Хладостойкие и криогенные стали

Хладостойкие стали – стали, сохраняющие достаточную вяз­кость при низких температурах (0 ¸ –269 °С). Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (железнодорожные рельсы, трубы газо- и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах, охлаждаемые до температур климатического холода (–60 °С); обшивка  самолетов, детали ракет и космических  аппаратов,  охлаждаемые  до  температуры  жидкого  кислорода (–183 °С); специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (–269 °С).

Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязко­сти, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее тре­бование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы, – отсутствие хладноломкости. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК- и ГП-решётками. Для на­дёжной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимый темпе­ратурный запас вязкости зависит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали). Чем больше температурный запас вяз­кости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.

Металлы и сплавы с ГЦК-решёткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении ударная вязкость у них уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материа­лов оценивается температурой, при которой ударная вязкость составляет не менее 0,3 МДж/м² (t_kcu=0,3).

Кроме критериев хладостойкости (t₅₀ и t_kcu=0,3) основанием для выбора материала служат также показатели прочности при нормальных температурах (σ_в, σ_0,2), физи­ческие и технологические свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является вяз­кость разрушения К_1с в условиях плоской деформации.

Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расшире­ние, теплопроводность, теплоёмкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем ниже термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоёмкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (–196 °С), теплопроводность и теплоёмкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изме­нение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания ма­териалов при термоциклировании. Чем меньше теплоёмкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.

Наиболее важные технологические свойства – свариваемость и плас­тичность. Сварку широко применяют в производстве конструкций и гер­метичной криогенной аппаратуры. Пластичность необходима для изгото­вления тонких листов и тонкостенных элементов, менее склонных к хруп­кому разрушению, чем массивные детали.

Совместимость с окружающей средой определяется взаимодействи­ем материала с кислородом и водородом – наиболее распространёнными средами в криогенной технике. В контакте с кислородом возможно вос­пламенение материалов (титана, алюминия и их сплавов). Водород рас­творяется во многих металлах и вызывает охрупчивание сталей с ОЦК-решёткой и сплавов на основе титана.

В качестве хладостойких материалов используются низкоуглеродистые стали с ОЦК- и ГЦК-структурой, алюми­ний и его сплавы (АМц, АМг, АМгб и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы. Среднеуглеродистые улучшаемые, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требова­ния повышенной прочности и твёрдости.

Стали с ОЦК-решёткой используют главным образом для рабо­ты при температурах климатического холода. Температурная гра­ница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры составляет 0 ¸ –60°С. Эффективными мерами сниже­ния порога хладноломкости и повышения надёжности работы яв­ляются уменьшение содержания углерода, создание мелкозерни­стой структуры (размер зёрен 10¸20 мкм), понижение содержа­ния вредных примесей и их нейтрализация добавками редкозе­мельных металлов, а также V, Nb, Тi, легирование Ni и примене­ние термического улучшения. Основное применение получили низ­коуглеродистые стали, так как с увеличением содержания угле­рода повышается порог хладноломкости и ухудшается сваривае­мость стали.

Стали обыкновенного качества применяют для изготовления разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давле­нием. Минимальная рабочая температура спокойных сталей без специальной обработки для низкотемпературной  службы  ограничи­вается  –20 °С,  а  у кипящих  сталей  находится  в пределах 0 ¸ –10 °С.

Комплексом мер, включающих улучшение металлургического качества, измельчение зерна и микролегирование, удается сни­зить допустимую температуру эксплуатации этих дешевых сталей до –50 °С. Хотя стоимость стали при этом увеличивается, но она все же ниже стоимости легированных сталей. Использование сталей при температурах ниже 0 °С требует отработки конст­рукции деталей – устранение опасных концентраторов, исполь­зование тонкостенных элементов, в которых облегчены темпера­турные деформации. Для крупных конструкций используют сва­риваемые низколегированные стали повышенной прочности 09Г2С, 14Г2АФ и др. Используют также среднеуглеродистые улуч­шаемые и пружинные стали 45, 40Х, 65Г, 60С2А. Минимальная рабочая температура для них установлена –50 °С.

Стали с никелем обладают хорошей хладостойкостью: после термического улучшения стали 12ХН3А и 18Х2Н4МА применяют до температуры –196 °С.

Никелевые стали 0Н6 и 0Н9 содержат менее 0,1 % С и по хладостойкости приближаются к аустенитным. Оптимальные свойства никелевых ста­лей обеспечивают термообработкой: двойной нормализацией при 930 °С, а затем
при 800 °С с последующим отпуском при 570¸590 °С или за­калкой от 830 °С и отпуском при 580 °С. Первая нормализация необхо­дима для гомогенизации твердого раствора, вторая с последующим от­пуском – для получения структуры мелкозернистого феррита. По срав­нению с нормализацией закалка и отпуск увеличивают вязкость стали. Сталь 0Н6 используют до –150 °С, а 0Н9 – до –196 °С. В струк­туре термически обработанной стали ОН9 помимо феррита сохраняет­ся 10¸15 % остаточного аустенита в виде тонких прослоек. Задачей термической обработки, а также дополнительного легирования марган­цем (1¸2 %), молибденом (~ 0,4 %), ниобием, хромом, медью в раз­ных сочетаниях является обеспечение устойчивости остаточного аусте­нита: он не должен превращаться в мартенсит ни при охлаждении, ни при деформировании сталей. Механические свойства термически обра­ботанных листов толщиной 10¸13 мм из низкоуглеродистых никелевых сталей при 25 °С (числитель) и –196 °С (знаменатель) приведены ниже:

	0Н6	ОН9
σв, МПа	630/850	690/1000
σ0.2, МПа	470/700	550/850
δ,  %	25/30	35/25
KCV, МДж/ м2	1,5 / 0,3¸0,4	1,8 / 1,0

По сравнению с аустенитными сталями никелевые стали прочнее, у них вдвое больше предел текучести и вполне удовлетворительная ударная вязкость, в 3¸4 раза лучше теплопроводность, а термическое расшире­ние на 30 % меньше, чем у аустенитных сталей. Никелевые стали имеют мелкозернистую структуру, хорошо свариваются и значительно дешевле. Эти преимущества в сочетании с комплексом свойств определили их применение для изготовле­ния крупных стационарных изотермических резервуаров вместимостью до десятков тысяч кубических метров для хранения и танкеров для перевозки сжиженных газов. Внутренняя металлическая оболочка таких резервуаров эксплуа­тируется при температурах, близких к точке кипения сжиженного газа при атмосферном давлении:  –104 °С  для  этилена, –162 °С для метана, –165 °С для природного газа, –193 °С для кислорода. Недостаток никелевых сталей – посредственная стойкость против атмосферной коррозии, в необходимых случаях криоген­ную аппаратуру из этих сталей защищают покрытиями.

Аустенитные стали сохраняют высокую пластичность и вязкость при низких температурах, так как в них отсутствует мартенситное превращение. Недостаток аустенитных сталей – низкий предел текучести.

В большинстве случаев в качестве криогенных материалов применяют аустенитные Сг–Ni, Сг–Мn, Сг–Ni–Мn стали.

Нержавеющие хромоникелевые стали, содержащие 18¸20 % Сг и 8¸12 % Ni, сохраняют аустенитную структуру при охлаждении вплоть до криогенных температур, однако аустенит та­ких сталей нестабилен, т.е. способен претерпевать под влиянием пластической деформации мартенситное превращение, в результате которого в структуре могут возникать мартенситные фазы. Увели­чение содержания хрома и никеля в сталях типа 18–8 приводит к снижению температурного интервала мартенситного превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при дефор­мации. Аустенитные хромоникелевые стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре. Хромоникелевые стали для работы при криогенных температурах упрочняют холодной пласти­ческой деформацией, однако повышение прочностных характери­стик в результате деформации сопровождается снижением пласти­ческих свойств (рис. 4.13), особенно сильно у сталей с нестабильным аустенитом, содержащих 8¸10 % Ni.

В процессе холодной пластической деформации хромоникелевых аустенитных сталей наряду с образованием α-мартенсита возникает ε-мартенсит с ГПУ-решёткой. В тех случаях, когда требуется сохранить высокие механические свойства вплоть до температуры абсолютного нуля в отсутствие ферромагнитных  фаз,  при­меняют  хромоникелевые  стали  с  содержанием  18¸25 % Сг  и 14¸25 % Ni. Высокое содержание хрома и никеля в этих сталях делает аустенит стабильным, полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пласти­ческой деформации и при эксплуатации изделий.

 

 

Рис. 4.14. Влияние степени холодной пластической де­формации ε
на механические свойства стали 08Х18Н8 (А.В. Третьяков, В.И. Зюзин)

Влияние температуры испытания на механи­ческие свойства хромоникелевых аустенитных ста­лей показано на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Влияние температу­ры испытания на механические свойства
хромоникелевых аустенитных сталей: 08Х18Н10 (а); 08Х18Н20 (б) (А. П. Гуляев)

В стали 08X18Н20 со стабильным аустенитом наблюдается примерно одинаковый темп возрастания значений σ_0,2 и σ_в при понижении температуры испытаний. Иной характер температурной зависимости прочностных свойств присущ стали 08Х18Н10, претерпевающей в ходе низкотемпературной пластической деформации γ→ε→α превращение. Значения σ_0,2 при понижении температуры изменяются в стали 08Х18Н10 при­мерно так же, как и в стали 08X18Н20, а значение σ_в растёт значительно быстрее в первой стали бла­годаря сильному упрочняющему влиянию ε- и α-мартенситных фаз. Несмотря на монотонное снижение значений ударной вязкости хромоникелевых аустенитных сталей они сохра­няют вязкий излом и значения  КСU  не менее  1,0 МДж/м²  вплоть до температуры кипения  жидкого  гелия (–269 °С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустенитные хромоникелевые стали применяют до температуры –269 °С. Наряду со сталью 12Х18Н10Т иногда применяют специальные дисперсионно-твердеющие стали типа 10Х11Н23Т3МР и 10Х11Н20Т3Р.

Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали Аустенитные хромоникелевые стали из-за высокого содержания дефицитного никеля (до 20 %) достаточно дорогие. В связи с этим разработаны и используются криогенные стали, в которых никель частично или полностью заменён марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, сни­жая температуры точек М_н и М_д сталей. Поскольку марганец в определенных коли­чествах в противоположность никелю снижает энергию дефектов упаковки аустенита и обладает более слабым аустенитообразующим действием, хромомарганцевые стали более склонны к мартенситным превращениям, чем хромоникелевые. При полной замене никеля марганцем возрастает опасность хрупкого разрушения, свой­ственная многим марганцевым сталям при низких температурах. По этой причине, а также для повышения прочностных свойств аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом, а часто обоими элемента­ми совместно. Хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, можно рассмат­ривать как криогенные стали повышенной прочности, так как они имеют значи­тельно более высокие значения предела текучести при комнатной температуре, чем аустенитные хромоникелевые стали. В табл. 4.10 приведены механические свойства некоторых из наиболее распространённых Сг–Мn, Сг–Ni–Мn криогенных сталей. Аустенитные Сг–Мn,
Сг–Ni–Мn стали по прочностным и пластическим свойствам не уступают хромоникелевой стали 08Х18Н10. Благодаря более низкой стоимости хромомарганцевые стали могут успешно конкурировать с хромоникелевыми. При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклёпу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.

Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы Fe–Сг–Мn состоит обычно из закалки от 1050¸1150 °С с охлаждением в воде для фик­сации гомогенного твёрдого раствора.

Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомен­дуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже –196°С.

Таблица 4.10

Механические свойства (средние) хромоникельмарганцевых
 и хромомарганцевых аустенитных криогенных сталей

Марка стали	tзак,оС	tисп,оС	σв	σ0,2	δ	ψ	KCU, МДж/м2
		МПа			%
10Х14Г14Н4Т	1050	+20	900	290	50	69	2,7
(ЭИ711)		–196	1420	400	41	60	2,3
		–253	1500	500	22	14	2,1
07Х21Г7АН5	1150	+20	720	410	49	72	3,0
(ЭП222)		–196	1420	800	49	63	2,0
		–253	1570	1090	38	42	2,0
О3Х13АГ19	1050	+20	830	370	74	71	2,4
(ЧС-36)		–196	1440	750	46	39	1,6
		–253	1440	880	15	17	1,4

Инвар 36Н (36 % Ni, остальное Fе) отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК-структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации. Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.

Мартенситно-стареющие стали (например, Н18К9М5Т) используют для изготовления деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твёрдость.

⇐ Предыдущая22232425262728293031Следующая ⇒

Поделиться: