13. Хладостойкие стали и сплавы

(Ю.П. Солнцев)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Явление хладноломкости, т.е. хрупкого разрушения, связанного с действием низких температур, впервые стало предметом широкого обсуждения в связи с бурным строительством железных дорог в конце XIX века.

После замены пудлингового способа производства на бессемеровский и мартеновский было отмечено, что рельсы, изготовленные из литого металла, внезапно разрушались при понижении температуры. Уже тогда была признана актуальной проблема хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и выработки мероприятий по ее устранению.

После введения в инженерную практику такого производительного технологического процесса, как сварка, участились крупные аварии сварных железнодорожных мостов, морских судов, резервуаров для хранения нефти, магистральных газопроводов. При этом аварии чаще проходили в высоких широтах в зимнее время года при совместном действии низкой температуры и ветра. Анализ разрушений показал, что почти в половине случаев разрушение начиналось в дефектных местах сварных швов. Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в связи с освоением арктических и антарктических районов.

Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко падает. Анализ работы автохозяйств арктической зоны показал, что в зимнее время срок службы автомобилей обычного типа по сравнению с зоной умеренного климата сокращается в два раза, а аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, выводят из строя до 25 % парка машин. Число поломок горных экскаваторов и бульдозеров в Сибири в зимние месяцы возрастает в 2,7–7 раз. При этом особенно опасным является период пуска машин в работу после остановки.

При понижении температуры наблюдаются аварии газо- и трубопроводов, мостов, резервуаров, нефтехранилищ. В период зимнего отстоя судов наблюдается возникновение трещин по бортам и днищу, а также случаи полного разрушения судов. Зародыши трещин, как правило, располагаются в разупрочненных местах термического влияния сварки и зонах концентрации напряжений.

Для последних лет характерно бурное развитие холодильного машиностроения, производства кондиционеров и криогенной техники.

Стимулом для развития криогенной техники явилось осуществление космических и ядерных программ. Криотехника имеет огромные перспективы в различных хозяйственных и научных отраслях. Важнейшим фактором дальнейшего развития техники низких температур является создание материалов, пригодных для работы в этих условиях.

Конструирование и выпуск хладостойкой и криогенной техники должны быть основаны на глубоком знании поведения материалов при низких температурах, надежных методах оценки работоспособности и долговечности материалов, научно обоснованных рекомендациях по выбору материалов.

Под хладостойкостью материала понимают способность его сопротивляться деформации и разрушению при понижении температуры.

Особенностью низкотемпературной службы является ужесточение требований к материалу по пластичности и вязкости. Определенную сложность представляет выбор необходимого уровня пластических и вязких свойств. Обычно минимальная рабочая температура определяется температурой вязко-хрупкого перехода, при которой вязкость падает до неприемлемо малых значений.

Эту характеристику можно оценивать, в частности, задавая требуемый уровень ударной вязкости или долю вязкой составляющей в изломе и определяя соответствующие критические температуры, например температуры, соответствующие KCV = 20 и KCU = 30 Дж/см² или F_в = 50 %.

Однако вид излома в некоторых случаях не дает объективной оценки критической температуры хрупкости. При испытании аустенитных сталей излом сохраняет вязкий характер во всем температурном диапазоне. Объективная оценка вида изломов высокопрочных сталей типа 20ХГНР также затруднена, так как излом, как правило, имеет однородный матовый или бархатистый характер.

Проведение испытаний на динамический изгиб образцов с концентратором напряжений позволяет дополнительно учесть влияние скорости нагружения и получить при этом более высокие критические температуры большинства сталей.

Использование вместо образцов типа Менаже (R = 1 мм) образцов с более острым надрезом типа Шарпи (R = 0,25 мм) или с инициированной усталостной трещиной позволяет более надежно выявить критическую температуру хрупкости.

Сложность количественной оценки влияния различных конструкторско-технологических факторов, размеров деталей, уровня остаточных напряжений, вида напряженного состояния и условий нагружения на надежность машин и конструкций затрудняют создание нормативных рекомендаций по применению материалов для работы в конкретных условиях.

По хладостойкости металлические материалы, используемые при низких температурах, условно могут быть разбиты на четыре основные группы:

1. Металлы и сплавы, характеристики механических свойств которых позволяют использовать их до –60 °С. Они являются основными конструкционными материалами холодильного машиностроения. Их используют также для изготовления изделий так называемого северного исполнения. К этой группе относятся качественные углеродистые и низколегированные стали ферритного и перлитного классов с ОЦК решеткой.

2. Ко второй группе относятся сплавы, сохраняющие вязкость и пластичность при охлаждении до 170 К. Это стали с 0,2–0,3 % С, дополнительно легированные Ni, Cr, Ti, Mo. К этой группе относятся, например, низкоуглеродистые ферритные стали с 2–5% Ni, используемые при температурах 210–150 К.

3. К третьей группе относятся сплавы, способные без ухудшения свойств выдерживать температуры до 77 К (температура кипения жидкого азота). Сюда относятся стали типа 12Х18Н10Т, 0Н9А, большинство сплавов на основе Al, Ti, Cu, не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению. Для ненагруженных конструкций с целью экономии Ni применяют Cr—Mn и Cr—Ni—Mn стали типа 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ЧС36), 07Х21Г7АН5 (ЭП222).

4. К четвертой группе относятся сплавы, используемые для работы при температуре ниже 77 К. К этой группе принадлежат материал, используемые в космической технике, производстве и потреблении водорода, экспериментальной физике. Для работы при таких температурах пригодны лишь высоколегированные коррозионностойкие стали типа 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), 03Х20Н16АГ6, некоторые бронзы, никелевые, алюминиевые сплавы, легированные Mg, и сплавы титана.

ХЛАДОСТОЙКИЕ СТАЛИ КЛИМАТИЧЕСКОГО ХОЛОДА

Стали являются основным конструкционным материалом для изготовления механизмов, машин и конструкций, работающих при низких температурах. Стали для этих условий должны обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, обладать малой чувствительностью к концентраторам напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению.

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 и криогенном машиностроении, зависят от многих факторов. К ним прежде всего относится тип кристаллической решетки, размер зерна и состояние его границ, содержание легирующих элементов и примесей, форма и размеры неметаллических включений. Насыщение металла водородом увеличивает хрупкость стали. Сварка способствует росту зерна и дополнительному наводораживанию, что увеличивает хладноломкость сварных соединений. Кроме того, нагрев при сварке может способствовать фазовым превращениям и выделением примесей по границам зерен, что также повышает хрупкость стали.

Хладостойкость стали при наличии дефектов типа трещин

На практике при низких температурах могут наблюдаться хрупкие разрушения при напряжениях ниже предела текучести. Это происходит потому, что в металле всегда имеются трещины или трещиноподобные дефекты. Они являются концентраторами напряжений и инициируют разрушения.

Для оценки несущей способности изделий, ослабленных трещинами, используют подходы механики разрушения, позволяющие определить характеристики трещиностойкости.

Трещиностойкость можно оценивать при разных видах нагружения: статическом, динамическом, циклическом, длительном статическом.

Чаще всего используют оценку трещиностойкости при статическом нагружении для стадии старта трещины. Для оценки условий старта трещины нормального отрыва при максимальном стеснении пластической деформации при вершине трещины используют критический коэффициент интенсивности напряжений K_Ic или, при меньшей толщине образца, K_c— условный коэффициент интенсивности напряжений. Эти характеристики часто называют вязкостью разрушения. Они связывают допустимые напряжения в конструкции при наличии трещин определенной длины:  , где σ — среднее приложенное напряжение; с — полудлина трещины. Отсюда размерность K [МПа · м^1/2].

Влияние температуры на статическую трещиностойкость ряда марок стали, определенную на компактных образцах толщиной 50 мм с внецентренным растяжением приведено на рис. 13.1.

Знание характеристик вязкости разрушения позволяет определить максимально допустимые напряжения в конструкции при наличии трещин определенной длины.

Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения K_c и K_Ic, чем высокопрочные. С понижением температуры вязкость разрушения резко падает (рис. 13.2).

Рис. 13.1. Влияние температуры на статическую трещиностойкость сталей 20ХГНР (1), 22К (2), 38Х2НМА (3), ОН6А (4) и 12Х18Н10Г (5):  сплошные линии — K_Ic; пунктирные линии — K_c

Рис. 13.2. Температурная зависимость предела  текучести и вязкости разрушения деформированной высоколегированной конструкционной стали

Известно, что литая сталь отличается от деформированной более сильной исходной поврежденностью в виде микропор, раковин и трещин. Она имеет более крупное первичное зерно и его измельчение представляет более сложную задачу. Разнозернистость литой структуры также более выражена. Термическая обработка отливок по обычным режимам не устраняет в полной мере структурные особенности литого металла.

Рис. 13.3. Зависимость предела трещиностойкости K_c, от предела текучести σ_0,2 литейных сталей:  1 — K_c; 2 — K_c = K_Ic

Хотя литейные стали существенно различаются по структуре, была сделана попытка построить единую зависимость (рис. 13.3) их предельной трещиностойкости от предела текучести при различных видах разрушения: вязких (I), квазихрупких (II) и хрупких (III). Для построения зависимости литые стали разных марок с различной прочностью (σ_0,2 = 270–1000 МПа) испытывали на статическую трещиностойкость по стандартной методике на машине «Инстрон-1255». Испытаниям на внецентренное растяжение подвергали компактные образцы толщиной 25 мм. По результатам испытаний при температурах от 20 до –70 °С рассчитывали предел трещиностойкости K_c, а при выполнении условий корректности — K_Ic.

Диаграмму предельной трещиностойкости условно можно разделить на три участка: 1) σ_0,2 < < 500 МПа; 2) σ_0,2 = 500–800 МПа; 3) σ_0,2 > 800 МПа. На первом участке с повышением прочности литейной стали трещиностойкость растет. К этой группе сталей относятся, в основном, низкоуглеродистые экономнолегированные стали со структурой, состоящей из смеси феррита и перлита, и имеющие вязкий характер разрушения. Основным путем повышения трещиностойкости этих сталей является повышение прочности. На втором участке диаграммы трещиностойкость с повышением прочности снижается, что связано с переходом от вязкого разрушения к хрупкому. К этой группе в основном относятся среднелегированные более легированные стали со структурой, состоящей из смеси сорбита и бейнита или сорбита после закалки и высокого отпуска. На третьем участке трещиностойкость сталей резко снижается, что связано с заметным снижением пластичности и определяется критическими значениями коэффициента интенсивности напряжений, которые имеют тенденцию к стабилизации. К третьей группе относятся износостойкие стали с хрупким разрушением после закалки и низкого отпуска, имеющие структуру отпущенного мартенсита.

Основным путем повышения трещиностойкости сталей второй и третьей групп является повышение пластичности при сохранении заданного уровня прочности. Далее будет показано, что основными методами повышения пластичности этих сталей являются: оптимизация их химического состава, снижение содержания вредных примесей, совершенствование процесса конечного раскисления, модифицирование металла с помощью комплексных лигатур с ЩЗМ и РЗМ, выбор рационального режима термической обработки, измельчение зерна.

Таким образом, оптимальными с точки зрения максимальной трещиностойкости и хладостойкости являются литейные стали, имеющие предел текучести 300-800 МПа, так как они обладают рациональным сочетанием характеристик прочности и пластичности. Стали с пределом текучести < 300 МПа не могут быть использованы в качестве хладостойких в связи с низкими характеристиками прочности. Стали с пределом текучести > 800 МПа обладают низкой хладостойкостью вследствие пониженной пластичности. Эти стали в условиях низких температур могут быть, по-видимому, использованы, в основном, в качестве износостойких.

Схема вязко-хрупкого перехода

Влияние температуры на характер разрушения хорошо иллюстрируется схемой вязко-хрупкого перехода, предложенной А.Ф. Иоффе и развитой Н.Н. Давиденковым (рис. 13.4). Согласно этой схеме характер разрушения определяется соотношением значений сопротивления сдвигу (предела текучести σ_т) и сопротивления отрыву σ_отр (сопротивления микросколу).

Температурные зависимости σ_т и σ_отр имеют различный характер:  _т =  ₀ + kd ^–1/2. При понижении температуры напряжение трения решетки  _т = =  ₀= Be^– Т (В, β — постоянные) возрастает, что ведет к росту предела текучести. Сопротивление отрыву (микросколу)  _отр = (4G /k)d ^–1/2 мало зависит от температуры. Температура пересечения этих зависимостей является критической температурой хрупкости, соответствующей смене механизма разрушения с вязкого на хрупкий.

Рис. 13.4. Схема вязко-хрупкого перехода  по Иоффе–Давиденкову:  1 — разрушающее напряжение или сопротивление отрыву;  2 — напряжение течения или сопротивления сдвигу;  Т_кр — критической температурой хрупкости

Влияние различных факторов на хладноломкость металлов

Факторы, влияющие на хладноломкость металлов, можно разделить на 4 основные группы.

1. Внешние факторы: температура, условия и скорость нагружения.

2. Внутренние металлургические факторы: тип кристаллической решетки, химический состав, структура и размер зерна, загрязненность металла неметаллическими включениями, метод выплавки.

3. Конструктивные факторы: масштабный эффект, концентраторы напряжений.

4. Технологические факторы: состояние поверхности, остаточные напряжения, обусловленные технологией изготовления.

Внешние факторы

Помимо температуры, на сопротивление стали разрушению влияет характер приложения нагрузки. Как правило, повышение скорости нагружения способствует снижению сопротивления разрушению. При этом снижаются значения трещиностойкости и повышаются температуры вязко-хрупкого перехода. Известно, что аварии судов на море происходили при совместном действии низких температур и сильного волнения — штормовой погоды.

Внутренние металлургические факторы

Влияние структуры. Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллической структуры металла.

Металлы с кристаллической решеткой объемноцентрированного куба (стали на основе α-железа, вольфрам, хром, молибден и др.), а также некоторые металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (цинк, кадмий, магний) относятся к хладноломким металлам. Титан, хотя и имеет решетку ГП, но сохраняет пластичность и при низких температурах. Металлы с решеткой гранецентрированного куба (аустенитные стали, медь, алюминий, никель) не склонны к хладноломкости.

Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей с ОЦК-решеткой. Механические свойства и разрушение сталей зависят от структуры, которая в первую очередь определяется химическим составом, размером действительного зерна и состоянием его границ, видом и характером неметаллических включений.

Влияние легирующих элементов на свойства стали обусловлено их действием на измельчение зерна, упрочнение феррита за счет образования твердых растворов внедрения и замещения, упрочнением за счет выделения частиц второй фазы различной степени дисперсности и изменением прокаливаемости.

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

Углерод повышает порог хладноломкости сталей и уменьшает ударную вязкость при температурах выше критической температуры (рис. 13.5). Увеличение в отожженной и нормализованной стали содержания углерода на 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 °С.

Рис. 13.5. Влияние содержания углерода, % (цифры на кривых) на хладноломкость стали

На рис. 13.6 приведена зависимость критической температуры хрупкости, соответствующей уровню KCT = 20 Дж/см² от содержания углерода в нормализованной стали. С увеличением содержания углерода критическая температура непрерывно растет, но этот рост замедляется в интервале концентраций от 0,13 до 0,23 %. Влияние содержания углерода на хладостойкость стали тесно связано с появлением в структуре, наряду с ферритом (Ф), более хрупкого перлита (П).

Таким образом, для получения хладостойких сталей необходимо снижать концентрацию углерода. При этом одновременно улучшается свариваемость стали. Присутствие некоторого количества перлита в структуре необходимо для обеспечения достаточного уровня прочности стали. В конструкциях, работающих в условиях низких температур, целесообразно использование малоперлитных сталей, содержащих 0,10–0,25 % С.

Рис. 13.6. Зависимость критической температуры хрупкости, соответствующей КСТ = 20 Дж/cм² (а),  и количества структурных составляющих (б) от содержания углерода в стали

Легирующие элементы оказывают влияние на свойства феррита, положение критических точек в стали, кинетику γ ↔ α-превращения и размер зерна.

Одновременное повышение твердости, прочности и ударной вязкости обеспечивает никель во всем диапазоне концентраций и марганец в количестве до 2,0 %. Хром мало влияет на твердость феррита, но при содержании до 1,5 % увеличивает его вязкость. Увеличение содержания кремния более 0,8 % приводит к резкому снижению ударной вязкости. Кремний и марганец во всем исследованном диапазоне концентраций значительно повышают твердость феррита. Введение в сталь марганца до 2 % и кремния до 0,8 % приводит к заметному упрочнению ферритной матрицы, почти не ухудшая ее пластичности и вязкости.

Влияние микролегирования и размеров зерен на хладостойкость. Большое влияние на характер разрушения оказывает размер зерна стали. При измельчении зерна растет предел текучести и одновременно снижается температура перехода в хрупкое состояние. Увеличение средних размеров зерен малоперлитной низколегированной стали от 15 до 50 мкм за счет изменения режима аустенитизации и скорости охлаждения приводит к повышению критической температуры на 60 °С и снижению ударной вязкости на 40–50 Дж/см².

Согласно схеме вязко-хрупкого перехода, размер зерна влияет как на предел текучести, так и на сопротивление отрыву (рис. 13.7). У мелкозернистого металла предел текучести меньше сопротивления отрыву. Чем мельче зерно, т. е. больше параметр d ^–1/2, тем больше   =  _отр –  _т, т.е. меньше опасность хрупкого разрушения. Хрупкое разрушение будет иметь место, если размер зерен больше d_кр.

Рис. 13.7. Влияние диаметра зерна на предел текучести σ_т и разрушающее напряжение σ_отр образцов из мягкой стали, испытанных на растяжение при 77 К

Для одновременного повышения прочности и хладостойкости стали широко применяют микролегирование сильными карбонитридообразующими элементами. С этой целью используют металлы IV и V групп: ванадий, ниобий, титан и цирконий. Карбонитриды обусловливают дисперсионное упрочнение, измельчение зерна аустенита и действительного зерна стали. Наиболее эффективное действие карбонитридов на свойства стали достигается при таком содержании легирующих элементов и температуры аустенитизации, при которых в раствор переходит упрочняющая фаза в количестве, достаточном для последующего дисперсионного упрочнения, а нерастворенной остается такое ее количество, которое необходимо для создания эффективных барьеров, тормозящих рост зерен при нагреве.

Опыт эксплуатации микролегированных сталей показал, что оптимальной является концентрация ванадия до 0,12 %, ниобия — до 0,06 %, титана — до 0,04 %. При большей концентрации малорастворимые примеси диффундируют к границам зерен, являющимся областями с меньшей плотностью, обогащают их и охрупчивают.

Кинетика растворения при нагреве и последовательность выделения карбонитридов ванадия и ниобия в аустените происходит при более высокой температуре, чем соединение ванадия. Полное растворение карбонитридов ванадия заканчивается при 800–900 °С, а карбонитридов ниобия при температурах около 1100 °С. Этим объясняется преимущественное микролегирование ванадием литейных хладостойких сталей, подвергающихся нагреву при термообработке до 900–950 °С, в то время как для ниобийсодержащих сталей необходим нагрев до 1100 °С, что достигается при обработке давлением. (Подробнее влияние карбонитридного упрочнения рассмотрено в главе 5).

Исследование влияния микролегирования ванадием на свойства проводили на литейных сталях 20Л и 20ФЛ после нормализации при 900 °С с выдержкой в печи 2 ч (табл. 13.1).

Таблица 13.1