7. 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)

Марка  стали	Термообработка	s в, МПа	s 0,2, МПа	d , %	KCU, Дж/см2, при температуре, °С
					20	–40	–70
09Г2С 14Г2САФ	Состояние поставки	500	350	21	60	40	30
	Нормализация  при 930 °С	640	490	25	100	80	60
	Закалка—отпуск	590	410	32	200	140	120

Области применения хладостойких материалов приведена в таблице 7.2

Таблица 7.2Конструкционные низколегированные стали для сварных конструкций северного исполнения и основные области их применения

Марка  стали	ГОСТ по  химическому составу	Заменитель	Назначение и область применения
Конструкционная углеродистая качественная
Сталь 08	1050–88	10	Шайбы, патрубки, прокладки и другие неответственные детали — требования высокой пластичности, Т: –40…450 °С
Сталь 10	1050–88	08, 15, 08кп	Детали — требования высокой пластичности, Т: –40…450 °С; после ХТО — детали с высокой поверхностной твердостью при невысокой прочности сердцевины
Сталь 15	1050–88	10, 20	Болты, винты, крюки и другие детали — требования высокой пластичности,  Т: –40…450 °С; после ХТО — рычаги, кулачки, гайки и др. — требования высокой поверхностной твердости, высокой прочности сердцевины
Сталь 20	1050–88	15, 25	После нормализации или без ТО — крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников, Т: –40…450 °С под давлением; после ХТО — шестерни, червяки и другие: высокая поверхностная твердость при невысокой прочности сердцевины
Конструкционная низколегированная для сварных конструкций
09Г2	19281–89	10Г2С1, 09Г2С, 09Г2Д	Стойки ферм, верхние обвязки вагонов, хребтовые балки, двутавры и другие детали вагоностроения, детали экскаваторов, элементы сварных металлоконструкций и других деталей, Т: –40…450 °С
16ГС	19281–89	17ГС	Фланцы, корпуса и другие детали,Т: –40…450 °С под давлением, элементы сварных металлоконструкций, Т от: –70 °С
17ГС	19281–89	16ГС	Корпуса аппаратов, днища, фланцы и другие сварные детали, работающие под давлением, Т: –40…450 °С
17Г1С	19281–89	17ГС	Сварные детали, работающие под давлением, Т: –40…450 °С
09Г2С	19281–89	09Г2, 09Г2Д,  10Г2С1	Различные детали и элементы сварных металлоконструкций, Т:  –40…450 °С под давлением
16Г2АФ	19281–89	15Г2АФ,  14Г2АФ	Металлоконструкции, сварные фермы для изделий машиностроения
14ХГС	19281–89	15ХСНД, 14СНД, 16ГС, 14ГН, 16ГН	Сварные конструкции, листовые клапанные конструктивные детали
10ХСНД	19281–89	16Г2АФ	Элементы сварных металлоконструкций и различные детали: повышенная прочность, коррозионная стойкость с ограничением массы, Т: –40…450 °С
15ХСНД	19281–89	16Г2АФ, 15ГФ, 14ХГС, 16ГС	Элементы сварных металлоконструкций и различные детали: повышенная прочность, коррозионная стойкость с ограничением массы, Т: –40…450 °С
35ГС	5781–82	Ст5сп, Ст6,  Ст5пс	Для изготовления арматуры периодического профиля класса А–III диаметром от 6 до 40 мм
25Г2С	5781–82	–	Для изготовления арматуры периодического профиля класса А–III диаметром от 6 до 40 мм