Конспект на тему холодостойкие стали

Обновлено: 06.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Развитие на Севере нефтяной и газовой промышленности, транспортных трубопроводов, изготовление землеройных механизмов для работы в зонах с низкими температурами, а также химическая промышленность, нуждаются в хладостойкой листовой стали. Использование таких сталей делает конструкции надежней, расход материала уменьшается, а следовательно экономятся и денежные средства. На Томской железной дороге установили, что в январе – феврале месяце по сравнению с июлем – сентябрем выход рельс из строя по трещинам возрастал в 7 – 15 раз. Так как температуры от-30 до -50 встречаются на большей территории России, то проблема использования и изготовления подходящих сталей для нас очень актуальна и важна.

Для большинства металлов способность к пластической деформации в значительной степени зависит от температуры. С понижением температуры эта способность для большинства металлов и сплавов уменьшается. При критических температурах резко возрастает сопротивление сдвигу, металл переходит в хрупкое состояние и разрушается без признаков пластической деформации. Сопротивление такому разрушению называется хрупкой прочностью, а свойство металлов хрупко разрушаться со снижением температуры называется хладноломкостью. Обратное понятие хладноломкости – хладностойкость. Результаты исследований показали, что металлы с объемноцентрированной кубической решеткой (железо, хром, вольфрам), а также некоторые металлы с гексагональной решеткой (титан, цинк, кадмий) при снижении температуры быстро охрупчиваются. У металлов с более плотно упакованной решеткой гранецентрированного куба (медь, никель, алюминий, магний, свинец) с понижением температуры вязкость сохраняется, а иногда даже повышается. Подобные закономерности имеют и многокомпонентные сплавы, имеющие соответствующие кристаллические решетки. Явление охрупчивания с точки зрения природы кристаллических решеток объясняется отсутствием плоскостей скольжения у металлов с объемноцентрированной кубической и гексагональной решеткой.

Трещины образуются в местах встречи или пересечения полос двух систем скольжения. При этом возможность хрупкого разрушения тем больше, чем сильнее препятствия, тормозящие свободное передвижение групп дислокаций. Если скорость распространения микротрещин превысит скорость пластической деформации, то наступит хрупкое разрушение. Пути сдвигов примерно равны диаметру зерна, поэтому измельчение зерна способствует увеличению интервала пластического состояния. Поэтому углеродистые и легированные перлитные и мартенситные стали после закалки с отпуском при наличии очень мелкого действительного зерна имеют более низкие критические температуры хрупкости.

Известны два типа хрупкого разрушения: транскристаллитное и интеркристаллитное. Чистые металлы обычно разрушаются по зерну. Межзеренному разрушению благоприятствует наличие включений по границам зерен. Сплавы с о. ц. к. решеткой разрушаются по зерну и между зернами; сплавы с гексагональной решеткой – преимущественно только по зерну; сплавы с

Похожие работы

2014-2022 © "РефератКо"
электронная библиотека студента.
Банк рефератов, все рефераты скачать бесплатно и без регистрации.

"РефератКо" - электронная библиотека учебных, творческих и аналитических работ, банк рефератов. Огромная база из более 766 000 рефератов. Кроме рефератов есть ещё много дипломов, курсовых работ, лекций, методичек, резюме, сочинений, учебников и много других учебных и научных работ. На сайте не нужна регистрация или плата за доступ. Всё содержимое библиотеки полностью доступно для скачивания анонимному пользователю

При понижении температуры повышаются прочностные характеристики стали, уменьшаются вязкость и пластичность. Поэтому при выборе стали для работы в этих условиях необходимо определить следующие показатели: механические свойства и эксплуатационные характеристики стали, используемой в холодостойких конструкциях, а также в холодильной и криогенной технике, зависят от многих факторов.

К ним в основном относятся тип кристаллической решетки, размер зерна и состояние его границ зерен, содержание легирующих элементов и примесей, форма и размер неметаллических включений. Людмила Фирмаль

Повышенное содержание водорода повышает хрупкость стали. Сварка способствует дополнительному гидрированию и росту зерна, что повышает холодостойкость сварных соединений. Кроме того, нагрев при сварке способствует фазовому превращению и выделению примесей вдоль границ зерен, что также повышает хрупкость стали. Вязкость стали при низких температурах зависит от технологии выплавки. При использовании вытяжки, обработке жидкого шлака, электрошлаковом переплаве повышается ударная вязкость.

Это связано с уменьшением количества неметаллических включений, уменьшением концентрации вредных примесей и газов. Рациональная организация окисления и введение небольших добавок ниобия, ванадия и титана способствуют измельчению зерен, повышению прочности и вязкости стали. При выборе холодостойкой стали учитывают специфические условия эксплуатации конструкции, наличие никеля, молибдена и других дорогостоящих легирующих элементов, обеспечивающих ее экономичность и ресурс. Определенной сложностью является выбор необходимого уровня пластичности и вязкости.

Нормы проектирования определяют рекомендуемый диапазон температур для каждого типа материала, используемого в холодостойких конструкциях, сосудах высокого давления, трубопроводах и другом холодильном и криогенном оборудовании. Минимальная рабочая температура определяется температурой вязкого хрупкого перехода, при которой вязкость резко падает. Однако в справочнике содержится очень мало систематических данных о пригодности материала для эксплуатации при низких температурах. Вот именно.- 558 описывается сложность количественной интерпретации влияния различных конструктивных и технических факторов (размер компонентов, уровни остаточных напряжений, условия нагружения, типы напряженных состояний и др.).)

О надежности машины и конструкции, работающей при низких температурах. Пластичность и вязкость не входят в расчетные расчеты и являются качественным показателем. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации и перераспределять напряжения в зоне его концентрации, а также поглощать работу внешних сил при разрушении. В обычной технике, в случае 8>15%, обычная пластичность считается удовлетворительной. Однако, аустенитная хромоникелевая сталь 20-77k имеет 8>40%, в то

время как аустенитная дисперсионно-упрочненная сталь имеет только 8>10%, оба типа стали очень устойчивы во время эксплуатации. Людмила Фирмаль

Широко принятыми критериями эффективности являются ударная вязкость надрезанных образцов. В разных странах приемлемый уровень вязкости отличается. За рубежом сталь обычно представляет собой образец 1 0×1 0×5 5 с радиусом насечки 0,25 мм (по ГОСТ9454-78 образец 1 или Тип 11 составляет KCV>20j / см2. В нашем государстве часто используются образцы с радиусом разреза 1 мм, но установлены допустимые значения KCU>30 Дж / см2.

Образовательный сайт для студентов и школьников

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/см 2 .

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/см 2 , 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.

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.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

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.

Хладостойкие материалы подразделяют на следующие основные группы: низкоуглеродистые стали с ОЦК и ГЦК структурой, алюминий и его сплавы (АМц, АМг, АМг5 и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы (фторопласт-4, полиамиды, пористые полистирол и полиуретан). Среднеуглеродистые улучшаемые, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требования повышенной прочности и твердости.

Стали с ОЦК решеткой используют главным образом для работы в условиях климатического холода. Температурная граница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры изменяется от 0 до –60 °С. Эффективными мерами снижения порога хладноломкости и повышения надежности работы являются уменьшение содержания углерода, создание мелкозернистой структуры (размер зерен 10–20 мкм), понижение содержания вредных примесей и их нейтрализация добавками редкоземельных металлов, а также ванадия, ниобия, титана, легирование никелем и применение термического улучшения.

Наибольшее распространение получили низкоуглеродистые стали, так как с увеличением содержания углерода повышается порог хладноломкости и ухудшается свариваемость стали. Стали обыкновенного качества – спокойные, полуспокойные и кипящие – применяют для разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давлением. Минимальная рабочая температура этих сталей без специальной обработки для низкотемпературной службы ограничивается –20 °С (см. табл. 4.1), а у кипящих сталей находится в пределах от 0 до –10 °С, так как у них порог хладноломкости на 10–20 °С выше, чем у таких же спокойных сталей.

Использование литейных сталей в условиях климатического холода экономически целесообразно при обеспечении надежности и долговечности отливок. Качество литого металла по сравнению с прокатом или поковками ниже из-за ликвации, более крупного зерна, а также разнозернистости в различных частях отливки, наличия пор и раковин. При отрицательных температурах вредное влияние этих факторов усиливается.

Аустенитные стали с ГЦК решеткой сохраняют высокую пластичность и вязкость ниже –196 °С Переход аустенита в мартенсит при низких температурах нежелателен: возникают напряжения, появляется склонность к хрупкому разрушению. Стабильность аустенита обеспечивают повышением содержания аустенитообразующих элементов (Ni, N, Мn) свыше 15 %. Недостаток аустенитных сталей – низкий предел текучести. Наряду с 12Х18Н10Т применяют более прочные хромомарганцевые стали (03Х13АГ19) и специальные дисперсионно-твердеющие стали (10Х11Н23ТЗМР, 10Х11Н20ТЗР).

Хладостойкие сплавы. Алюминий и его сплавы, не имея порога хладноломкости, остаются вязкими при –253. –269 °С. При охлаждении sВ у них повышается на 35–60 % (s0,2 – на 15–25 %, а ударная вязкость монотонно уменьшается до 0,2–0,5 МДж/м2. Вязкость разрушения Klc практически не уменьшается, а значит, алюминиевые сплавы при охлаждении менее чувствительны к надрезам, чем при 25 °С. Из-за большого теплового расширения (значительной теплопроводности) алюминия при жестком закреплении элементов конструкций в них неизбежны значительные термические напряжения. Для их уменьшения применяют компенсаторы деформации или отдельные части конструкции (например, горловины криостатов) изготовляют из материалов с меньшей теплопроводностью, например из аустенитных сталей или пластмасс. При низких температурах (от –253 до –269 °С) чаще всего используют алюминий и термически неупрочняемые свариваемые сплавы АМц, АМг2, АМг5. Для несвариваемых изделий, работающих при температурах до –253 °С, применяют термически упрочняемые сплавы Д16, АК6, АК8, а также литейные сплавы.

Титан и его сплавы не охрупчиваются при температурах от –196 до –269 °С и из-за большой удельной прочности используются в космической технике. Широко применяют технически чистый титан и его однофазные сплавы ВТ5-1, ОТ4. Они пластичны, легко свариваются и после сварки не требуется термическая обработка соединений. Более прочные, но менее пластичные сплавы ВТЗ-1 и ВТ6 с двухфазной (α+β)-структурой применяют при температурах до –196 °С. Эти сплавы свариваются хуже, чем однофазные, и для их сварных соединений необходим отжиг.

Медь и ее сплавы пластичны, не имеют порога хладноломкости. Кроме того, вязкость разрушения у них при охлаждении повышается. Их применяют для трубных конструкций, крепежных деталей, сварных корпусов, работающих при температурах до –269 °С. Из-за более высокой стоимости по сравнению с алюминием медь и ее сплавы все больше заменяют сплавами алюминия.

Неметаллические хладостойкие материалы. Неметаллические хладостойкие материалы имеют более низкую прочность и ударную вязкость по сравнению с металлами. Их используют для изготовления тепловой изоляции, а также отдельных деталей и элементов конструкций. Для тепловой изоляции применяют вспененные полистирол или полиуретан, отличающиеся особенно низкой теплопроводностью (l = 0,3. 0,05 Вт/(м°С)). Для деталей и элементов конструкций используют пластмассы, наполненные стеклянным волокном (полиамиды, поликарбонаты), а для подвижных уплотнений – фторопласт-4 (до –269 °С) и резины (до –70 °С).

Читайте также: