Хладостойкие стали. Хладостойкость сталей климатического холода

Механические свойства и хладноломкость 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 хладноломкости. Принято считать, что увеличение содержания углерода в стали на каждые 0,1 % повышает порог хладноломкости на 20 К (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Влияние содержания углерода на хладноломкость стали

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).

Введение в углеродистую сталь до 2 % марганца и до 0,8 % кремния упрочняет ферритную матрицу благодаря образованию твердого раствора замещения. Легирование марганцем измельчает зерно и увеличивает вязкость феррита, что повышает величину работы распространения трещины при низких температурах. Легирование стали малыми добавками титана, ниобия и ванадия позволяет получать мелкодисперсные выделения второй фазы типа VC, TiC, Nb(C,N), V(C,N), эффективно упрочняющие матрицу. Эти же элементы способствуют измельчению зерна и снижают склонность стали к его росту. На границах зерен образуются дисперсные частицы карбидов и карбонитридов ниобия, титана и ванадия, тормозящие рост зерен при нагревании. Увеличение содержания этих элементов более 0,15 %, хотя и увеличивает прочность, но одновременно повышает склонность стали к хрупкому разрушению.

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.

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 o_в = 560 – 600 МПа, а ударная вязкость KCU при –60°С (213 К) в случае снижения содержания серы и фосфора до 0,01 % составляет 60 Дж/см².

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 К.

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

Сталь 09ХГ2НФБ в результате контролируемой прокатки с последующим регулируемым охлаждением в процессе прокатки на стане имеет преимущественно бейнитную структуру с небольшим количеством мелкозернистого феррита, упрочненного дисперсными частицами карбонитридных фаз V и Nb. При o_0,2 > 700 МПа и o_в > 900 МПа ее b₅ = 20,5 %. При –60°С ударная вязкость KCU = 104 Дж/см², а критическая температура хрупкости Т₅₀ = –100°С. Сталь хорошо сваривается и может быть использована в сварных конструкциях ответственного назначения в строительстве и машиностроении.

Введение молибдена в количествах до 0,5 % существенно снижает порог хладноломкости. Молибден оказывает сдерживающее влияние на диффузионную подвижность фосфора и уменьшает отпускную хрупкость.

Для магистральных трубопроводов северного исполнения в США и Канаде применяют высокопрочные свариваемые Mn – Mo – Nb стали с микроструктурой игольчатого феррита, содержащие 1,6 – 2,2 % Мn, 0,25 – 0,4 % Мо, 0,04 – 0,10 % Nb. Упрочнение выделениями Nb(C,N) происходит при ее охлаждении после прокатки и в процессе старения горячекатаной стали при температуре 575 – 650°С.

Трубы фирмы «Италсидер» такого состава со структурой игольчатого феррита при толщине стенки 20 мм имеют порог хладноломкости Т₅₀ = –50°С при o_в = 650 МПа и o_0,2 = 540 МПа.

Для железнодорожных мостов северного исполнения применяют сталь 12Г2МФТ. Прокат из стали 12Г2МФТ толщиной до 40 мм характеризуется не только более высокой прочностью, но и более высокими характеристиками вязкости разрушения в широком температурном диапазоне.

Особую сложность представляет повышение хладостойкости литых сталей. Литая сталь отличается от деформированной наличием дефектов в виде раковин и трещин. Литые стали имеют крупное первичное зерно, и его измельчение представляет сложную задачу. Термическая обработка по обычным режимам полностью не устраняет структурные особенности литого металла.

Наиболее перспективным способом измельчения зерна в литых сталях, как и в деформированных, является микролегирование такими карбидообразующими элементами, как V, Ti, Nb, Zr.

Несмотря на существенные структурные различия литых сталей, наблюдается единая зависимость их параметра трещиностойкости Кс от o_0,2 при различных видах разрушения: хрупком, квазихрупком и вязком (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Зависимость параметра трещиноустойчивости К_с от предела текучести o_0,2 литых сталей: I – вязкое разрушение; II – вязко-хрупкое разрушение; III – хрупкое разрущение

Оптимальными для получения максимальной трещиностойкости и хладостойкости являются литые стали, имеющие предел текучести от 300 – 400 МПа, так как они обладают рациональным сечением характеристик прочности и пластичности. Стали с пределом текучести меньше 300 МПа не могут быть использованы в качестве хладостойких в связи с низкими характеристиками прочности. Стали с пределом текучести более 800 МПа обладают низкой хладостойкостью вследствие пониженной пластичности. Эти стали в условиях низких климатических температур могут быть использованы лишь в качестве износостойких.