Криогенные стали и сплавы реферат

Обновлено: 07.07.2024

Хладостойкие стали – стали, сохраняющие достаточную вяз­кость при низких температурах (0 ¸ 269 °С). Воздействию низких температур подвергаются стальные металлоконструкции (железнодорожные рельсы, трубы газо- и нефтепроводов, мосты и др.), строительные машины, автомобили, вагоны в северных районах, охлаждаемые до температур климатического холода (60 °С); обшивка самолетов, детали ракет и космических аппаратов, охлаждаемые до температуры жидкого кислорода (183 °С); специальное оборудование физики низких температур, детали, узлы и трубопроводы холодильной и криогенной техники, которые используются для получения, хранения и транспортировки сжиженных газов, охлаждаемых вплоть до температур жидкого гелия (269 °С).

Понижение температуры эксплуатации сопровождается увеличением статической и циклической прочности, снижением пластичности и вязко­сти, повышением склонности к хрупкому разрушению. Важнейшее тре­бование, определяющее пригодность материала для низкотемпературной службы, отсутствие хладноломкости. Хладноломкость характерна для железа, стали, металлов и сплавов с ОЦК- и ГП-решётками. Для на­дёжной работы материала необходимо обеспечить температурный запас вязкости. Это достигается тогда, когда порог хладноломкости материала расположен ниже температуры его эксплуатации. Необходимый темпе­ратурный запас вязкости зависит от факторов, влияющих на склонность к хрупкому разрушению (наличия концентраторов напряжений, скорости нагружения, размеров детали). Чем больше температурный запас вяз­кости, тем меньше опасность хрупкого разрушения материала, выше его эксплуатационная надежность.

Металлы и сплавы с ГЦК-решёткой не имеют порога хладноломкости; при охлаждении ударная вязкость у них уменьшается монотонно. Хладостойкость таких материа­лов оценивается температурой, при которой ударная вязкость составляет не менее 0,3 МДж/м 2 (tkcu=0,3).

Кроме критериев хладостойкости (t50 и tkcu=0,3) основанием для выбора материала служат также показатели прочности при нормальных температурах (σв, σ0,2), физи­ческие и технологические свойства, совместимость с окружающей средой, стоимость материала. Важным критерием хладостойкости является вяз­кость разрушения К в условиях плоской деформации.

Из физических свойств материала наиболее важны тепловое расшире­ние, теплопроводность, теплоёмкость. Чем меньше тепловое расширение материала, тем ниже термические напряжения в деталях и конструкциях при термоциклировании. От теплоёмкости и теплопроводности зависит быстрота захолаживания материала при термоциклировании. При особо низких температурах, начиная от температуры жидкого азота (196 °С), теплопроводность и теплоёмкость уменьшаются более чем в 10 раз. Изме­нение этих свойств неодинаково влияет на быстроту захолаживания ма­териалов при термоциклировании. Чем меньше теплоёмкость и больше теплопроводность, тем легче захолаживается криогенное оборудование и быстрее выходит на рабочий режим.

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 распространёнными 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-решёткой и сплавов на основе титана.

В качестве хладостойких материалов используются низкоуглеродистые стали с ОЦК- и ГЦК-структурой, алюми­ний и его сплавы (АМц, АМг, АМгб и др.), титан и его сплавы (ВТ1, ВТ5, ОТ4 и др.), некоторые пластмассы. Среднеуглеродистые улучшаемые, а также мартенситно-стареющие стали используют ограниченно, когда к отдельным деталям холодильного оборудования предъявляются требова­ния повышенной прочности и твёрдости.

Стали с ОЦК-решёткой используют главным образом для рабо­ты при температурах климатического холода. Температурная гра­ница их применения ограничивается порогом хладноломкости, который в зависимости от металлургического качества стали и ее структуры составляет 0 ¸ 60°С. Эффективными мерами сниже­ния порога хладноломкости и повышения надёжности работы яв­ляются уменьшение содержания углерода, создание мелкозерни­стой структуры (размер зёрен 10¸20 мкм), понижение содержа­ния вредных примесей и их нейтрализация добавками редкозе­мельных металлов, а также V, Nb, Тi, легирование Ni и примене­ние термического улучшения. Основное применение получили низ­коуглеродистые стали, так как с увеличением содержания угле­рода повышается порог хладноломкости и ухудшается сваривае­мость стали.




Стали обыкновенного качества применяют для изготовления разнообразных изделий, включая сосуды, работающие под давле­нием. Минимальная рабочая температура спокойных сталей без специальной обработки для низкотемпературной службы ограничи­вается 20 °С, а у кипящих сталей находится в пределах 0 ¸ 10 °С.

Комплексом мер, включающих улучшение металлургического качества, измельчение зерна и микролегирование, удается сни­зить допустимую температуру эксплуатации этих дешевых сталей до 50 °С. Хотя стоимость стали при этом увеличивается, но она все же ниже стоимости легированных сталей. Использование сталей при температурах ниже 0 °С требует отработки конст­рукции деталей – устранение опасных концентраторов, исполь­зование тонкостенных элементов, в которых облегчены темпера­турные деформации. Для крупных конструкций используют сва­риваемые низколегированные стали повышенной прочности 09Г2С, 14Г2АФ и др. Используют также среднеуглеродистые улуч­шаемые и пружинные стали 45, 40Х, 65Г, 60С2А. Минимальная рабочая температура для них установлена 50 °С.

Стали с никелем обладают хорошей хладостойкостью: после термического улучшения стали 12ХН3А и 18Х2Н4МА применяют до температуры 196 °С.

Никелевые стали 0Н6 и 0Н9 содержат менее 0,1 % С и по хладостойкости приближаются к аустенитным. Оптимальные свойства никелевых ста­лей обеспечивают термообработкой: двойной нормализацией при 930 °С, а затем
при 800 °С с последующим отпуском при 570¸590 °С или за­калкой от 830 °С и отпуском при 580 °С. Первая нормализация необхо­дима для гомогенизации твердого раствора, вторая с последующим от­пуском для получения структуры мелкозернистого феррита. По срав­нению с нормализацией закалка и отпуск увеличивают вязкость стали. Сталь 0Н6 используют до 150 °С, а 0Н9 до 196 °С. В струк­туре термически обработанной стали ОН9 помимо феррита сохраняет­ся 10¸15 % остаточного аустенита в виде тонких прослоек. Задачей термической обработки, а также дополнительного легирования марган­цем (1¸2 %), молибденом (~ 0,4 %), ниобием, хромом, медью в раз­ных сочетаниях является обеспечение устойчивости остаточного аусте­нита: он не должен превращаться в мартенсит ни при охлаждении, ни при деформировании сталей. Механические свойства термически обра­ботанных листов толщиной 10¸13 мм из низкоуглеродистых никелевых сталей при 25 °С (числитель) и 196 °С (знаменатель) приведены ниже:

0Н6 ОН9
σв, МПа 630/850 690/1000
σ0.2, МПа 470/700 550/850
δ, % 25/30 35/25
KCV, МДж/ м 2 1,5 / 0,3¸0,4 1,8 / 1,0

По сравнению с аустенитными сталями никелевые стали прочнее, у них вдвое больше предел текучести и вполне удовлетворительная ударная вязкость, в 3¸4 раза лучше теплопроводность, а термическое расшире­ние на 30 % меньше, чем у аустенитных сталей. Никелевые стали имеют мелкозернистую структуру, хорошо свариваются и значительно дешевле. Эти преимущества в сочетании с комплексом свойств определили их применение для изготовле­ния крупных стационарных изотермических резервуаров вместимостью до десятков тысяч кубических метров для хранения и танкеров для перевозки сжиженных газов. Внутренняя металлическая оболочка таких резервуаров эксплуа­тируется при температурах, близких к точке кипения сжиженного газа при атмосферном давлении: 104 °С для этилена, 162 °С для метана, 165 °С для природного газа, 193 °С для кислорода. Недостаток никелевых сталей – посредственная стойкость против атмосферной коррозии, в необходимых случаях криоген­ную аппаратуру из этих сталей защищают покрытиями.

Аустенитные стали сохраняют высокую пластичность и вязкость при низких температурах, так как в них отсутствует мартенситное превращение. Недостаток аустенитных сталей – низкий предел текучести.

В большинстве случаев в качестве криогенных материалов применяют аустенитные СгNi, СгМn, СгNiМn стали.

Нержавеющие хромоникелевые стали, содержащие 18¸20 % Сг и 8¸12 % Ni, сохраняют аустенитную 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 188 приводит к снижению температурного интервала мартенситного превращения и уменьшает интенсивность мартенситных превращений при дефор­мации. Аустенитные хромоникелевые стали имеют невысокую прочность при комнатной температуре. Хромоникелевые стали для работы при криогенных температурах упрочняют холодной пласти­ческой деформацией, однако повышение прочностных характери­стик в результате деформации сопровождается снижением пласти­ческих свойств (рис. 4.13), особенно сильно у сталей с нестабильным аустенитом, содержащих 8¸10 % Ni.

В процессе холодной пластической деформации хромоникелевых аустенитных сталей наряду с образованием α-мартенсита возникает ε-мартенсит с ГПУ-решёткой. 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 % Сг и 14¸25 % Ni. Высокое содержание хрома и никеля в этих сталях делает аустенит стабильным, полностью подавляя мартенситные превращения в процессе холодной пласти­ческой деформации и при эксплуатации изделий.


Рис. 4.14. Влияние степени холодной пластической де­формации ε
на механические свойства стали 08Х18Н8 (А.В. Третьяков, В.И. Зюзин)

Влияние температуры испытания на механи­ческие свойства хромоникелевых аустенитных ста­лей показано на рис. 4.15.


Рис. 4.15. Влияние температу­ры испытания на механические свойства
хромоникелевых аустенитных сталей: 08Х18Н10 (а); 08Х18Н20 (б) (А. П. Гуляев)

В стали 08X18Н20 со стабильным аустенитом наблюдается примерно одинаковый темп возрастания значений σ0,2 и σв при понижении температуры испытаний. Иной характер температурной зависимости прочностных свойств присущ стали 08Х18Н10, претерпевающей в ходе низкотемпературной пластической деформации γ→ε→α превращение. Значения σ0,2 при понижении температуры изменяются в стали 08Х18Н10 при­мерно так же, как и в стали 08X18Н20, а значение σв растёт значительно быстрее в первой стали бла­годаря сильному упрочняющему влиянию ε- и α-мартенситных фаз. Несмотря на монотонное снижение значений ударной вязкости хромоникелевых аустенитных сталей они сохра­няют вязкий излом и значения КСU не менее 1,0 МДж/м 2 вплоть до температуры кипения жидкого гелия (269 °С). Вследствие высокого сопротивления хрупкому разрушению аустенитные хромоникелевые стали применяют до температуры 269 °С. Наряду со сталью 12Х18Н10Т иногда применяют специальные дисперсионно-твердеющие стали типа 10Х11Н23Т3МР и 10Х11Н20Т3Р.

Хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали Аустенитные хромоникелевые стали из-за высокого содержания дефицитного никеля (до 20 %) достаточно дорогие. В связи с этим разработаны и используются криогенные стали, в которых никель частично или полностью заменён марганцем. Марганец, как и никель, увеличивает стабильность аустенита относительно мартенситного превращения при охлаждении и холодной пластической деформации, сни­жая температуры точек Мн и Мд 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 мартенситным 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. 4.10 приведены механические свойства некоторых из наиболее распространённых СгМn, СгNiМn криогенных сталей. Аустенитные СгМn,
СгNiМn стали по прочностным и пластическим свойствам не уступают хромоникелевой стали 08Х18Н10. Благодаря более низкой стоимости хромомарганцевые стали могут успешно конкурировать с хромоникелевыми. При операциях, связанных с изготовлением или упрочнением деталей способом холодной пластической деформации, следует учитывать большую склонность хромомарганцевых аустенитных сталей к наклёпу по сравнению с хромоникелевыми даже в отсутствие мартенситных превращений в процессе деформации.

Термическая обработка криогенных аустенитных сталей на основе системы FeСгМn состоит обычно из закалки от 1050¸1150 °С с охлаждением в воде для фик­сации гомогенного твёрдого раствора.

Аустенитные хромомарганцевые и хромоникельмарганцевые стали рекомен­дуется применять в криогенном машиностроении при температурах эксплуатации не ниже 196°С.

Механические свойства (средние) хромоникельмарганцевых
и хромомарганцевых аустенитных криогенных сталей

Инвар 36Н (36 % Ni, остальное Fе) отличается малым тепловым расширением и стабильной ГЦК-структурой. В изделиях из инвара при изменении температуры возникают малые термические напряжения, в конструкциях не требуются компенсаторы деформации. Применение инвара ограничивается недостаточной коррозионной стойкостью и высокой стоимостью.

Мартенситно-стареющие стали (например, Н18К9М5Т) используют для изготовления деталей холодильных машин (подпятники, валики, клапаны и др.), когда необходимы повышенная прочность и высокая твёрдость.




Пример готового реферата по предмету: Материаловедение

Содержание

1. Получение сплавов из руды 1

2. Состав сплавов с указанием марок и содержанием компонентов 1

3. Структура сплавов 3

4. Физические, механические и химические свойства сплавов 4

5. Технологические свойства сплавов 5

6. Применение сплавов в промышленности 5

Список использованных источников 6

Содержание

Выдержка из текста

Известно, что оболочка тела легко переносят переохлаждение, а ткани при охлаждении на 10 — 12 С прекращают нормальную работу. Для широкого применения криогенной физиотерапии, распространение зоны переохлаждения следует ограничить объемом ядра.

В 1913 году Гарри Бреарли (Harry Brearley), экспериментировавший с различными видами и свойствами сплавов, обнаружил способность стали с высоким содержанием хрома сопротивляться кислотной коррозии. При изготовлении нержавеющей жаропрочной стали основным легирующим элементом является хром Cr (12-20 %); помимо хрома, нержавеющая сталь содержит элементы, сопутствующие железу в его сплавах (С, Si, Mn, S, Р), а также элементы, вводимые в сталь для придания ей необходимых физико-механических свойств и коррозионной стойкости (Ni, Mn, Ti, Nb, Co, Mo).

Основными легирующими элементами являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Ti (для предупреждения межкристаллитной коррозии.

I.Понятие сталь, ее классификации и применение….………………а) выплавка стали в кислых электродуговых печах………………………………….в) плавка стали в индукционной печи…………………………………….……………

У какой стали лучше штампуемость из листа: 08Х 18Н 10Т или 12Х 17?Штампуемость листовой стали ухудшается при наличие в ней крупного и неоднородного по размерам зерна, третичного цементита и др.Лучше штампуемость из листа у стали 08Х 18Н 10Т — она имеет пониженное содержание углерода, что обеспечивает хорошую деформируемость.

Однако фосфор может и отрицательно влиять на качества стали.

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 0С) деформирования.

Список использованных источников

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

3. Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.

5. Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.

8. Кривцов Ю.С. Развитие литых сталей для криогенной арматуры / Ю.С. Кривцов, С.Л. Горобченко // Материалы в машиностроении. – 2010. – № 5 (68).

Одним из основных легирующих элементов, эффективно влияющих на характеристики сталей в области криогенных температур, является никель. Повышение его содержания приводит к росту предела текучести, временного сопротивления и главным образом, ударной вязкости при криогенных температурах сталей. В середине прошлого века для изделий с рабочей температурой до 80К была предложена сталь с 9% никеля. Дальнейшие исследования показали возможность применения при этих температурах сталей с содержанием никеля в пределах 5–6%. За рубежом сталь с 9% никеля применяется для изготовления крупных хранилищ природного газа, крупных емкостей для жидкого кислорода и азота, регенераторов воздухоразделительных установок. Стоимость ее в 2 раза меньше стоимости хромоникелевой стали Х18Н10; вследствие значительно большего предела текучести допускаемые напряжения у нее на 70% выше, чем у стали Х18Н10. Сталь удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состоянии, хорошо сваривается всеми видами сварки, после которых не требуется термической обработки.

В отечественной практике для работы при низких температурах были разработаны никелевые стали 06Н3А, 0Н6А, 0Н9А (табл. 1), которые прошли промышленное опробирование и рекомендованы Госгортехнадзором к применению в качестве материала для сосудов, работающих под давлением при низких температурах. Они сочетают повышенную прочность с достаточной пластичностью и вязкостью, удовлетворительно куются, штампуются, прокатываются, обрабатываются резанием, свариваются всеми видами сварки без последующей термической обработки. По сравнению с хромоникелевыми аустенитными сталями никелевые стали имеют низкий (примерно на 30%) коэффициент линейного расширения и более высокую (в 3-4 раза) теплопроводность, что необходимо учитывать при применении соединений из различных сталей.

Таблица 1. Механические свойства сталей.

Температура испытаний, К

Недостатком никелевых сталей является их низкая коррозионная стойкость в атмосферных условиях, что явилось серьезным тормозом при их внедрении.

Наряду со сталями, легированными только никелем, применяются стали, легированные дополнительно хромом, вольфрамом, молибденом. Наибольшее распространение получили стали марок 12ХН3А, 38ХН3МА, 18Х2Н4ВА. Следует отметить две основные особенности их применения в криогенной технике. С целью повышения вязкости при низких температурах они используются в состоянии термического улучшения. При этом предел текучести составляет 60-70 кг/мм 2 , а временное сопротивление 80–90 кг/мм 2 , т.е. значительно ниже норм, предусмотренных для указанных сталей соответствующими ГОСТ. Однако и в этом состоянии характер разрушения при ударном изгибе при наличии концентратора напряжений хрупкий, что определяет вторую особенность их применения: необходимость тщательной обработки галтелей, округления профиля впадины резьбы, наличия на шпильках центральной проточки меньшей внутреннего диаметра резьбы для снятия концентраторов напряжений. Релаксационная стойкость таких сталей достаточно велика. Во всех случаях следует учитывать различие коэффициентов их линейного расширения и предусматривать соответствующие компенсаторы. В отдельных случаях стали 12ХН3А и 18Х2Н4ВА используют для изготовления приварных штуцеров.

В последние годы остро стоит вопрос об экономии вольфрама, в связи с чем делаются попытки заменить его в конструкционных сталях молибденом. Содержание последнего в стали для обеспечения необходимой структуры может быть значительно ниже, чем вольфрама (примерно в 3 раза).

Исследования стали 18Х2Н4МА показали возможность ее применения (вместо 18Х2Н4ВА) в качестве материала крепежа статически нагруженных фланцевых соединений (до диаметра 50 мм).

Наиболее часто для изготовления криогенного оборудования, работающего при температур до 4 К, применяются аустенитные стали, легированные хромом и никелем. Они имеют невысокую прочность при нормальной температуре ( s b ³ 54 кг/мм 2 , s 0,2 ³ 20 кг/мм 2 ), но отличаются высокими вязкостью и пластичностью, незначительно снижающимися при температурах жидкого гелия до 4К.

Основным представителем аустенитных хромоникелевых сталей является сталь 12Х18Н10Т, характеристики которой приведены на рис. 1 и 2. При температуре 77К накапливаемая пластическая деформация при напряжении 15 кг/мм 2 практически не изменяется по времени и составляет всего около 0,05% за 10 тыс. ч. повышение напряжения до 25 кг/мм 2 приводит к появлению заметного роста деформации во времени, однако и в этом случае она не превышает 0,08% за годичный срок эксплуатации.

Релаксационная стойкость стали 12Х18Н10Т при низких температурах невысока: выдержка при 77К в течение 2000 ч приводит к падению напряжения с 12 до 5 кг/мм 2 .

Изучение влияния многократно повторяемых охлаждения и отогревов металла под нагрузкой (термическая усталость) на свойства стали показало ее значительно большую усталостную прочность по сравнению с другими сталями аустенитного класса. Исследование усталостной прочности стали 12Х18Н10Т и ее сварных соединений позволили рекомендовать ее для циклически нагружаемых конструкций. Сталь 12Х18Н10Т может применяться для создания оборудования, работающего при гелиевых температурах.

Аустенитные стали широко применяются в качестве коррозионно-стойких; они обладают хорошей технологичностью, недостатками этих сталей является низкая прочность и высокое содержание никеля, что привело к необходимости разработки новых, более прочных и менее легированных никелем сталей.

В качестве менее легированного никелем заменителя стали 12Х18Н10Т в настоящее время разработана сталь 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), в которой для стабилизации аустенита часть никеля заменены марганцем. Сталь имеет удовлетворительную технологичность при обработке давлением, хорошо сваривается, после сварки не требует термической обработки. По коррозионной стойкости в атмосфере сталь практически равноценна стали 12Х18Н10Т.

Исследование ползучести, длительной прочности и термической усталости позволяет рекомендовать сталь для изготовления сварных конструкций, эксплуатируемых при температурах до 60К. Недостатком ее, как и стали 12Х18Н10Т, является низкая прочность.

В настоящее время много внимания уделяется повышению прочности существующих марок сталей деформационным упрочнением, а также созданию новых сталей повышенной прочности за счет упрочнения твердого раствора путем легирования. Первое характерно при создании небольших тонкостенных конструкций, второе перспективно при создании крупногабаритного оборудования. Из большого числа элементов для упрочнения аустенитной структуры углерод и азот являются наиболее дешевыми, однако повышение содержания углерода является нежелательным из-за ухудшения при этом свариваемости и коррозионной стойкости.

Для работы при температурах до 4.2К была разработана стабильно аустенитная сталь повышенной прочности марки 03Х20Н16АГ6 на хромоникелемарганцевой основе с азотом. Эта сталь имеет предел текучести в 1.5 раза выше, чем у стали 12Х18Н10Т, несколько более высокий предел прочности, пластичность при комнатной и рабочей температурах незначительно ниже. Ударная вязкость при низких температурах имеет высокие значения (при 77К ан ³ 12кгс/см 2 ). Обрабатываемость резанием удовлетворительная, сталь хорошо штампуется, сваривается всеми видами сварки. Термообработки после сварки не требуется. Внедрение ее дает, несмотря на большую номинальную стоимость проката, значительный эффект, обусловленный снижением металлоемкости изделий и уменьшением потерь криогенных продуктов при захолаживании.

В настоящее время ведутся исследования по изысканию композиций аустенитных коррозионно-стойких сталей с содержанием никеля от 1 до 4%, которые должны иметь более высокую прочность, чем стали на хромоникелевой основе, и достаточную вязкость, исключающую хрупкое разрушение криогенных конструкций.

Одной из таких сталей является хромомарганцевая аустенитная сталь 03Х13АГ19, сочетающая повышенную прочность при комнатной температуре с вяокой пластичностью и вязкостью до 70К. Она удовлетворительно штампуется, куется, обрабатывается резанием. Наличие 12–13% хрома делает сталь коррозионно-стойкой в атмосферных условиях и малоагрессивных средах. Сталь хорошо сваривается всеми видами сварки без необходимости последующей термообработки сварных соединений. Композиция железо – хром – марганец для аустенитных сталей с азотом перспективна для применения в криогенной технике, но области ее практического использования ограничены понижением вязкости и пластичности при температурах ниже 70К. Она имеет меньшую стойкость при знакопеременных нагрузках в условиях 77К по сравнению со сталью 12Х18Н10Т. Для устранения этих недостатков в стали с азотом на хромомарганцевой основе необходимо вводить некоторое количество никеля (до 4%), с целью повышения пластичности. Сталь 07Х13Н4АГ20 имеет прочностные характеристики более высокие, чем у стали 12Х18Н10Т.

Для работы при криогенных температурах применяются и более прочные материалы, чем аустенитные стали с азотом. Например, для изготовления деталей крепежа необходима сталь с пределом текучести не менее 50кг/мм 2 . Для этих целей нашли применение дисперсионно-твердеющие стали:

08Х15Н24В4Т (ЭП164)

10Х11Н23Т3МР (ЭП33)

и 07Х15Н27Т3МР (ЭП700)

Эти стали получают высокие прочностные свойства в результате термической обработке, сохраняя высокую пластичность и вязкость. При сварке полученная структура нарушается, поэтому их необходимо подвергать последующем термообработке.

В настоящее время рассматривается возможность применения в криогенной технике, где не требуется высокой пластичности, еще более прочных материалов – мартенситно-стареющих сталей с пределом текучести при комнатной температуре до 120 кг/мм 2 . Упрочнение достигается за счет введения в состав кобальта, молибдена, титана, алюминия.

Наряду со сталями применяется высоконикелевый сплав инвар 36НХ, особенность которого является низкий коэффициент линейного расширения, в 15 раз меньший, чем у стали Х18Н10. Это свойство позволяет изготавливать протяженные криогенные трубопроводы без применения температурных компенсаторов и тем самым повысить надежность работы криогенных систем. Механические и технологические свойства инвара 36НХ примерно такие же, как и у стали 12Х18Н10Т. Однако он имеет низкую коррозионную стойкость и поэтому применяется только для изготовления внутренней трубы в трубопроводах. Ввиду высокого содержания никеля сплав существенно дороже аустенитных сталей (примерно в 5–8) раз.

Алюминий и его сплавы получили широкое распространение в криогенном машиностроении. Это обусловлено тем, что они обладают удачным сочетанием хороших технологических и вполне удовлетворительных эксплуатационных свойств и не являются дефицитными. Требованиям криогенной техники удовлетворяют отечественные деформируемые термически неупрочняемые алюминиевые сплавы АД1, АМцС, АМг5, характеристики которых приведены на рис. 3.



Рис. 3. Прочность (а) и пластичность (б) алюминиевых сплавов. 1 – АМг5; 2 – АМцС; АД1.

Сплав АД1 хорошо сваривается и деформируется, но вследствие низкой прочности применяется ограниченно, в основном в качестве материала для изготовления труб теплообменной аппаратуры.

Сплав АМцС обладает большей прочностью и высокими технологическими свойствами. Он идет главным образом на изготовление трубных решеток теплообменных аппаратов. В последнее время из сплава АМцС изготавливаются также пластинчато-ребристые теплообменники.

Из сплавов АМг5 и АМг6 изготавливаются обечайки и днища емкостей, а также фланцы. Эти сплавы удовлетворительно свариваются и деформируются. Они обладают удовлетворительным сочетанием прочности и пластичности и высокой коррозионной стойкостью. Исследования показали, что наблюдаемая коррозия алюминиевых деталей в наиболее неблагоприятных условиях невелика и затухает со временем.

Алюминиевые сплавы являются надежными заменителями как медных сплавов, так и (в ряде случаев) дорогих и дефицитных нержавеющих сталей.

Недостатком алюминиевых сплавов является их более низкая прочность. Внедрение алюминиевых сплавов повышенной прочности связано с рядом трудностей. Главная из них заключается в том, что сплавы, легированные цинком, медью, магнием и другими элементами, обладают большей прочностью, чем магниевые типа АМг5, но в сварных соединениях имеют резко разупроченную зону, избежать которой в крупных элементах конструкций пока не удается. Обычно алюминиевые сплавы применяются для изготовления аппаратов с толщиной стенки не более 20мм.

Пределы прочности и текучести аустенитных сталей

Применение режима низких температур признано востребованной технологией в промышленных отраслях, в индустрии ракетостроения и создания техники для космоса, для хозяйственных нужд. Криогенными являются температурные показатели, значение которых располагается ниже показателя кипения кислорода (-183 0 С). Для выполнения определенных операций при данных температурных режимах требуются криогенные стали и сплавы, обладающие спецсвойствами.

Криогенные стали обязаны соответствовать условиям соблюдения высокой прочности при обычном температурном режиме, сочетающейся с повышенным противодействием разрушению, возникающему при низких температурах.

Довольно часто материалы данной категории должны соответствовать условиям высококоррозионной стойкости. Качественными характеристиками материалов криогенного типа обладают низкоуглеродистые никелевые и аустенитные стали, не подверженные хладноломкости. Для получения металлоконструкций, эксплуатация которых осуществляется в температурном режиме до - 196 0 С, используют стали, содержащие 6-7 % Ni (ОН6А) и 8,5-9,5 % Ni (ОН9А), с невысоким пределом ломкости в условиях холода.

Виды аустенитных криогенных сталей

Аустенитные криогенные стали представлены тремя видами:

1. Хромоникелевые стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т, получившие распространение и популярность. Они признаны востребованным сырьем при производстве газораспределительных установок с большой мощностью и крупными габаритами и емкостей для газов (О2, N2, Н2 и др.). Отличаются хорошей свариваемостью, обладают свойством повышенной вязкости в режиме низких температур. Сталь 12Х18Н10Т, имеющая высокий показатель податливости, используется после выполнения холодного деформирования, способствующего увеличению прочности. Аустенит таких сталей не отличается стабильностью, поэтому под действием пластичного деформирования может наблюдаться неполное мартенситное преобразование.

2. Сложнолегированные стали 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 отличаются прочностью, могут применяться для производства штампованных и сварных изделий, емкостей крупных габаритов.

3. Аустенитные криогенные стали с хромомарганцевой базой 10Х14Г14Н4Т и 03Х13АГ19 признаны аналогом дорогостоящих хромоникелевых сталей. Надо учитывать, что деформирование металла такого класса способствует фрагментарному мартенситному преобразованию, что уменьшает сопротивляемость разрушению. Рекомендовано применять при получении металлоконструкций, эксплуатируемых при 200С . –196 0 С (03Х13АГ19) и –2530С (10Х14Г14Н4Т). Требуют закалки, проводимой в воде, при 1000. 1050 0 С. При соблюдении температурного режима текучесть не более 400—450 МПа.

Применение криогенных материалов

детали из криогенных сплавов

Мировая практика свидетельствует о применении криогенных конструкционных сталей, основными видами которых являются:

  • ферритная сталь, имеющая в своем составе около 9% Ni;
  • нержавеющая сталь марки 10Х18Н10Т;
  • сплав, имеющий в составе 36% Ni и обладающий низким показателем линейного расширения (инвар);
  • алюминиевые сплавы.

Все приведенные виды материалов должны обеспечивать гарантию целостности конструкций при достижении низкой температуры (–164 0 C). Согласно изучению и анализу, сталь, имеющая в своем составе 9% Ni, признана наиболее перспективной продукцией, исходя из таких параметров: низкое содержание дорогих легирующих элементов, высокий уровень стойкости, удовлетворительный показатель свариваемости, возможность производства на предприятиях российского металлургического комплекса.

Этот вид стали впервые был применен в 1952 г. и с того времени широко используется при изготовлении внутренних стенок резервуаров с криогенными свойствами. Ферритная сталь обладает высокой хладостойкостью, которая является характерной для сталей аустенитного класса. Такие качества достигаются, благодаря формированию при выполнении термообработки участков постоянного аустенита, имеющего объемную часть Ni около 4%. Это предоставляет возможность обеспечивать должный уровень противодействия разрушению при наличии криогенных температур.

Сталь, имеющая в составе 9% Ni, соответствует условиям нормативных документов ASTM A 353, ASTM A 553, EN 10028, JIS и др. Поставка осуществляется в термообработанном виде: проведение двойной нормализации (ASTM A 353) или закалки и отпуска (ASTM A 553, type 1).

Промышленностью разработана и испытана сталь 0Н9, с уточненным химсоставом по наличию серы и микролегирования ниобием. После термообработки она имеет обеспеченный уровень качественных показателей, соответствующих стандарту ASTM A 353: σт ≥ 549 Н/ мм 2 , σв ≥ 686 Н/мм 2 , δ5 ≥ 15%, хладостойкость KCV–196 ≥ 30 Дж/см 2 . Химсостав, механические качества, режимы термообработки приведены в техусловиях.

При создании модернизированной стали 0Н9 выполнялась четкая цель: добиться соответствующего уровня прочности и хладостойкости для м/к СПГ, эксплуатируемых при температуре до –164 0 С. При проведении экспериментов были поставлены строгие требования, обеспечивающие получение таких показателей: сопротивления σв=690. 830 Н/ мм 2 , текучести σт ≤ 590 Н/мм 2 , удлинения δ5 ≤ 18%, ударной вязкости KCV–196 ≤ 100 Дж/см 2 . Учитывая сферу использования разрабатываемого материала, поставленные задачи достижения KCV–196 в два раза превышают предписания зарубежных стандартов.

Требования к химическому составу и механическим свойствам по регламенту ASTM A353, A553

Стандарт C Mn P S Si Ni Mo
ASTM A353 0,13 0,9 0,015 0,015 0,15-0,40 8,5-9,5 -
ASTM A553 Тип 1 0,13 0,9 0,015 0,015 0,15-0,40 8,5-9,5 -
ASTM A553 Тип 2 0,13 0,9 0,015 0,015 0,15-0,40 7,5-8,5 -
ASTM A553 Тип 3 0,13 0,9 0,01 0,01 0,05-0,30 6,5-7,5 0,1-0,3

Проведение термообработки криогенных сталей

Применение сталей осуществляется после выполнения двойной нормализации (при 900 и 790 0 С) и отпуска при 560 0 С либо после закалки от 810 - 830 0 С и отпуска при 600 0 С. Проведение термообработки позволяет достичь текучести, составляющей в условиях обычного температурного режима 400-450 МПа, а при - 196 0 С - 680-820 МПа (высокий показатель соответствует ОН9А).

Стали с такими характеристиками используют при выпуске резервуаров различной конфигурации (цилиндр, сфера) для газов, соблюдая температуру не ниже - 196 0 С. Весь комплекс операционных переходов, включая и сварку, по производству такой продукции выполняется на термообработанных листах.

Для производства преобладающего большинства машин, агрегатов и прочего криогенного оборудования используют аустенитные стали, отличающиеся стойкостью к хрупкому разрушению.

Температурные режимы прокатки

Режим Тнагр, °С Тнчерн, °С Ткчерн, °С Тнчист, °С Ткчист, °С Закалка в воде
ГП 1150 1100-1150 - - ≥ 930 -
КП 1150 1100-1150 ≥ 950 ≤ 860 740-780 +

Материалы и методика исследований

Применение криогенных сталей

При выполнении исследований и проработке вариантов химсостава для производства нового вида хладостойкой стали, имеющей повышенные показатели вязкости, в качестве исходного материала был использован химсостав стали 0Н9. Эта марка имеет в составе никель, являющийся основным компонентом для легирования. Благодаря никелю, сохраняется стойкость аустенита при термообработке. Для того, чтобы сохранить постоянство при температурах до –196 0 C, требуется проводить обогащение аустенита, что требует регламентирования никеля в таких сплавах в интервале 8,5—9,5%.

При добавлении марганца повышается устойчивость аустенита, но его наличие развивает отпускную хрупкость стали, поэтому содержимое марганца ограничено в пределах 0,6%. Присутствие углерода в составе конструкционной стали приводит к снижению хладостойкости, поэтому в никелевых ферритных сталях он составляет ≤ 0,13%. Для стали новейшей разработки принято содержимое углерода в пределах ≤ 0,08%. Присутствие кремния приводит к дополнительному упрочнению стали, но может неблагоприятно влиять на вязкость металла и зоны термовлияния (ЗТВ) при выполнении сварочных работ, поэтому его доля была уменьшена до 0,1%.

Сера и фосфор, выступающие в роли примесей, способствуют снижению ударной вязкости конструкционных сталей, что требует ограничения их содержания: серы ≥ 0,003%, фосфора ≥ 0,010%. При этом необходимо отметить, что к категории сталей, обладающих повышенной степенью обрабатываемости (иногда они называются автоматными) относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, со спецлегированием селеном, теллуром или свинцом.

Всего для анализа были выбраны три химсостава, содержащие равное количество никеля, углерода, кремния, марганца и элементов примесей. Составы предлагаемых сталей имели отличия в сравнении со сталью марки 0Н9 и зарубежных аналогов только добавками микролегирующих элементов: Ti, Nb + Mo и Ti + Mo.

Наличие молибдена у сталей, содержащих 9% никеля, уменьшает возможность возвратной отпускной хрупкости, что повышает хладостойкость. Благодаря ограничению возрастания аустенитного зерна при нагревании и прокатывании ниобием и титаном, обеспечивается образование мартенситных пакетов и повышается стойкость стали к холоду. Определено, что при отпуске стали дисперсионное твердение при выделении карбонитридов повышает прочностные качества нового металла. Ниобий и титан признаны перспективными при внедрении современных методов технологии контролируемого прокатывания с дальнейшей прямой закалкой никелевых сталей вместо обычного способа термоулучшения. В процессе исследований рассматривалось влияние на показатели проектируемой стали режимов термообработки.

Влияние режимов термообработки

При производстве сталей с 9% Ni обычно используется два режима термообработки. При выполнении нормализации первый этап осуществляется при температурном режиме примерно 900 0 С для выравнивания наличия никеля в аустените. Второй этап нормализации, осуществляемый при 800 0 С, предназначен для дробления аустенитного зерна. Для таких сталей, благодаря высокому содержанию никеля, ферритное преобразование происходит примерно при 500 0 С, что дает возможность γ→α изменение выполнять при воздушном охлаждении, используя мартенситный или бейнитный способ. После термообработки в стали образуются микроструктуры мартенситного или бейнитного вида. Высокий отпуск превращает микроструктуру в интервале 550. 600 0 С (несколько выше Ас1) в дисперсный сорбит, имеющий определенную долю стойкого остаточного аустенита.

Читайте также: