимая рабочая температура в этом случае составляет 
1100…1200 °С. 
О скорости окисления и толщине оксидной пленки стали можно 
судить по цвету поверхности нагреваемого образца. При толщине 
оксидного слоя 20…40 нм на поверхности нагреваемой стали появляются 
цвета побежалости. По мере увеличения толщины оксидной 
пленки они располагаются в следующем порядке: красный, оранжевый, 
желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Появление 
серого цвета свидетельствует о значительной толщине оксидного 
слоя, измеряемого в микрометрах. 
Окисление металлов происходит по различным кинетическим 
законам, зависящим от условий протекания процесса и свойств образующихся 
оксидов. Температурные зависимости скорости окисления 
металлов устанавливают экспериментально в условиях, имитирующих 
эксплуатационные. По ним оценивают жаростойкость и 
максимальную рабочую температуру, что определяет возможность 
эксплуатации материала при определенных температурно-временны´
х условиях.

Рис. 1. Влияние хрома на жаростойкость 
стали: 
1 — ферритной; 2 — аустенитной 

Для количественного определения жаростойкости применяют 
различные методы, из которых наиболее известны весовой метод 
(по изменению массы образца) и метод непосредственного измерения 
глубины коррозии по ГОСТ 6130–71. Высокой точностью характеризуется 
параметрический метод расчета жаростойкости. 
Характеристики жаростойкости основных классов конструкционных 
материалов, применяемых в энергомашиностроении: глубина 
коррозии, средняя скорость коррозии, предельная допускаемая 
температура эксплуатации в различных коррозионных средах.
Однако высокотемпературные материалы должны не только 
обладать высокой жаростойкостью, но и иметь определенный комплекс 
механических и технологических свойств. Этот комплекс 
свойств зависит от того, какую структуру имеет матрица стали: она 
может быть мартенситной, ферритной (на основе ОЦК-Fe), аустенитной (
на основе ГЦК-Fe) или смешанной. Структурный класс 
таких марок стали зависит от содержания аустенитообразующих 
(NiC, N, Mn, Co) и ферритообразующих (Cr, Mo, W, Al, Si) легирующих 
элементов и может быть определен по структурной диаграмме 
Шеффлера (рис. 2) в зависимости от концентрационных параметров, 
называемых «эквивалент хрома» (ЭCr) и «эквивалент никеля» 
(ЭNi). Эквиваленты ЭCr и ЭNi вычисляют по формулам, в которых 
символы легирующих элементов обозначают их массовые доли в 
стали, а числа — коэффициенты активности

  
ЭCr = Cr + Mo + 1,5Si + 0,5Nb + 5,5Al + 0,5Ti  
(1)

  
ЭNi = Ni + 0,5Mn + 30C + 30N  
(2)

Вместе с тем жаростойкость сравнительно мало зависит от 
структуры, которая в основном определяет механические свойства 
и, соответственно, область применения стали.
Наиболее жаростойка сталь ферритного класса (см. приложе-

ние 1). Для повышения жаростойкости сталь можно дополнительно 
легировать алюминием и кремнием, что, однако, снижает ее технологические 
свойства. Изделия из хромоалюминиевой ферритной стали 
устойчивы при нагреве в атмосфере воздуха, в среде сернистых 
газов, но неустойчивы в средах, содержащих водород, пары воды, 
оксид углерода. Сталь отличается удовлетворительными технологическими 
свойствами, но невысокой прочностью и жаропрочностью. 
После нормализации она имеет однофазную ферритную структу-

ру и не упрочняется при термической обработке. Существенным 
недостатком марок стали ферритного класса является склонность 
к охрупчиванию при технологических нагревах или длительных 
выдержках в интервале температур 450…500, 600…800 °С. Сталь 
используют для изготовления нагревательных элементов, малонагруженных 
деталей печей.
Стали мартенситного класса, легированные совместно хромом 
и кремнием (при 0,5…0,8 % С), называют сильхромами. Это наиболее 
прочные марки жаростойкой стали, так как после закалки они 
приобретают мартенситную структуру, при отпуске упрочняются за 
счет образования карбидов хрома. Основное их назначение — изготовление 
клапанов автомобильных, тракторных и авиационных 
двигателей средней мощности.
Сталь аустенитного класса, легированная никелем, имеет 
лучшую технологичность, но отличается большей стоимостью. 
Преимущества такой стали заключаются в том, что наряду с высокой 
жаростойкостью она имеет и высокую жаропрочность. Аустенитные 
хромоникелевые марки стали, дополнительно легированные кремнием, 
можно использовать при значениях температуры до 1100 °С. 
Такая сталь устойчива в восстановительных средах, но корродирует 
в серосодержащих. Детали из стали аустенитного класса находят широкое 
применение.

Рис. 2. Структурная диаграмма Шеффлера для коррозионно-
стойких сталей:
А — аустенит; М — мартенсит; Ф — феррит

Лабораторное оборудование

Для исследования микроструктуры жаростойких марок стали используют 
компактный инвертируемый металлографический микроскоп 
GX-51 (рис. 3). Он позволяет изучать образцы в светлом поле 
и простом поляризованном свете. Основными частями микроскопа 
являются: окуляр, объек тив, предметный столик, система грубой и 
тонкой настройки.

Рис. 3. Общий вид металлографического микроскопа 
GX-51: 
1 — окуляр; 2 — предметный столик; 3 — комплект объективов; 
4 — управление предметным столиком; 5 — механизм 
фокусирования; 6 — фотокамера 

Ниже приведены основные технические характеристики микроскопа 
GX-51:
Увеличение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50…1000
Мощность источника света (лампы накаливания), Вт  . . . . . . . 30
Диапазон перемещения предметного столика по Х, У, мм . . . . . 120, 78
Максимальная нагрузка на предметный столик, г . . . . . . . . . . До 400
Габаритные размеры, мм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290×557×78
Масса, кг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10