241
К криогенным относятся стали, используемые в машинах и оборудовании для получения, хранения и транспортирования сжиженных газов с температурой кипения от —80
Ie-970
До —269 °С. Криогенные стали следует отличать от сталей северного исполнения (до —70 °С).
Основным требованием, предъявляемым к криогенным сталям, является гарантированный запас пластичности и вязкости разрушения при рабочих температурах. Материал в условиях низких температур не должен обладать склонностью к хрупкому разрушению, т. е. интервал рабочих температур должен находиться выше порога хладноломкости стали. В общем случае, чем больше разница между температурой эксплуатации и порогом хладноломкости, тем выше запас вязкости материала.
В большинстве случаев в качестве криогенных материалов применяют аустенитные Cr—Ni, Cr—Mn, Cr—Ni— Mn стали, а также ферритные стали, легированные никелем.
Аустенитные хромоникелевые стали
Нержавеющие хромоникелевые стали, содержащие 18— 20 % Cr и 8—12 % Ni (гл. XXII, п. 2) сохраняют аустенит – ную структуру при охлаждении вплоть до криогенных температур, однако аустенит таких сталей нестабилен, т. е. способен претерпевать под влиянием пластической деформации мартенситное превращение, в результате которого в структуре могут возникать мартенситные фазы. Увеличение содержания хрома и никеля в сталях типа 18—8 приводит к снижению температурного интервала мартеиситного – превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при деформации. Аустенитные хромоникелевые стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре. Хромоникелевые стали для службы при криогенных температурах упрочняют холодной пластической деформацией, однако повышение прочностных характеристик в результате деформации сопровождается снижением пластических свойств (рис. 143), особенно сильно у сталей с нестабильным аустенитом, содержащих 8—10 % Ni.
В процессе холодной пластической деформации хромоникелевых аус – ] тенитных сталей наряду с образованием а-мартенсита возникает е-мар – ! тенсит с г. п. у. решеткой. ]
В тех случаях, когда требуется сохранить высокие механические \ свойства вплоть до температуры абсолютного нуля в отсутствие ферромагнитных фаз, применяют хромоникелевые стали с содержанием 18— 25 % Cr и 14—25 % Ni. Высокое содержание хрома и никеля в этих сталях делает аустеннт стабильным, полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пластической деформации и при эксплуатации.
Влияние температуры испытания на механические свойства хромо – никелевых аустеннтных сталей показано иа рис. 144. В стали 08Х18Н20 со стабильным аустеннтом наблюдается примерно одинаковый ‘темп возрастания значений а-превращение. Значения сг0,2 при понижении температуры изменяются в стали 08Х18Н10 примерно так же, как н в
Рис. 143. Влияние степени холодной пластической деформации е на механические свойства стали 08Х18Н8 (А. В. Третьяков, В. И. Зюзин)
Рис. 144. Влияние температуры испытания на механические свойства хромонике – левых аустеннтных сталей:
16*
243
08Х18Н10 (а); 08Х18Н20 (б) (А. П. Гуляев)
Стали 08Х18Н20, а значение ав растет значительно быстрее в первой стали благодаря сильному упрочняющему влиянию а – и е-мартенситных фаз. Несмотря на монотонное снижение значений ударной вязкости хро – моникелевых аустеннтных сталей они сохраняют вязкий излом и значения KCU не менее 1,0 МДж/м2 вплоть до температуры кипения жидкого гелия (—269 °С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустеиитиые хромоникелевые стали применяют до температуры —269 °С.
Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали
Аустенитные хромоникелевые стали из-за высокого содержания дефицитного никеля (8—20%) достаточно дорогие. В последнее время в СССР и за рубежом интенсивно ведут исследования в целях создания криогенных аустенитиых сталей, в которых никель частично или полиостью заменен марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, снижая температуры точек Mh И МЯ сталей. Поскольку марганец в определенных количествах в противоположность никелю снижает энергию дефектов упаковки аустенита и обладает более слабым аустенитообразующим действием, хромомарганцевые стали более склонны к мартеиситным превращениям, чем хромоникелевые. При полной замене никеля марганцем возрастает опасность хрупкого разрушения, свойственная многим марганцевым сталям при низких температурах. По этой причине, а также для повышения прочностных свойств аустенитные стали на хромомарганцевой основе дополнительно легируют никелем или азотом, а часто обоими элементами совместно. Хромоникельмарганцевые стали, содержащие азот, можно рассматривать как криогенные стали повышенной прочности, так как они имеют значительно более высокие значения предела текучести при комнатной температуре, чем аустенитные хромоникелевые стали. В табл. 28 приведены механические свойства некоторых из наиболее рас-
Таблица 28. Механические свойства (средние) хромоникельмарганцевых и хромомарганцевых аустенитных криогенных сталей
Марка стали |
‘зак’ 0C |
‘исп’ cC |
Ст0,2 |
A I ч> |
Кси, МДж /ms |
||
МПа |
% |
||||||
10Х14Г14Н4Т |
1050 |
+20 |
900 |
290 |
50 |
69 |
2,7 |
(ЭИ711) |
—196 |
1420 |
400 |
41 |
60 |
2,3 |
|
—253 |
1500 |
500 |
22 |
14 |
2,1 |
||
07Х21Г7АН5 |
1150 |
+20 |
720 |
410 |
49 |
72 |
3,0 |
(ЭП222) |
—196 |
1420 |
800 |
49 |
63 |
2,0 |
|
—253 |
1570 |
1090 |
38 |
42 |
2,0 |
||
03Х13АГ19 |
1050 |
+20 |
830 |
370 |
74 |
71 |
2,4 |
(ЧС-36) |
—196 |
1440 |
750 |
46 ¦ |
39 |
1,6 |
|
—253 |
1440 |
880 |
15 |
17 |
1,4 |
Пространенных Cr—Mn, Ст—Ni—Mn криогенных сталей. Аустенитные Cr—Mn, Cr—Ni—Mn стали по прочностным и пластическим свойствам не уступают хромоникелевой стали 08Х18Н10. Благодаря более низкой стоимости хромомарганцевые стали могут успешно конкурировать с хромоникелевыми сталями. При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклепу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.
Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы Cr—Mn состоит обычно из закалки от 1050—1150 0C с охлаждением в воде для фиксации гомогенного твердого раствора.
Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомендуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже —196 0C.
Ферритные стали, легированные никелем
Широкое распространение в качестве конструкционного материала для службы при низких температурах получили низкоуглеродистые стали F—Ni, содержащие 3,5—9 % Ni. Никелевые стали обладают хорошей технологичностью и имеют более высокие прочностные свойства по сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями.
Как было показано ранее (см. гл. IV, п. 4), легирование никелем, уменьшая энергию взаимодействия дислокаций с атомами примесей внедрения в кристаллической решетке железа, эффективно снижает порог хладноломкости железа и повышает работу развития трещины в условиях вязкого разрушения (1 % Ni снижает порог хладноломкости примерно на 20 °С). Экономнолегированные никелевые стали выбирают исходя из температурных условий работы конструкций:
Содержание никеля, %………………………….. 3—4 5—6 6—9
Температурная область применения,
0C………………………………………………………. —120 —150 —196
Практическое применение для изготовления криогенного оборудования получили стали с 6 (0Н6) и 9 % Ni(0H9) (табл. 29). Эти стали обычно подвергают нормализации (H) или двойной нормализации с отпуском (ДНО).
Таблица 29. Состав и механические свойства ферритных криогенных сталей (А. П. Гуляев)
Марка стали |
Содержание основных элементов, % (по массе) |
Термическая обработка |
Температура порога хладноломкости, 0C |
C0 2, МПа |
KCU. МДж/м[19] |
||
С |
Ni |
Удо |
Тш, |
||||
0Н6 |
0,06 |
6—7 |
H |
—100 |
—180 |
470/860 |
2,9/0,8 |
ДНО |
—180 |
—196 |
500/900 |
3,0/1,2 |
|||
0Н9 |
0,06 |
8,5- |
H |
—130 |
—196 |
550/960 |
2,0/1,2 |
9,5 |
ДНО |
—180 |
—196 |
600/980 |
2,5/2,4 |
Примечание. В числителе приведены свойства прн 20°С, в знаменателе— прн —196 °С.
С твердыми частицами. В соответствии с условиями внешнего воздействия на поверхность различают следующие виды износа: абразивный, при трении, ударный, ка – витационный и др. В процессе износа происходит деформирование и разрушение микрообъемов поверхности металла с последующим их отделением в виде частиц. При
Наличии агрессивных сред, повышенных температур и действия других физических и химических факторов, снижающих прочность поверхности, сопротивление износу зависит от коррозионной стойкости материала, его жаростойкости и других свойств.
На рис. 145 показана относительная износостойкость И при абразивном изнашивании сталей в зависимости от их твердости, полученной отпуском при различных температурах после закалки. Стойкость сталей против абразивного изнашивания возрастает с увеличением их твердости, причем, чем больше содержание углерода и карбидообра – зующих элементов в стали, тем при одинаковой твердости износостойкость выше.
Высокомарганцовистая сталь
Марганцевый аустенит обладает высокой способностью к наклепу в процессе холодной пластической деформации (см. гл. IV, п. 5). Это свойство ярко проявляется в наиболее распространенной износостойкой стали — высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л, или стали Гад – фильда.
Сталь 110Г13Л по ГОСТ 2176—77 содержит 0,9— 1,4% С; 11,5—15% Mn; 0,3—1,0 % Si; = 55 %.
Один из-новых путей повышения прочности немагнитных сталей состоит в использовании парамагнитного е-мартен – сита, образующегося в низкоуглеродистых сталях с,16— 22% Mn (см. рис. 71,б). Двухфазные (v+е) стали \ипа 05Г20 имеют после закалки более высокие прочностные свойства по сравнению с однофазными аустенитными сталями (ао,2=370—450 МПа;