11. Хладостойкость

Хладостойкость- это способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.

Механические свойства и хладостойкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

1) измельчением зерна;

2) упрочнением феррита атомами легирующих элементов и примесей, образующими твердые растворы внедрения и замещения;

3) упрочнением выделениями частиц второй фазы различной степени дисперсности.

Углерод, хотя и способствует эффективному упрочнению, резко снижает вязкость и пластичность стали, способствуя повышению хладностойкости. Принято считать, что увеличение содержания углерода в стали на каждые 0,1 % повышает порог хладностойкости на 20 ^оС.

Снижение содержания углерода предотвращает образование при сварке в зоне термического влияния хрупких закалочных мартенситных структур. В свариваемых хладостойких сталях содержание углерода должно быть ниже 0,2 %, и в структуре должно быть мало перлита (малоперлитные стали).

Из всех легирующих элементов никель в наибольшей степени понижает хладноломкость стали. Никель и железо полностью растворимы друг в друге, имеют близкое строение кристаллических 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. Введение 1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 ^оС, а увеличение содержания серы от 0,02 до 0,05 % более чем в два раза снижает ударную вязкость при –40 °С.

Увеличение содержания кремния более 0,8 % приводит к резкому снижению ударной вязкости. Кремний и марганец во всем исследованном диапазоне концентраций значительно повышают твердость феррита.

Резко отрицательное действие на хладостойкость оказывают вредные примеси: фосфор и сера. Растворяясь в феррите, фосфор заметно искажает кристаллическую решетку твердого раствора и повышает температуру перехода в твердое состояние. Охрупчивающее влияние фосфора усиливается при обогащении им межзеренных границ благодаря развитию ликвационных процессов.

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

Из вышесказанного, обращая внимание на химический состав стали 20ХГР, можно сказать, что сталь 20ХГР склонна к отпускной хрупкости.

Рисунок 3. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 200 °С, охлаждение в масле; HRC = 45.

Рисунок 4. Ударная вязкость стали 20ХГР от температуры при закалке с 860 °С в масле, отпуск при 500 °С, охлаждение в масле; HRC = 31.