Хладостойкие материалы. Свойства, группы и область применения

Хладостойкими называют материалы, сохраняющие достаточную вязкость при низких температурах от 0 до –269 °С (273–4 К). Воздействию низких температур подвергаются все термически незащищенные элементы стальных металлоконструк­ций и обшивки подвижного состава, строительные конструкции, автомобили, вагоны в северных районах страны, охлаждаемые до температур климатического холода (–80 °С), специальное оборудование и пр.

Важнейшее тре­бование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы – отсутствие хладноломкости. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК и ГП решетками. Для на­дежной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации.

Кроме критериев хладостойкости (t₅₀ и t_{KCU = 0,3}) основанием для выбора материала служат также показатели прочности (s_В, s_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, теплоемкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем ниже термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоемкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании.

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 распространенными 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 решеткой и сплавов на основе титана.

Для повышения хладостойкости и свариваемости строительных сталей применяют малоперлитные стали с низким содержанием углерода с микролегированием сильными карбидообразующими элементами. Кроме того, используют стали, легированные малыми добавками азота в сочетании с различными сильными нитридообразующими элементами. В качестве таких элементов чаще всего применяют ванадий, алюминий, ниобий и титан. Выделение азота из твердого раствора в виде нитридов уменьшает его охрупчивающее действие. Это позволяет увеличить прочность стали и, способствуя измельчению зерна, не ухудшает ее хладостойкости.

К сталям этой группы относятся стали марок 09Г2, 09Г2С, 09Г2СД, 16Г2АФ, 14Г2АФ, 14Г2САФ и др. Из-за дефицитности никеля его применение в сталях этого типа ограничено. Стали типа 14Г2АФ, 16Г2АФ и их варианты 14Г2САФ, 16Г2САФ широко используются в нормализованном состоянии для изготовления газопроводных труб диаметром 1020–1420 мм. Их прочность s _в = 560–600 МПа, а ударная вязкость при –60 °С в случае снижения содержания серы до 0,01 % составляет 60 Дж/см².

Механические свойства при 293 К, а также значения ударной вязкости при 233 и 203 К листового проката толщиной 10–25 мм из двух марок стали этой группы приведены в табл. 7.1.

Хром несколько повышает прочность стали и при содержании до 1 % увеличивает ее вязкость. Увеличение концентрации хрома более 1,5 % приводит к повышению порога хладноломкости.

Прочность стали может быть повышена при легировании медью за счет упрочнения твердого раствора, дополнительного измельчения зерна, а при более высоких концентрациях (до 0,8 %) — за счет дисперсионного упрочнения. Одновременно может быть снижена критическая температура хрупкости. Однако стали с медью пока не получили широкого распространения из-за опасности возникновения красноломкости.

Из всех легирующих элементов в наибольшей степени никель понижает хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге, имеют близкое кристаллическое строение решеток. Никель не является карбидообразующим элементом, он находится в твердом растворе в феррите или аустените. Никель упрочняет феррит и одновременно увеличивает его вязкость. Никель увеличивает прокаливаемость стали, измельчает зерно, а также снижает концентрацию примесей на дислокациях и уменьшает блокирование дислокаций примесными атомами внедрения.

Таблица 7.1.Механические свойства низколегированных свариваемых сталей марок 09Г2С, 14Г2АФ (лист толщиной << 0,20 мм)