Материал: А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

кирующего движение дислокаций и повышающего предел текучести, с понижением температуры возрастает. Повышая стабильность аустенита, азот препятствует образованию δ-феррита при высоких температурах.

Введение азота в хромоникельмарганцевые стали позволяет более чем в 1,5 раза поднять уровень предела текучести при комнатной температуре. С понижением температуры эффективность влияния азота как элемента внедрения, блокирующего движение дислокаций, на уровень предела текучести еще более возрастает. Хром, никель и марганец как элементы замещения оказывают меньшее влияние на прочностные свойства, их роль определяется необходимостью обеспечения заданной аустенитной структуры.

К недостаткам азота как легирующего элемента относятся его склонность к ликвации при кристаллизации стального слитка и некоторое осложнение процессов сварки. Присутствие азота в стали требует определенного ограничения погонной энергии во избежание выпадения карбонитридов по границам зерен, что может приводить к снижению пластичности и вязкости сварного шва

иповышению чувствительности к концентраторам напряжений.

Всвариваемых сталях, содержащих азот, необходимо более строго ограничивать концентрацию углерода. Содержание углерода должно приближаться к пределу его растворимости в аустените, составляя не более 0,03–0,04 %. Однако низкая концентрация углерода в стали создает определенные трудности при выплавке.

Содержание азота в стали 07Х13Н4АГ20 соответствует 0,08–0,18 %. В стали 03Х20Н16АГ6 оно увеличено до 0,2–0,3 %. Дополнительное увеличение концентрации азота до 0,3–0,4 % требует увеличения содержания марганца в стали. Для повышения сопротивления точечной коррозии целесообразно введение молибдена до 2 %. Благоприятное влияние молибдена объясняется подавлением им действия марганцевосодержащих сульфидов типа MnS

и (MnxFey)S.

Аустенитные хромоникелевые стали с марганцем и азотом такого типа, обладая почти вдвое более высокой прочностью по сравнению с обычными хромоникелевыми сталями, перспективны для изготовления высоконагруженных деталей машин и конструкций. Они технологичны, хорошо свариваются, коррозионностойкие, характеризуются высокими показателями вязкости и пла-

151

стичности вплоть до температур жидкого гелия, сохраняют высокую стабильность аустенитной структуры.

Всудостроении, военной технике, энергомашиностроении

ипри изготовлении прецизионного оборудования требуются материалы, обладающие стабильной маломагнитной структурой, магнитная проницаемость которых не должна превышать порог маломагнитности (μ ≤ 1,01) в ходе длительной эксплуатации в магнитных полях различной напряженности. Классические хромоникелевые аустенитные стали непригодны для этих целей, так как их температурные зависимости очень сложны, а величина магнитной проницаемости в зависимости от содержания никеля, напряженности магнитного поля и температуры может изменяться в преде-

лах 1,008–2,150.

Для такого типа оборудования рекомендовано использовать стабильные высокоуглеродистые стали системы Мn–Сr–А1.

Этим условиям соответствуют высокоуглеродистые стали типа 120Г25Х5Ю7 и 105Г25Х5Ю5, механические свойства и магнитная проницаемость которых приведены в табл. 4.3.

4.2.2. Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали

По комплексу механических свойств оптимальными яв-

ляются хромомарганцевые стали с содержанием Сr = 12…14 %

и Мn = 17…20 %. Дополнительное упрочнение достигается за счет введения азота. Однако его массовая доля не должна превышать

152

предела растворимости при температурах аустенитизации из-за опасности выделения нитридов по границам зерен при нагреве во время сварки и пайки, охрупчивающего металл. Вследствие наличия азота в стали дополнительно ограничивают допустимую массовую долю углерода до минимально возможных значений, близких к пределу его растворимости в аустените.

В России наибольшее применение получила сталь марки 03Х13АГ19, рекомендуемая к применению при низких температурах, вплоть до температуры –196 °С, для статически нагруженных сварных конструкций.

Массовая доля (в процентах) основных элементов ста-

ли 03Х13АГ19: С ≤ 0,03; S ≤ 0,025; Р ≤ 0,050; Si ≤ 0,6; Ni ≤ 1,0;

Сr = 12…15; Мn = 18…21; N = 0,10…0,18.

Механические свойства стали 03Х13АГ19 при низких температурах приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Механические свойства листового проката из стали 03Х13АГ19 при различных температурах

С понижением температуры у стали 03Х13АГ19 происходит более интенсивный рост предела текучести, чем у хромоникелевых сталей. При снижении температуры с 20 до –78 °С пластичность несколько повышается, а затем начинает плавно снижаться. Пластическое деформирование стали 03Х13АГ19 при низких температурах приводит к мартенситному превращению с образованием ε- и α-фаз. При снижении температуры происходит постепенное уменьшение ударной вязкости, более интенсивное при остром надрезе.

153

Сталь 03X13АГ19 достаточно технологична. Она хорошо деформируется в горячем состоянии и удовлетворительно – в холодном. Термическая обработка представляет собой закалку, начиная с температуры 980 °С с охлаждением в воде. Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием и хорошо сваривается всеми видами сварки. Вязкость сварных сочинений удовлетворяет требованиям криогенной техники.

Сталь 03Х13АГ19 является коррозионно-стойкой в промышленной атмосфере и неагрессивных средах. Она применяется для изготовления элементов сварных конструкций: обечаек, днищ, патрубков, фланцев. Минимальная температура эксплуатации нагруженных статических конструкций составляет –196 °С, при динамических нагрузках – до –120 °С.

Более перспективными для использования в низкотемпературной технике являются хромоникельмарганцевые аустенитные стали, легированные хромом, никелем и марганцем. Изделия из этих сталей при переменном нагружении сохраняют работоспособность при Ni ≥ 3…4 %.

В низкотемпературной технике нашла применение экономно легированная никелем коррозионно-стойкая хромоникельмарганцевая аустенитная сталь 10Х14Г14Н4Т (табл. 4.5).

Массовая доля (в процентах) основных элементов в стали следующая: С < 0,1; Мn = 13…15; Сr = 13…15; Ni = 2,8…4,5; Ti = 5 (С – 0,02) – 0,6; S < 0,020; Р < 0,035.

Сталь 10Х14Г14Н4Т имеет механические свойства, близкие к свойствам стали 12Х18Н10Т, и может служить ее заменителем при низких температурах. Она обладает высокой вязкостью, что исключает хрупкое разрушение в сложных условиях нагружения, и имеет, как и сталь 12X18H10T, относительно невысокий предел

154

текучести при 20 °С, увеличивающийся при охлаждении до 77 К, так же как и у стали 12Х18Н10Т.

Сталь 10Х14Г14Н4Т удовлетворительно обрабатывается давлением и резанием, хорошо сваривается. Коррозионная стойкость в атмосферных условиях стали 10Х14Г14Н4Т равноценна таковой для стали 12Х18Н10Т.

Применяется данная сталь для изготовления сварных элементов сосудов (обечаек, днищ, фланцев, патрубков) и трубопроводов, работающих при температуре –196–500 °С, а также для изготовления сосудов, работающих под давлением.

4.2.3. Аустенитные хромоникельмарганцевые стали с азотом

Значительное повышение прочности хромоникельмарганцевых аустенитных сталей достигается за счет легирования азотом, образующим, как и углерод, твердые растворы внедрения. Кроме твердорастворного упрочнения, азот повышает прочность аустенитных сталей за счет воздействия на их дислокационную структуру, при этом образуются зоны с упорядоченной структурой наряду с неупрочненной матрицей. Повышая стабильность аустенита при высоких температурах, азот препятствует образованию δ-феррита.

При введении до 0,20 % азота в хромоникельмарганцевую сталь повышается ее предел текучести на 50 % при 20 °С и более интенсивно увеличивается предел текучести с понижением температуры. С введением азота в сталь ее пластичность и вязкость несколько снижаются, но остаются на достаточно высоком уровне, характерном для аустенитных сталей.

В технике наибольшее применение получили следующие хромоникельмарганцевые стали с азотом: 07Х21Г7АН5, 07Х13Н4АГ20 и 03Х20Н16АГ6. Их химический состав приведен в табл. 4.6.

Сталь 07Х21Г7АН5 применяется для изготовления несварных крепежных деталей типа подвесок, шпилек, гаек, болтов. Сталь удовлетворительно обрабатывается давлением и резанием. При содержании углерода до 0,03 % она хорошо сваривается и не требует последующей термообработки сварных швов. При более высоком содержании углерода свариваемость удовлетворительная, но обязательна термообработка после сварки в целях повышения ударной вязкости и снижения склонности к межкристаллитной коррозии.

155