Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

3. ХЛАДОСТОЙКИЕ СТАЛИ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА

Стали являются основным конструкционным материалом для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих при низких температурах.

Выбор хладостойкой стали оптимального состава – это всегда поиск компромисса между высокой прочностью и необходимой вязкостью и пластичностью.

С понижением температуры прочностные характеристики стали растут, а вязкость и пластичность уменьшаются. Поэтому при выборе стали для работы в этих условиях определяющими показателями являются: прочность – при максимальной температуре эксплуатации (обычно комнатной); вязкость и пластичность – при минимальной температуре.

Механические свойства и работоспособность сталей, применяемых для хладостойких конструкций, а также в холодильном

икриогенном машиностроении, зависят от многих факторов. Прежде всего к ним относятся тип кристаллической решетки, размер зерна и состояние его границ, содержание легирующих элементов

ипримесей, форма и размеры неметаллических включений. Повышенное содержание водорода увеличивает хрупкость стали. Сварка способствует росту зерна и дополнительному насыщению водородом, что еще больше повышает хладноломкость сварных соединений. Кроме того, нагрев при сварке может способствовать фазовым превращениям и выделениям примесей по границам зерен, что также повышает хрупкость стали.

Вязкость стали при низких температурах зависит от технологии выплавки. При использовании вакуумирования, обработки жидкими шлаками, электрошлакового переплава вязкость растет. Это связано с уменьшением количества неметаллических включений, понижением концентрации вредных примесей и газов. Рациональная организация раскисления и введение малых добавок ниобия, ванадия и титана способствуют измельчению зерна, повышению прочности и вязкости стали.

При выборе хладостойких сталей необходимо учитывать как специфические условия службы конструкции, обеспечение ее работоспособности и ресурса, так и требования экономичности мате-

116

риалов, связанные с уменьшением содержания никеля, молибдена и других дорогостоящих легирующих элементов, а также необходимость унификации материалов и сокращения числа применяемых марок стали. Определенную сложность представляет выбор необходимого уровня пластичности и вязкости.

Нормы по проектированию указывают рекомендуемый температурный диапазон применения каждого вида материала, используемого для хладостойких конструкций, сосудов давления, трубопроводов и другого холодильного и криогенного оборудования. Минимальная рабочая температура определяется температурой вязкохрупкого перехода, при которой вязкость резко падает. Однако справочная литература содержит мало систематизированных данных о пригодности того или иного материала для работы при низких температурах. Это объясняется сложностью количественной интерпретации влияния различных конструкторско-технологиче- ских факторов (размеров деталей, уровня остаточных напряжений, условий нагружения, вида напряженного состояния и др.) на надежность машин и конструкций, эксплуатируемых при низких температурах.

Пластичность и вязкость в конструкторские расчеты не входят и являются качественными показателями. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации и перераспределять напряжения в зонах их концентрации,

авязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении. В обычном машиностроении условно принято считать пластичность удовлетворительной, если δ ≥ 15 %. Вместе с тем, хотя при 20–77 К аустенитные хромоникелевые стали имеют δ ≥ 40 %,

ааустенитные дисперсионно-твердеющие – всего лишь δ ≥ 10 %, стали обоих типов достаточно надежны при эксплуатации.

Широко принятым критерием работоспособности является ударная вязкость надрезанных образцов. В разных странах принят различный приемлемый уровень вязкости. За рубежом сталь обычно допускается к эксплуатации, если ее ударная вязкость, определенная

на образцах 10 х 10 х 55 с надрезом радиусом 0,25 мм (образец Шарпи или типа 11 по ГОСТ 9454–78), составляет KCV ≥ 20 Дж/см2.

В наших условиях чаще применяют образец с надрезом радиусом 1 мм, но устанавливают допустимое значение KCU ≥ 30 Дж/см2.

117

3.1. Хладостойкость

Легирующие элементы оказывают влияние на размеры зерен, состояние их границ, количество, форму и распределение фаз в стали.

Механические свойства и хладноломкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

1)измельчением зерна;

2)упрочнением феррита атомами легирующих элементов

ипримесей, образующими твердые растворы внедрения и замещения;

3)упрочнением выделениями частиц второй фазы различной степени дисперсности.

Известно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта. Высокая прочность мартенсита закалки сопровождается снижением пластичности и вязкости и необходимостью проведения отпуска. При отпуске образуются карбиды, мартенсит обедняется углеродом и снижается действие твердорастворного механизма упрочнения. Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа более тверды и хрупки, чем матрица. Поэтому на поверхности раздела создается объемно-напряженное состояние, которое может приводить к образованию микротрещин.

Углерод резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя повышению хладноломкости. Принято считать, что увеличение в стали содержания углерода на каждые 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 К.

Снижение содержания углерода предотвращает образование при сварке в зоне термического влияния хрупких закалочных мартенситных структур. В свариваемых хладостойких сталях содержание углерода должно быть ниже 0,2 %, а в структуре должно быть мало перлита (малоперлитные стали).

Исследования показывают, что феррит высокой чистоты, содержащий не более 10–6 % углерода и азота, менее 10–3 % кислорода, обладает высокой ударной вязкостью (стандартные образцы Шарпи изгибаются без разрушения при температуре –60 °С) и очень низкой прочностью – предел текучести составлял всего 33 МПа. Принято считать, что упрочнение твердых растворов создается за счет искажения решетки растворителя атомами растворяющегося элемента,

118

в результате чего увеличивается напряжение трения решетки, препятствующее движению дислокаций. Наличие в стали углерода, эффективного упрочнителя, образующего с ферритом твердые растворы внедрения, приводит к снижению подвижности дислокаций и, как следствие, к повышению прочности стали и увеличению ее склонности к хрупкому разрушению.

На рис. 3.1 показано изменение механических свойств и показателя Т50 нелегированной литейной стали после нормализации при 930–950 °С в течение 2 ч в зависимости от содержания углерода.

Рис. 3.1. Зависимость механических свойств и Т50 от содержания углерода в сталях

Из приведенных данных следует, что низкоуглеродистые стали могут обеспечить достаточно высокие характеристики прочности, пластичности и ударной вязкости. Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования и практические результаты, эти стали не гарантируют эксплуатационной надежности деталей при низких климатических температурах. Дело в том, что низкоуглеродистые литые стали обладают низкой трещиностойкостью.

Анализ промышленных плавок стали 20Л, предназначенных для изготовления одного из ответственных узлов трактора «Кировец» – несущей сварно-литой рамы, показал, что основной запас ударной вязкости стали с понижением температуры зависит от работы зарождения трещины, а работа ее развития, которая в основном и характеризует хладостойкость стали, очень низкая (рис. 3.2).

119

Это означает, что при низкой температуре образовавшаяся трещина может привести к ускоренному разрушению отливки. Данный факт подтверждается результатами исследования 186 случаев выхода из строя рам тракторов К-700 и К-701, показавшими, что основное количество хрупких разрушений литых деталей рамы произошло в зимнее время.

Рис. 3.2. Сериальные кривые ударной вязкости KCU и KCT

играфическое определение работ зарождения KCз

иразвития KCр трещины стали 20Л

Аналогичные результаты получены и в других работах. Так, М.П. Брауном при исследовании стали с содержанием 0,2 % С было установлено, что, хотя общая ударная вязкость при –40 °С сохраняется на неплохом уровне, работа развития трещины низкая и составляет около 4 % от работы зарождения.

Отечественная и зарубежная практика показывает, что критическим значением работы развития трещины, определяющим работоспособность стали с ферритно-перлитной структурой и сопротивляемость ее хрупкому разрушению при температуре эксплуатации, следует считать 12 Дж/см2.

Величина работы развития трещины стали с ферритно-пер- литной структурой в вязком состоянии определяется, с одной стороны, количеством, формой и дисперсностью хрупкой цементитной составляющей, а с другой – способностью более вязкого феррита сопротивляться развитию трещины. Повысить работоспособность феррита можно путем измельчения зерна, создания твердых растворов внедрения и замещения, а также выделения частиц второй фазы.

120