Металлы для работы при низких температурах

Мороз и железо рвет и на лету птицу бьет.

Русская пословица

В Якутии -65°С не редкость. Здесь сталь проходит испытание холодом. Зимой по обочинам дорог можно увидеть разбитые, точно глиняные черепки, стальные муфты, полуоси и другие детали машин или бульдозерный нож, расколотый пополам от удара о пенек. Недаром здешние шоферы знают наизусть чуть не все сорта стали и резины, какие выпускает наша промышленность.

Число поломок оборудования зимой в условиях Крайнего Севера обычно втрое, автосцепок иногда в десять раз больше, чем летом. Сталь не выдерживает низких температур; она становится хрупкой.

За счет охрупчивания металла при пониженных температурах произошли крупные аварии, которые вызвали разрушение железнодорожных мостов в Бельгии, ФРГ и Канаде, крупных резервуаров для хранения нефти, разрушение грузовых судов и газопроводов.

Советские ученые и инженеры приняли активное участие в решении проблемы. Действительно, обычное железо и некоторые сорта стали при температурах до -40 °С, наиболее характерных для районов Арктики и Сибири, становятся хрупкими и трескаются.

Появились рекомендации специалистов о подготовке особых марок стали. Исследования показали, например, что добавка циркония позволит ликвидировать хрупкость стали при сильных морозах.

Можно создавать такие стали, которые при низких температурах сохранят прочность.

Сталь, которой не страшны морозы, производят на Череповецком металлургическом заводе по методу, разработанному профессором Ленинградского механического института С. М. Барановым. Она используется для изготовления труб газопроводов, которые прокладываются в Заполярье. Морозостойкую сталь назвали «Северянкой».

Современная техника широко использует низколегированные стали. Однако при низких температурах ее пластичность резко ухудшается. Она делается хрупкой, плохо выдерживает удары, что ведет к частым поломкам на транспорте, работающем в северных районах.

Решением задачи создать высокопрочную и одновременно высокопластичную сталь, не теряющую своих свойств при низких температурах, занялись сотрудники Донецкого государственного университета и Уральского научно-исследовательского института черных металлов при участии работников Уральского вагоностроительного завода. Им удалось создать высокопрочную и пластичную сталь, пригодную для изготовления ходовой части и автосцепки грузовых вагонов. Этому помогли добавки ванадия.

Для арктических широт нашего Крайнего Севера теперь готовится специальное оборудование в «северном исполнении»: экскаваторы, вездеходы-амфибии, грузовики КамАЗа, стальные резервуары емкостью 20- 50 тыс. м3.

Сталь и холод

Без широкого применения холодильной техники не обходятся современная торговля и медицина, нефтехимия и транспорт. Есть оригинальное предложение использовать жидкий азот для металлических отходов в сталеплавильных цехах. Перед тем как отправить в печь на переплавку крупногабаритный стальной лом, его необходимо размельчать. Ученые ГДР предложили заливать металлические отходы жидким азотом.

Охлажденный до-100°С металл становится хрупким, как стекло и легко разбивается на куски.

Некоторые процессы в технике проходят при очень низких температурах, и для них нужна специальная аппаратура.

Сюда относятся процессы сжижения и разделения воздуха, сжижения и фракционной перегонки нефтяных продуктов, сжижение природного газа. Для изготовления аппаратуры, емкостей и трубопроводов требуются стали, вязкие при низких температурах.

Химическая промышленность нуждается в шаровых резервуарах для хранения сжиженных газов — пропан-бутановой смеси, аммиака и др.

Металлурги готовят и такие стали: в их состав входит много легирующих элементов. Японская фирма «Нихон Кокай» выпускает никелевую сталь, способную сохранять свои свойства при -196°С. Полагают, что она найдет применение в строительстве танкеров и резервуаров для получения и хранения жидких газов.

Однако оказалось, что низкие температуры, столь опасные для прочности обычного металла, можно использовать для улучшения свойств самой стали: повышения твердости и вязкости, жесткости и упругости. Еще в 20-х годах XIX в. П. П. Аносов проводил опыты с закалкой кос при температурах -5 и -18° по Реомюру. Опыты дали положительные результаты.

В наше время применение обработки холодом для дополнительного упрочнения некоторых сталей впервые предложил профессор А. П. Гуляев в 1937 г. Через пять лет первые попытки использовать глубокий холод были произведены в США. Советский академик А. А. Бочвар в 1945 г.

обнаружил в зоне фазового превращения металлов «сверхпластичность» сплава цинка с алюминием. Другие исследователи вскоре обнаружили подобные явления у сплавов иных металлов и у некоторых сталей в царстве холода: при -200°С. Изделия получались с идеально чистой поверхностью, которую невозможно достичь никакой механической обработкой.

Ибо при любом нагреве, даже самом незначительном, на поверхности металла возникает слой окислов.

Северянка

Исследования в области низкотемпературного материаловедения ведутся в разных странах и сейчас. Ученые Физико-технического института АН УССР доказали теоретически и экспериментально, что постоянное упрочнение можно получить, подвергая металл механической обработке не при нагреве, а при глубоком охлаждении.

Специально сконструированная машина позволила производить деформацию образцов при температуре -270°С.

Эксперименты помогли выяснить, что при низкотемпературной деформации металлы приобретают очень мелкую и однородную структуру, способствующую значительному повышению жаропрочности вплоть до температуры красного каления.

По демократичной цене костюм противоэнцефалитный оптом у нас на aspektsnab.ru.

Металлы

Отношение прочности при растяжении к температуре для металлов, обычно используемых при низких температурах показано на рисунке 7. Наклоны кривых указывают, что увеличение прочности с уменьшением температуры различно у разных металлов.

Однако, прочность при растяжении — не лучший критерий для того, чтобы определить пригодность материала для использования при низких температурах, потому что большинство отказов следует из-за потери гибкости. Более низкие температуры могут иметь катастрофическое влияние на гибкость металла; влияние зависит в большей степени от кристаллической структуры.

Металлы и сплавы, которые являются гране-центрированными кубическими (FCC) и гибкими при температурах окружающей среды, остаются податливыми и при низких температурах. Металлы этой категории включают алюминий, медь, сплавы никелина, никель, и аустенитные нержавеющие стали.

Металлы и сплавы, которые имеют центральную кубическую кристаллическую решетку (BCC), типа чистого железа, углеродистой стали, и многих легированных сталей, становятся ломкими при низких температурах.

Многие BCC металлы и сплавы переходят в хрупкое состояние при более низких температурах (см. сталь 1020 сталь на рисунке 8). С шестиугольной плотноупакованной кристаллической решеткой (HCP) металлы и сплавы занимают промежуточное место между FCC и BCC металлами и могут оставаться податливыми или становиться ломкими при низких температурах. Цинк становится ломким, тогда как чистый титан (Ti) и многие титановые сплавы остаются гибкими. Величины гибкости, полученные при статическом испытании на разрыв могут объяснить потерю гибкости, но испытание на ударную вязкость бруска с надрезом дает лучшее понимание относительно того, как материал ведет себя при динамической нагрузке и как он реагирует на комплексное мультинаправленное напряжение. Рисунок 8 демонстрирует величины гибкости, измеренные по проценту удлинения при испытании на разрыв в зависимости от температуры для нескольких металлов. При понижении температуры, кривые для меди и алюминия показывают увеличение гибкости, в то время как нержавеющие стали AISI 304 и Ti-6%Al-4%V показывают уменьшение.

Алюминиевые сплавы широко используются для низкотемпературного применения из-за их стоимости, свариваемости и прочности. Хотя их прочность считают незначительной, они остаются гибкими при более низких температурах. Типичные механические свойства при −196°C сведены в таблицу 5.

Алюминий 1100 (относительно чистый с 99% Al) имеет низкий предел текучести, но очень податлив и имеет высокую теплопроводность. Он применяется в неструктурных приложениях типа экранов теплового излучения.

Для структурных целей часто используются сплавы 5083, 5086, 5454 и 5456.

Сплавы типа 5083 имеют сравнительно высокую прочность в отожженном (0) состоянии и могут свариваться с небольшой потерей прочности в зоне термической обработки; нет необходимости в после сварочной не термической обработке.

Эти сплавы используются в областях перевозок и хранения. Сплав 3003 широко используется для оребренных теплообменников, потому что он легко сваривается с Al-7%Si. Алюминий-магниевые сплавы (6000 серия) используются для прессования и штамповки для таких изделий как трубы, патрубки, стыки, и вентильные корпуса}.

Медные сплавы редко используются из-за трудностей в соединении. Медь и ее сплавы ведут себя аналогично алюминиевым сплавам при понижении температуры.

Прочность обычно обратно пропорциональна ударной прочности; сплавы повышенной прочности имеют низкую ударную прочность. Пайка серебром и медью- самые успешные методы соединения меди. Латунь может использоваться в малых изделиях и легко обрабатывается.

Никель и сплавы никеля не имеют склонности к излому при перемещении при понижении температуры и хорошо свариваются, но их широкое применение ограничено из-за высокой стоимости. Сплавы повышенной прочности могут использоваться при очень низких температурах.

Сплавы на основе железа, с центральной кубической структурой кристаллической решетки обычно склонны к излому при перемещении при пониженной температуре.

BCC структуры железа — ферромагнетики и легко идентифицируются при помощи магнита. Чрезвычайная хрупкость часто наблюдается при более низких температурах. Таким образом, BCC металлы и сплавы обычно не используются для структурных приложений при низких температурах.

Известное исключение — железные сплавы, имеющие высокое содержание никеля. Никель и марганец добавляются к железу, чтобы стабилизировать аустенитную фазу (FCC), поддерживая гибкость при низких температурах.

В зависимости от количества никеля или марганца увеличивается прочность при низких температурах. Два известных высоконикелевых сплава для использования при низких температуры это 9%-ая никелевая сталь и аустенитный 36%-ый железный сплав никеля.

9%-ый сплав сохраняет хорошую гибкость при температурах до 100 K (-173°C). Ниже 100 K, уменьшение гибкости небольшое, но излома при испытании на сдвиг не происходит.

Железо, содержащее 36%-ый никель обладает необычной особенностью почти нулевой усадки при охлаждении от комнатной температуры до абсолютного нуля. К сожалению, этот сплав весьма дорог и поэтому ограниченно используется.

Меньшие количества никеля могут быть добавлены к железу, чтобы понизить стоимость и понизить температурную хрупкость. Железо с 5%-ым никелем может использоваться до 150 K (-123°C), а железо с 3,5% никелем остается податливым до 170 K (-102°C).

Стали с высоким содержанием никеля обычно термически обрабатываются перед использованием закалкой в воде от 800°C сопровождаемой термообработкой при 580°C.

580°C термическая обработка отпускает мартенсит, который формируется в течение закалки и дает 10%-ый стабильный аустенит, который является ответственным за улучшенную прочность изделия. Аустенитные нержавеющие стали (300 серия) широко используются для низкотемпературного использования.

Многие сохраняют высокую податливость до 4 K (-269°C) и ниже. Их привлекательность базируется на хорошей прочности, жесткости, и коррозионной стойкости, но стоится, высокой по сравнению с железо-углеродными сплавами. Термическая обработка снятия напряжения вообще не требуется после сварки, а ударная вязкость мало изменяется с понижением температуры.

Популярная, доступная сталь с умеренной прочностью для низкотемпературного использования- AISI тип 304, с малоуглеродистой маркой. Где необходима более высокая прочность и сварки можно избежать, используются высокоазотистые марки. Литьевые аустенитные стали также доступны; известный пример (14-17%Cr, 18-22%Ni, 1.75-2.75%Mo, 0.5%Si Макс, и 0.

05%C Макс) сохраняет превосходную податливость и прочность при чрезвычайно низких температурах.

Титановые сплавы характеризуются высокой прочностью и недостаточной теплопроводностью. Два сплава, часто используемые при низких температурах — Ti-5%Al-2.5%Sn и Ti-6%Al-4%V. Ti-6-4 сплав имеет более высокий предел текучести, но он теряет гибкость ниже приблизительно 80 K (-193°C).

Низкотемпературные свойства затрагивают кислород, углерод и азот. Большое содержание этих промежуточных элементов увеличивает прочность, но уменьшает потдатливость.

Экстра низкие промежуточные (ELI) марки, содержат приблизительно половину нормальных уровней, обычно используются при низких температурах. И Ti-6-4 и Ti-5-2.5 легко свариваются, но дороги и трудно формуются.

Они находят применение там, где необходима высокие отношения прочность — масса или прочность-теплопроводность. Титановые сплавы не рекомендуются для приложений, где существует опасность окисления.

Стали для деталей, работающих в условиях низких температур

Эти стали можно разделить на две группы — хладостойкие, работающие при температуре до —70 °С, и криогенные — работающие при температуре ниже —183 °С (температура точки кипения кислорода).

Число поломок тяжелонагруженных деталей горного и горно- обогатительного оборудования, работающего в карьерах и на производственных площадках на Севере и в Сибири, в зимние месяцы увеличивается в 3—7 раз. Поэтому для этих условий очень важна хла- достойкость применяемых сталей.

К хладостойким относят конструкционные стали, подвергнутые комплексному раскислению. Сталь для отливок при выплавке обрабатывают раскислителями (модификаторами), содержащими щелочноземельные (ЩЗМ) и (или) редкоземельные (РЗМ) металлы.

Раскисление, а также переплавы стали (вакуумно-дуговой, элек- трошлаковый) определяют природу и характер неметаллических включений, от которых в значительной мере зависит пластичность и вязкость стали, степень сопротивления хрупкому разрушению и хла- достойкости стали.

Рациональное легирование в сочетании с комплексным раскислением (алюминием и кальцием или алюминием, кальцием и церием) и очисткой от вредных примесей (особенно фосфора) позволяет получить хладостойкие стали (табл. 5.7).

Для хладостойких сталей особенно важным является рациональное сочетание высоких показателей прочности и сопротивляемости охрупчиванию. Отливки из хладостойкой и износостойкой стали изготавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 21357—87.

Таблица 5.7

Влияние легирования на механические свойства и критическую температуру хладноломкости нормализованной стали

Конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера: 35Л (ГОСТ 977—88) — пята стрелы, рукоять, рамы экскаваторов; 45Л — литые детали тракторов (катки поддерживающие, колеса); 110Г13Л — корпус ковша экскаватора; 20ГЛ — тележки грузовых вагонов; 08Г2ДНФЛ — крупногабаритные корпусные отливки; 27ХГСНМДТЛ — опорные катки тяжелых бульдозеров; 20ХГСФЛ — сварно-литые конструкции шагающих экскаваторов.

Для наиболее ответственных конструкций, используемых в арктических условиях, применяют стали 10ГНБ-Ш, 10ХНДМ-Ш (стт> 355— 390 МПа), 09ГС — для трубопроводов, работающих при температуре до -70 °С; нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т.

В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые хромоникелевые аустенитные стали 08XI8H10T, 12X18HI0T. Их используют для хранения и транспортировки сжиженных газов (02, Н2, N2). Криогенные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5, 03Х20Н16АГ6 применяют для крупногабаритных емкостей.

Сплавы для работы при низких температурах

Сплавы для работы при низких температурах

Железоникелевые сплавы

Для изготовления некоторых узлов криогенных установок, размеры которых не должны меняться с изменением температуры, используют высоколегированные инвары — сплавы железа с никелем. Сплав с 36 % никеля имеет величину коэффициента литейного расширения при температурах 50—300 К в 10—20 раз мень­шую, чем для никелевых и хромоникелевых сталей, а также алюминиевых сплавов.

Из инваров изготавливают жесткозакрепленные трубопроводы сложной пространственной формы, работающие при температурах до 20 К (например, трубопроводы ЖРД), некоторые элементы арматуры, которые по условиям работы должны иметь минималь­ные изменения размеров при изменении температуры. Малая величина коэффициента линейного расширения материала позволит уменьшить напряжения в трубопроводах и предотвратить возможность их разрушения. Отпадает необходимость установки сильфонных узлов для компенсации деформации, что упрощает конструкцию и делает ее более надежной.

Недостатком железоникелевых сплавов является их высокая стоимость, превышающая стоимость сталей типа 12Х18Ш0Т в 5—10 раз.

Свойства и применение алюминиевых сплавов при низких температурах

Алюминиевые сплавы имеют низкую плотность, коррозионную стойкость и высокий уровень механических свойств, благодаря чему они находят широкое применение.

Способность алюминия и его сплавов сохранять пластичность вплоть до криогенных тем­ператур послужили основой для их широкого использования при изготовлении низкотемпературного оборудования.

Применимость алюминиевых сплавов для работы при низких температурах обусловлена кристаллической структурой алюминия. Он кристаллизуется в решетке гранецентрированного куба и не имеет полиморфных превращений.

В холодильной и криогенной технике применяют как технический алюминий, так и его сплавы. Технический алюминий ши­роко используют для изготовления малонагруженных элементов конструкций. В общем объеме потребление его достаточно велико. Из алюминия изготавливают такие детали, как насадки регенераторов, паяные теплообменники аппаратов воздухоразделительных установок и др.

Алюминиевые сплавы применяют для изготовления емкостей и трубопроводов для хранения и транспортировки жидких газов: природного газа, кислорода, азота, водорода и гелия, а также, в качестве материала для ректифика­ционных колонн и трубных систем.

При температурах ниже 120 К объем потребления алюминиевых сплавов, главным образом в виде горячекатанного листа, составляет около 30 % от объема всего используемого металла.

Высокий коэффициент теплопроводности алюминиевых сплавов часто заставляет отказываться от применения их в деталях, которые определяют притоки теплоты к охлаждаемым элементам.

Например, горловины криостатов выполняют из аустенитных сталей или полимерных материалов, хотя сам внутренний сосуд изготовляется из алюминиевого сплава.

Алюминиевые сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения, чем аустенитные стали.

Это определяет более высокий уровень термических напряжений, особенно в жесткозащемленных элементах конструкций при их охлаждении.

Поэтому в трубопроводах для перекачки сжиженных газов в случае отсутствия возможности применения компенсаторов деформации предпочтительно использование сплавов на основе железа.

В технике низких температур применяют деформируемые и литейные алюминиевые сплавы.

Прочность при растяжении деформируемых алюминиевых сплавов с понижением температуры от 293 до 77 К увеличивается на 35—60 %, а предел текучести — на 15—25 %. Пластичность при снижении температуры обычно даже несколько возрастает или остается на уровне пластичности при комнатной температуре.

Низколегированные стали для применения при очень низких температурах

• Хладостойкие низко- и среднелегированные стали предназначены для эксплуатации при температуре до — 196°С. Принцип легирования:
• 1) низкое содержание углерода 0,06%; 2) легирование никелем (3/5 – 8,5%) для измельчения структуры; 3) ограничение содержания серы и фосфора 0,02%;
• 4) микролегирование Nb, Al, N2 для измельчения зерна.

Долгое время для таких температурных условий применяли только никелесодержащие стали (3,6 и 9% Ni) с низким содержанием углерода или аустенитные хромоникелевые стали.

В последнее время появились рекомендации по применению в условиях умеренно низких температур низкоуглеродистых низколегированных сталей с низким содержанием никеля (до 1,5%) и даже безникелевых сталей.

Состав хладостойких сталей.

Никелевые стали, особенно марок 06Н6 и 06Н9, сложны по фазовому и структурному составу. Поэтому сталь с 9% Ni после охлаждения от температуры γ-состояния на воздухе закаливается с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом.

При нагреве закаленной стали до температуры, близкой к 600°С , частично может произойти обратное α → γ -превращение, и в стали может появиться некоторое количество остаточного аустенита (5 — 15% в зависимости от состава стали и температуры отпуска).

В стали с 6% Ni при охлаждении образуется ферритно-мартенситная структура, а при более быстром охлаждении — мартенсит. После отпуска закаленная сталь имеет высокую хладостойкость.

Сталь с 3% Ni закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Применяется эта сталь также в закаленном и отпущенном состояниях. Хладостойкость никелевых сталей определяется не только содержанием никеля, но важны также однородность состава и мелкозернистость структур.

Поэтому никелевые стали перед окончательной термообработкой (закалка + отпуск) лучше подвергать нормализации.

Для сталей с 6 и 9% Ni нормализацию с термоулучшением можно заменить двойной воздушной закалкой: первая с более высокой температуры (~ 900°С) для гомогенизации, вторая с более низкой (~780-800°С) — для получения мелкого зерна.

Отпуск после такой обработки дает некоторое улучшение свойств, однако он не всегда необходим, так как низкое содержание углерода в стали и пониженная температура закалки позволяют получить нехрупкий мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита, обеспечивающих хорошую ударную вязкость.

Свариваемость

Основными показателями свариваемости стали являются склонность к образованию холодных трещин, изменения свойств ЗТВ и необходимость принятия специальных технологических мер для получения бездефектного сварного соединения с надлежащими свойствами.

С точки зрения этих критериев все три никелевые стали можно отнести к хорошо свариваемым. Низкое содержание в сталях углерода обусловливает отсутствие склонности к холодным трещинам, даже если в ЗТВ после сварки образуется мартенсит.

Мартенсит с низким содержанием углерода при высоком содержании нике­ля способствует получению в ЗТВ высокой ударной вязкости и умеренной твердости металла. При наличии вязкого аустенитного металла шва это обстоятельство обусловливает отсутствие необходимости проведения термообработки после сварки.

При сварке эти стали проявляют склонность к росту зерна в ЗТВ. В связи с этим сваривать их целесообразно без большого тепловложения.

Способы сварки и сварочные материалы

Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки (см. таблицу ниже). Однако следует предпочитать дуговую сварку в защитном газе и ручную дуговую сварку. При автоматической сварке под флюсом лучше использовать тонкую проволоку.

Способы сварки никелевых хладостойких сталей и свойства ЗТВ сварных соединений

Примечание: РДС — ручная дуговая сварка; ИИ, ИП — дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в инертных газах; АФ — автоматическая сварка под флюсом.

Для сварки стали 06НЗ применяют электроды или проволоки аналогичные основному металлу, либо аустенитную хромоникелевую. Для сварки стали 06Н6 в качестве присадочного материала чаще всего используют проволоку из аустенитной хромоникелевой стали или сплав на никелевой основе (типа инконель).

В связи со склонностью к росту зерна никелевые стали при сварке не следует подогревать. Только при низкой температуре окружающего воздуха целесообразен небольшой подогрев.

Термообработка после сварки

Высокий отпуск сварных соединений стали 06НЗ выполняют при таком же составе сварных швов, что и свариваемая сталь. При высоконикелевых и хромоникелевых аустенитных швах термообработка после сварки не требуется.

Стали 06Г2НАБ и 06Г2АЮ благодаря очень низкому содержанию углерода после нормализации (состояние применения) почти не имеют перлита, поэтому их иногда называют бесперлитными. Высокие свойства, получаемые после нормализации, особенно высокая хладостойкость, определяются очень мелким зерном, устойчивым к росту благодаря наличию нитридов алюминия и карбонитридов ниобия.

Несмотря на повышенную устойчивость мелкого зерна к росту при нагреве, высокая температура нагрева околошовной зоны приводит к некоторому укрупнению зерна и ухудшению хладостойкости, что на сталях рассматриваемого типа ощутимо уже при ручной дуговой сварке.

Лучше всего эти стали сваривать в защитном газе с применением тонкой проволоки с наименьшим тепловым влиянием на прилегающий к сварному шву металл. Значения твердости и ударной вязкости в ЗТВ в этом случае сохраняются близкими к значениям свариваемой стали (см.

таблицу ниже).

Механические свойства хладостойких никелевых сталей после термообработки

Стали, работающие при низких температурах

• Федеральное агенство по образованию
• Государственное образовательное учреждение
• Высшего профессионального образования
• Ижевский 
  государственный технический университет 
        
   
• Реферат
• По дисциплине «КиЗОМ»
• На тему «Стали, работающие при низких температурах» 
      

Выполнил студент 
группы  8-47- 2З                         Муллагалиев А.М.

Проверил преподаватель                                          Мазец В.К.    
  

1. Введение                                                                                                       3
2. Влияние технологических факторов.                                                         6
3. Влияние металлургических факторов.                                                       7
4. Термическая обработка                                                                              12
5. Неметаллические включения                                                                    14
6. Хладностойкие стали                                                                                  15
7. Заключение                                                                                                  18
8. Литература                                                                                                   19

Введение 

    Развитие на Севере нефтяной и газовой промышленности, транспортных трубопроводов, изготовление землеройных механизмов для работы в зонах с низкими температурами, а также химическая промышленность, нуждаются в хладостойкой листовой стали.

Использование таких сталей делает конструкции надежней, расход материала уменьшается, а следовательно экономятся и денежные средства. Так как температуры от -30 до -50 встречаются на большей территории России, то проблема использования и изготовления подходящих сталей для нас очень актуальна и важна.

Для большинства металлов способность к пластической деформации в значительной степени зависит от температуры. С понижением температуры эта способность для большинства металлов и сплавов уменьшается.

При критических температурах резко возрастает сопротивление сдвигу, металл переходит в хрупкое состояние и разрушается без признаков пластической деформации.

    Сопротивление такому разрушению называется хрупкой прочностью, а свойство металлов хрупко разрушаться со снижением температуры называется хладноломкостью. Обратное понятие хладноломкости – хладностойкость.

    Результаты исследований показали, что металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (железо, хром, вольфрам), а также некоторые металлы с гексагональной решеткой (титан, цинк, кадмий) при снижении температуры быстро охрупчиваются. У металлов с более плотно упакованной решеткой гранецентрированного куба (медь, никель, алюминий, магний, свинец) с понижением температуры вязкость сохраняется, а иногда даже повышается.

    Подобные закономерности имеют и многокомпонентные сплавы, имеющие соответствующие кристаллические решетки. Явление охрупчивания с точки зрения природы кристаллических решеток объясняется отсутствием плоскостей скольжения у металлов с объемноцентрированной кубической и гексагональной решеткой.

    Трещины образуются в местах встречи или пересечения полос двух систем скольжения. При этом возможность хрупкого разрушения тем больше, чем сильнее препятствия, тормозящие свободное передвижение групп дислокаций.

    Если скорость распространения микротрещин превысит скорость пластической деформации, то наступит хрупкое разрушение.

Пути сдвигов примерно равны диаметру зерна, поэтому измельчение зерна способствует увеличению интервала пластического состояния.

Поэтому углеродистые и легированные перлитные и мартенситные стали после закалки с отпуском при наличии очень мелкого действительного зерна имеют более низкие критические температуры хрупкости.

    Большое влияние на хладностойкость оказывают микродефекты структуры металлов, являющиеся своеобразными концентраторами напряжений.

Особенно 
опасны дефекты типа усадочных раковин, микропористости и газовых пузырей, нарушающие однородность и сплошность структуры. Поэтому плотность металла является объективным показателем для оценки его хладноломкости.

    Несмотря на достижения в развитии теоретических представлений о природе хладноломкости металлов, общей теории, объясняющей все многообразие этого явления, до сих пор не предложено.

Теоретические представления основаны на опытных данных многочисленных исследований, рассматривающих влияние отдельных параметров состояния и свойств металла на критическую температуру его перехода в хрупкое состояние.

Важным является признание необходимости повышения уровня хрупкой прочности металлов как основного фактора, определяющего хладноломкость.

    Критерии оценки хладноломкости.

В качестве независимой переменной при определении 
металла к хрупкости выбирают температуру, определяющую критический 
интервал хрупкости. Известный метод испытания ударной вязкости является весьма чувствительным и удобным способом оценки степени хладноломкости стали.

    Надежность и долговечность изделия в значительной степени определяется его склонностью к хрупкому разрушению, которому способствуют не только низкие температуры, но и такие параметры, как усиление концентрации напряжения, увеличение скорости деформации и другие.

Опыт показывает, что сталь с более низкой температурой хрупкости лучше сопротивляется высоким напряжениям и увеличенным скоростям нагружения и дольше сохраняет свою пластичность.

Следовательно, метод испытания ударной вязкости, выявляющий критический интервал хрупкости, носит универсальный характер и характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.

    Для оценки хладноломкости стали также используют фрактографический метод контроля, основанный на измерении доли волокнистого и кристаллического строения ударных образцов.

В качестве критерия оценки хрупкости принимают выраженное в процентах соотношение площадей волокнистых и кристаллических участках излома.

Обычно за критерий вязкости принимают Т критическое, при которой доля вязкого излома составляет 50% чем ниже Т кр., тем выше надежность стали при низких температурах.  
      
  

    2. Влияние технологических факторов. 

    Опыт показывает, что детали, изготовленные из стали с более низкой температурой хрупкости, способны оставаться вязкими при более высоких скоростях напряжения и более острых в надрезах и выточках. В подобной стали распространение микротрещин существенно затрудняется.

    На хладноломкость оказывает влияние комплекс физико-химических и физико-механических факторов. Основные из них следующие:

1. Качество 
стали, определяемое металлургическими 
особенностями производства.

2. Геометрия 
изделия.

3. Вид 
напряженного состояния, при котором 
изделие работает в практических 
условиях, характер нагружения, скорость нагружения и т.д.

    Все указанные факторы влияют самостоятельно и независимо друг от друга и учесть долю влияния каждого весьма сложно. Для решения этих задач прибегают к натурным испытаниям изделий.    
      
    

    3. Влияние металлургических факторов. 

    1. Состав стали.

Механические 
свойства стали и уровень хладноломкости существенно зависят от ее состава. Особенно сильно охрупчивают сталь такие вредные примеси как сера, фосфор, кислород и цветные металлы, образующие соответствующие включения и засоряющие периметр зерен.

    Влияние углерода.

С увеличением 
содержания углерода существенно повышается порог хладноломкости, что объясняется 
увеличением доли перлитной составляющей в структуре стали, цементитные включения которой препятствуют пластическому течению металла и при низких температурах являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Отдельные легирующие элементы ослабляют вредное влияние углерода (никель, молибден, марганец), другие увеличивают (хром, ванадий, титан).

    Повышение дисперсности структуры за счет нормализации и закалки с последующим высоким отпуском разрушает блочные образования перлита и смещает интервал хрупкости в сторону низких температур. При этом наиболее благоприятной является сфероидальная форма карбидов.

    Влияние марганца.

Марганец, обладая полной растворимостью в ? и ? железе, образует с углеродом карбид марганца и является относительно слабым карбидообразующим элементом.

Основная доля марганца находится в твердом растворе и существенно упрочняет феррит, что позволяет получать низкоуглеродистые сплавы с относительно высокой прочностью и вязкостью.

На прокаливаемость марганец оказывает большее влияние, чем хром, никель, медь, кремний, что существенно уменьшает критическую скорость закалки.

     Влияние кремния.

При введении кремния в кипящие стали существенно 
снижается порог хладноломкости, что связано с раскислением стали и снижением в ней содержания кислорода. Действие кремния как легирующего элемента на хладноломкость различно для разных марок стали.

Кремний не образует карбидов, полностью растворяется в феррите, существенно увеличивая его прочность. При этом до содержания 1,0% Si сохраняется пластичность феррита; с дальнейшим увеличением содержания кремния пластичность феррита снижается.

Имеющиеся сведения о влиянии кремния на хладноломкость противоречивы, но большая часть исследователей считает его влияние отрицательным. Установлено, что в низкоуглеродистых сталях с увеличением содержания кремния соответственно повышается критическая температура хрупкости.

Однако в сочетании с другими легирующими элементами влияние кремния на хладноломкость менее определенно. Опыт показывает, что рациональное сочетание кремния с марганцем или кремния с марганцем и хромом позволяет получить стали с повышенной прочностью и достаточно высокой хладностойкостью.

Так например, в качестве хладостойких сталей в промышленности получили применение такие стали как 15ГС (0,12 –0,18% С; 0,7 – 1,0% Si; 1,0 – 1,4% Mn); 17ГС (0,14– 0,20С; 0,4– 0,6 Si; 1,0 – 1,4% Mn); 14ХГС (0,11– 0,17С; 0,4– 0,7 Si; 0,9 – 1,3% Mn; 0,5 – 0,8%Cr) и др.

    Влияние хрома.

Влияние хрома на хладностойкость, по одним данным, слабо отрицательное, по другим – нейтральное. Для работы при низких температурах более широкое распространение получили низкоуглеродистые стали, легированные хромом совместно с другими элементами – хромомарганцекремнистые, хромоникелевые, хромомолибденовые.

    Влияние никеля.

Никель 
один из элементов, в наибольшей степени 
повышающий хладностойкость стали. Переход в хрупкое состояние в никелевых сталях протекает более медленно и постепенно в широком температурном диапазоне.

Если 
благотворительное влияние марганца на хладностойкость оценивать условным коэффициентом 2, молибдена 3 – 5,то влияние никеля оценивается коэффициентом 10.

При этом марганец оказывает положительное влияние только при определенных содержаниях, молибден – при низких, никель – пропорционально его содержанию в стали.

Никель и железо обладают полной взаимной растворимостью и имеют почти одинаковое кристаллическое строение решеток. Никель не образует карбидов и находится в стали в твердом растворе в феррите или аустените.

    С повышением содержания углерода хладноломкость никелевых сталей заметно повышается, что можно частично компенсировать повышением содержания никеля.

    Никелевые низкоуглеродистые стали получили широкое распространение в США и Японии, Франции, Италии для конструкций и сооружений, работающих при низких температурах.

    Исследования показали, что стали, содержащие 9% Ni, деформированные и литые при температурах -200 град. С, имеют благоприятное сочетание прочности и ударной вязкости, высокое качество сварных швов и являются наиболее подходящим материалом для изготовления емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки таких жидких газов, как азот, кислород, метан, ацетилен.

    Положительное влияние никеля на хладностойкость проявляется и для большинства многокомпонентных сталей. Хромоникелевые, хромоникелемолибденовые и хромоникелемарганцевые стали отличаются относительно высоким уровнем ударной вязкости при низких температурах.

Но применение дорогого никеля часто является нецелесообразным, если сталь работает при температуре 
до -60.

    Влияние молибдена и вольфрама.

Молибден 
– активный карбидообразующий элемент. Он способствует сфероидизации карбидов, измельчает зерно, снижает критическую скорость закалки и существенно увеличивает прокаливаемость стали. По положительному влиянию на хладностойкость он уступает только никелю.