Хладостойкие стали климатического холода. Основные требования к материалам

Лекция 4. Хладостойкие стали климатического холода. Основные требования к материалам Хладостойкие стали климатического холода. Основные требования к материалам. Марки материалов. Принципы выбора материалов для работы при низких температурах. Стали и сплавы криогенной техники. Основные требования к материалам. Марки материалов 4.1Принципы выбора материалов для работы при низких температурах. Основные требования к материалам. Под хладостойкостью материала понимают способность его сопротивляться деформации и разрушению при понижении температуры. Явление хладноломкости известно с конца 19 века, когда началось бурное строительство железных дорог. После внедрение в инженерную практику высокопроизводительной сварки и резкого роста числа аварий мостов, морских судов ( трещины по бортам и днищам), резервуаров для нефти, магистральных трубопроводов был проведен детальный анализ разрушений. Исследования показали, что разрушение начиналось в дефектных местах сварных швов. Зародыши трещин возникали в местах термического влияния сварки и зонах концентрации напряжений. Дальнейшие исследования показали, что механические свойства и работоспособность сталей применяемых для хладостойких конструкций зависят от многих факторов: типа кристаллической решетки, размера зерна, содержания легирующих элементов и примесей, формы и размера неметаллических включений. Сварка способствует росту зерна и дополнительному наводороживанию, что может также способствовать образованию трещин. Нагрев при сварке может вызывать фазовые превращения и выделение примесей по границам зерен. По результатам исследований были сформулированы принципы выбора сталей климатического холода: стали для этих условий должны обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению. Поэтому при выборе стали определяющими являются прочность при максимальной температуре эксплуатации ( обычно 200 С) и ударная вязкость( KCV) и пластичность при минимальной температуре. Также стали климатического холода должны обладать низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью( содержание углерода не должно превышать 0,2%), обрабатываться давлением, резанием, в литом состоянии – хорошими литейными свойствами. Для обеспечения высокой пластичности, вязкости и сопротивляемости хрупким разрушениям высокопрочные хладостойкие стали легируют Ni, Cu, Mn, Cr, Mo, N, применяют микролегирование V, Nb, Ti, используют специальные методы выплавки и рафинирования, обеспечивающие низкое содержание вредных примесей. Так уменьшение содержания серы приводит к росту значений ударной вязкости, а каждые 0,01%фосфора смещают порог хладноломкости в среднем на 10%. Никель упрочняет феррит и одновременно увеличивает его вязкость, также он увеличивает и прокаливаемость стали, измельчает зерно, снижает концентрацию примесей на дислокациях и уменьшает блокирования дислокаций примесными атомами внедрения. Из всех легирующих элементов Ni в наибольшей степени понижает хладноломкость стали. Медь также повышает прочность стали за счет упрочнения твердого раствора, дополнительно измельчает зерно, однако высокая концентрация меди (до 0,8% ) может привести к возникновению красноломкости. Хром несколько повышает прочность стали и при содержании до 1% увеличивает ее вязкость. Увеличение содержания хрома более 1,5% приводит к повышению порога хладноломкости. Азот с сильными нитридообразующими элементами (V, Nb, Ti), выделяясь из твердого раствора в виде нитридов, позволяет увеличит прочность стали, способствует измельчению зерна, не ухудшая ее хладостойкости. 4.2 Хладостойкие стали климатического холода, применяемые в России. Для повышения хладостойкости и свариваемости в качестве строительных сталей применяют феррито - перлитные стали с низким содержанием углерода с микролегированием сильными карбидообразующими элементами. К сталям этой группы относятся стали марок 09Г2С, 09Г2СД, 14Г2САФ,10ХСНД и др.(ГОСТ 19281-89) нормальной и повышенной прочности. Таблица 14.2.1 Механические свойства низколегированных свариваемых сталей марок 09Г2С, 14Г2АФ (лист толщиной до 20 мм) Марка стали Термообработка σв, МПа σ0,2, МПа δ, % KCU, Дж/см2, при температуре, ⁰C 20 -40 -70 09Г2С Состояние поставки 500 350 20 60 40 30 14Г2САФ Нормализация при 930 ⁰C 640 490 25 100 80 60 Закалка-отпуск 590 410 32 200 140 120 Стали типа 14Г2АФ, 16Г2АФ,14Г2САФ широко используются в нормализованном состоянии для изготовления газопроводных труб диаметром 1020 – 1420 мм. Металлургическая промышленность России поставляет хладостойкие судостроительные стали в виде толстолистового и горячекатаного проката ( табл.14.2.2), согласно ТУ 14-1-4603-89, с минимальным пределом текучести 355 - 390 МПа.  Таблица 14.2.2 Сортамент толстолистового проката Марка стали Толщина, мм , мм 10ГНБ-Ш ЮГНБ-СШ ЮХНДМ-СШ ЮХНДМ-Ш 10-40 12ХН2МД(АБ1) 12ХН2МД-Ш 10-100 10-70 12ХН3МД-Ш 12ХН4МД-Ш 70-130 70-130 ОН9-СШ 10-32 ОН9-Ш где СШ на конце маркировки - обработка синтетическим шлаком, Ш - электрошлаковый переплав. Марки и механические свойства зарубежных судостроительных сталей представлены в табл.14.2.3 Таблица 14.2.3 Механические свойства зарубежных судостроительных сталей Общество Прочность стали (класс) Марка стали σв, МПа σ0,2, МПа δ, % KCU, Дж/см2, при температуре, ⁰C -20 -40 МАКО Нормальная A B D E 400- 490 ≥235 ≥20 20 - ≥27,5 - - - - ≥27,5 - - - - ≥27,5 Повышенная A32 D32 E32 A36 D36 E36 470-590 ≥315 ≥22 ≥31,5 - - ≥34,5 - - - ≥31,5 - - ≥34,5 - - - ≥31,5 - - ≥34,5 490-620 ≥352 Норвежский регистр Нормальная A27 D27 E27 300-390 300-320 ≥264 - ≥22 - - - - ≥27,5 - - - ≥27,5 Повышенная A40 D40 E40 490-620 ≥390 ≥20 ≥39,0 - - - ≥39,0 - - - ≥39,0 4.3 Стали и сплавы криогенной техники Стали и сплавы для криогенной техники. Основные требования к материалам. Марки материалов. Стали для криогенной техники должны обеспечивать необходимую прочность в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжений и низкой склонностью к хрупкому разрушению. Учитывая технологию изготовления изделий таких как тонкостенные резервуары, трубы, сосуды и др., работающих при низких температурах, такие стали должны обладать хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. При снижении температуры показатели прочности повышаются, а ударная вязкость снижается. Одним из критериев хладостойкости является температура, при которой ударная вязкость достигает 0,3МДж/м2 Лучшими хладостойкими сталями являются аустенитные и мартенситно- стареющие стали. Эти стали сохраняют достаточную вязкость при рабочих температурах до -253…2690С. Для хранения сжиженных газов используются изотермические резервуары, имеющие наружную и внутреннюю металлические оболочки с эффективным утеплителем между ними. Хранение осуществляется при давлении, несколько превышающем атмосферное, и температуре, близкой к точке кипения газа при атмосферном давлении. Эта температура, при которой эксплуатируется внутренняя оболочка резервуара, составляет для этилена минус 104 °С, для метана минус 162 °С, для природного газа минус 165 °С, для кислорода минус 183 °С и для азота минус 196 °С. Вместимость применяемых в нашей стране изотермических резервуаров изменяется в пределах 300 - 60000 м3. Никелевые низкоуглеродистые свариваемые стали Материалы, используемые в конструкциях при указанных температурах, помимо высокой вязкости, необходимой для предотвращения хрупкого разрушения, должны обладать хорошей свариваемостью, достаточной прочностью, обрабатываемостью и не менять своих свойств в процессе изготовления конструкции и эксплуатации, а также быть экономически оправданными. Для этих целей возможно использование аустенитных нержавеющих сталей, алюминиевых, медных и никелевых сплавов. Однако наиболее эффективны стали с содержанием 6 и 9 % никеля. При легировании стали никелем с повышением его содержания до 10 - 13 % температура хрупкости монотонно снижается со средней интенсивностью 20 - 30 °С на 1 % Ni. Это влияние никеля, отличное от действия большинства других легирующих элементов, объясняли рядом причин: измельчением карбидов и более равномерным их распределением, уменьшением энергии взаимодействия атомов примесей внедрения (углерода и азота) с дислокациями и уменьшением их концентрации на дислокациях. Однако преобладает мнение, что основной причиной положительного влияния никеля на хладостойкость является сильное измельчение микроструктуры. Причем это измельчение обусловлено не только малыми размерами зерен, субзерен и других фрагментов микроструктуры, но, главным образом, наличием в ней устойчивых микровыделений остаточного аустенита. Оптимальные микроструктура и хладостойкость никелевых сталей достигаются после термической обработки, включающей закалку и последующий отпуск или нормализацию с последующим отпуском. Цель - получить мелкозернистую микроструктуру с максимальным содержанием остаточного аустенита. Вместе с тем этот аустенит должен быть устойчивым и не склонным к распаду на мартенсит при охлаждении до низких температур, а также дальнейшей эксплуатации. Микроструктура после термической обработки состоит из отпущенных продуктов низкотемпературных превращений: мартенсита и бейнита и тонких включений аустенита (10-12 %), расположенных по границам мартенситных реек и внутри них. В табл. 14.3.1 и 14.3.2 приведен химический состав и механические свойства отечественных хладостойких никелевых сталей марок ОН6 и ОН9. Сталь ОН6 дополнительно легирована ниобием. Таблица 14.3.1 Химический состав отечественных хладостойких сталей Таблица 14.3.2 Механические свойства отечественных хладостойких сталей За рубежом (в США и Японии) разными металлургическими фирмами разработаны и предлагаются потребителям никелевые стали, в которых содержится до 1 - 2 % Мп, до 0,4 % Мо, а также добавки хрома и меди в разных сочетаниях. Это дополнительное легирование позволяет снизить содержание никеля до 5-5,5% при сохранении хладостойкости на уровне стали с 9 % Ni. У нас и за рубежом для сварки никелевых сталей используют ручную электро-дуговую сварку покрытыми электродами, электродуговую сварку в среде защитных газов, а также полуавтоматическую и автоматическую сварку под слоем флюса. Основная проблема - получение металла шва с такой же хладостойкостью, что и у основного металла. Однако существуют и другие проблемы: различие в температурных коэффициентах линейного расширения металла шва и основного металла, поведение при коррозионном воздействии окружающей среды, возможность водородного охрупчивания и т.п. Обычно для сварки никелевых сталей используются присадочные материалы на основе высоконикелевых сплавов. В частности, в нашей стране, для ручной дуговой сварки стали марок ОН6 и ОН9 используются высоконикелевые электроды марок НИАТ-5 и ОЗЛ-25Б. Их недостатком является низкий предел текучести металла шва. В результате расчетные сопротивления для сварного соединения принимаются в 1,5-2 раза ниже, чем те, что могут быть приняты для основного металла. В отечественной практике проектирования металлоконструкций для криогенной техники сталь марки ОН6 используется до температуры хранения жидкого этилена (минус 104 °С), а сталь марки ОН9 - до температуры хранения жидкого природного газа (минус 165 °С). За рубежом стали указанных типов применяются до более низких температур. В государствах бывш. СССР для металлоконструкций, эксплуатируемых при более низких температурах, в частности, для внутренних оболочек резервуаров хранилищ жидких кислорода и азота использовались аустенитные стали. Химический состав и механические свойства одной из них - экономно легированной стали марки 10Х14Г14Н4Т также приведены в табл. 14.3.1 и 14.3.2. Однако, прочностные характеристики этих материалов значительно ниже прочностных характеристик никелевых сталей, что предопределяет их увеличенный расход Хромоникелевые аустенитные стали Хромоникелевые аустенитные стали благодаря сохранению высокой пластичности и вязкости вплоть дотемператур, близких к абсолютному нулю, высокой коррозионной стойкости и хорошим технологическим свойствам являются основным материалом во многих областях криогенной техники. Аустенитное состояние стали в широком температурном диапазоне стабилизируется благодаря введению в железо-хромистую основу достаточных количеств никеля. Стабильность аустенитной структуры зависит от химического состава и внешних условий, температуры и деформации. Под влиянием низких температур и деформации хромоникелевые аустенитные стали могут испытывать мартенситное превращение. Это приводит к увеличению твердости, снижает пластичность и вязкость стали. В зависимости от содержания основных легирующих элементов различают два типа хромоникелевых сталей: 1) стали, претерпевающие заметное мартенситное превращение при охлаждении и деформации; 2) стали, в которых это превращение почти полностью подавлено. Аустенитные стали, в которых имеет место заметное мартенситное превращение, содержат 18-20 % хрома и 8-12 % никеля. К ним относятся стали марок 04X18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н8,12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т. При необходимости полного подавления мартенситного превращения и сохранения аустенитной структуры вплоть до самых низких температур используют хромоникелевые стали, содержащие 18-25 % хрома и 16-25 % никеля. Все хромоникелевые аустенитные стали благодаря высокому содержанию хрома имеют высокую коррозионную стойкость. Однако при повторных нагревах, например при сварке, из-за образования карбидов хрома по границам зерен и обеднения границ хромом эти стали склонны к межкристаллитной коррозии. Лист нержавеющей стали, подвергшийся действию межкристаллитной коррозии, при постукивании не издает металлического звука и легко разрушается под действием небольших нагрузок. Склонность к межкристаллитной коррозии может быть устранена снижением содержания углерода и введением сильных карбидообразующих элементов: титана и ниобия. Хромоникелевые аустенитные стали отличаются высокой технологичностью. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях. В холодном состоянии они допускают глубокую вытяжку. Эти стали хорошо подвергаются пайке и свариваются. После сварки хромоникелевые аустенитные стали, содержащие малое количество углерода (< 0,04 %) или стабилизированные титаном, не образуют охрупченных околошовных зон и не требуют термообработки после изготовления конструкций. Для сварки обычно используют присадочную проволоку Св-04Х19Н9. Пайку производят серебряными припоями типа ПСр40, оловянно-свинцовыми и свинцово-кадмиевыми припоями. Из всех низкотемпературных припоев последние обладают наиболее высокой прочностью при большом запасе пластичности.Термообработка аустенитных хромоникелевых сталей проста и заключается в закалке в воде от температуры 1050-1150 °С. Быстрое охлаждение не дает выделиться карбидам и фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Предотвращение выделения карбидов позволяет сохранить коррозионную стойкость и пластичность сталей этого класса. Хромоникелевые аустенитные стали сохраняют высокую вязкость после значительного пластического деформирования. Они нечувствительны к эффектам старения во времени, и их ударная вязкость остается на высоком уровне даже после многолетней эксплуатации в условиях низких температур. Эти стали характеризуются высокими значениями вязкости разрушения в широком температурном диапазоне. Сталь 12Х18Н10Т, характерная для этого класса сталей, обладает высоким сопротивлением ползучести, термической усталости под нагрузкой и высокой усталостной прочностью. При температуре -196 °С (77 К) накапливаемая пластическая деформация при расчетном напряжении 130-140 МПа для десятилетнего срока эксплуатации не превышает 0,2 %. При температуре -253 °С (20 К) напряжение 200 МПа вызывает крайне незначительную деформацию - 0,02 %, находящуюся на грани точности измерений и практически не изменяющуюся во времени. Лишь напряжение 500 МПа дает начальную пластическую деформацию 0,5 %, увеличивающуюся при продолжительности испытания 100 ч до 0,7%. Однако даже при таком высоком уровне напряжений для рассматриваемой стали суммарная деформация за период эксплуатации не превышает 2 %. Изделия из сталей этого типа характеризуются высокой эксплуатационной надежностью при длительном статическом нагружении в области низких температур. Кроме того, для этих сталей характерна относительно малая чувствительность к многократно повторяемым охлаждениям и отогревам под нагрузкой. При испытании образцов с концентраторами напряжений снижение исходного напряжения до значения, равного 0,85 от их временного сопротивления разрыву, позволяет избежать разрушений при числе циклов более 103. В последние годы разработано большое количество сталей для криогенной техники, в которых для стабилизации у-твердого раствора никель полностью или частично заменен марганцем. Хромоникелевые аустенитные стали ранее других сталей начали использовать в криогенной технике и они до сих пор сохранили свое значение. Основными областями их применения являются производство, хранение и транспортировка криогенных жидкостей, экспериментальная физика, ракетно-космическая техника. Для изготовления криогенных емкостей и трубопроводов применяют стали с различной стабильностью аустенита. В экспериментальной физике обычно используют хромоникелевые стали с содержанием никеля не менее 15 %, обладающие высокой стабильностью аустенита. В сталях этого назначения недопустимы даже небольшие количества ферромагнитных фаз при температурах эксплуатации, близких к абсолютному нулю. Хромоникельмарганцевые аустенитные стали криогенной техники Высокая стоимость никеля привела к созданию сталей, в которых никель полностью или частично заменен марганцем, также являющимся стабилизатором аустенита. Проведенными исследованиями было установлено, что для обеспечения однофазной аустенитной структуры сплавов железо-хром-марганец после закалки от 1200 °С содержание марганца должно быть более 8 %, содержание хрома при этом не должно превышать 15 %. Однако в результате охлаждения стали такого типа до температуры -196 °С (77 К) происходит распад у-фазы с образованием мартенситных фаз. Для обеспечения стабильной при охлаждении -196 °С у-фазы содержание марганца должно быть не менее 27 %. В США для работы при температуре до -196 °С рекомендуют сталь следующего химического состава: Мп - 15-20 %; Сг - 14- 18 %; Си - до 3 %. Введение меди также обусловлено необходимостью стабилизации аустенита. Суммарное содержание углерода и азота составляет 0,075 (Сг - 12,5) % или 0,11 % при минимальном содержании хрома. После закалки от температуры 1180°С предел текучести стали при 20 °С составляет 360 МПа, временное сопротивление разрыву 880 МПа при относительном удлинении 45 %. В Англии для криогенной техники запатентована сталь, содержащая 17-26 % марганца, 15 % хрома, до 3 % кремния, 0,045- 0,08 % углерода. Разработана также сталь, содержащая 16 % хрома, 10 % марганца, 3 % меди, имеющая свойства, близкие к свойствам указанной выше стали. Во Франции для работы при низких температурах предложена аустенитная коррозионностойкая сталь следующего химического состава: Сг - 12-16 %; С - 0,02-0,3 %; Мп - 8-17 %; Si -0,1 -3 %; N-0,05-0,3 %. В Чехии для температур до -196 °С рекомендуется аустенитная хромо-марганцевая сталь, содержащая 0,05-0,12 % углерода. Для листов толщиной до 30 мм гарантируется предел текучести более 350 МПа при 20 °С и ударная вязкость на образцах с ключевым надрезом 50 Дж/см2 при -196 °С. Стали подобного типа разработаны также в Германии и Японии. В результате исследования раздельного и совместного влияния марганца и хрома на механические свойства при низких температурах выявлено, что оптимальными являются стали, содержащие 12- 14 % хрома и 17-20 % марганца. Однако стали на только хромомарганцевой основе в циклически нагруженных сварных конструкциях работоспособны, по-видимому, до температур не ниже -140 °С (130 К). Более перспективными являются аустенитные стали, в которых присутствует никель. Как показывают эксперименты по оценке работоспособности при усталостном нагружении, содержание никеля для промышленных сталей должно быть не менее 3-4 %. Сопоставление циклической прочности при 20 °С сварных соединений сталей 10Х14Г14Н4Т и 12Х18Н10Т показало их фактическую идентичность). Сталь 10Х14Г14Н4Т, обладая высокой вязкостью, исключающей хрупкое разрушение при сложных условиях нагружения, имеет, как и сталь 12Х18Н10Т, относительно невысокий предел текучести при 20 °С (σ0,2 > 250 МПа), слабо увеличивающийся при переходе к температурам -196 °С (77 К).