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 г. ц. кубической – только между зернами.
С увеличением общего периметра границ зерен межзеренное вещество распределяется в форме более тонких прерывистых пленок, что увеличивает межкристаллические связи и затрудняет распространение микротрещин за счет увеличения путей сдвига. Границы зерен характеризуются значительными нарушениями кристаллической решетки, вредное влияние которых существенно ослабляется с повышением гранулярности структуры, за счет дробления путей сдвига, уменьшения длины микротрещин и соответствующего увеличения интервала пластического состояния. Таким образом, прочность металлов и их сопротивляемость хрупкому разрушению в значительной степени обуславливаются состоянием границ зерен. Еще больше влияют на величину хрупкой прочности неметаллические включения, располагающиеся как по границам зерен, так и внутри них.
Но при этом включения рассматриваются как концентраторы напряжений, а границы включения – металл – как пути, по которым распространяются трещины разрушения. Но влияние природы и формы включений на хладноломкость изучено не в полной мере.
Большое влияние на хладностойкость оказывают микродефекты структуры металлов, являющиеся своеобразными концентраторами напряжений. Особенно опасны дефекты типа усадочных раковин, микропористости и газовых пузырей, нарушающие однородность и сплошность структуры. Поэтому плотность металла является объективным показателем для оценки его хладноломкости.
Несмотря на достижения в развитии теоретических представлений о природе хладноломкости металлов, общей теории, объясняющей все многообразие этого явления, до сих пор не предложено. Теоретические представления основаны на опытных данных многочисленных исследований, рассматривающих влияние отдельных параметров состояния и свойств металла на критическую температуру его перехода в хрупкое состояние. Важным является признание необходимости повышения уровня хрупкой прочности металлов как основного фактора, определяющего хладноломкость.
Критерии оценки хладноломкости.
В качестве независимой переменной при определении металла к хрупкости выбирают температуру, определяющую критический интервал хрупкости. Известный метод испытания ударной вязкости является весьма чувствительным и удобным способом оценки степени хладноломкости стали.
Надежность и долговечность изделия в значительной степени определяется его склонностью к хрупкому разрушению, которому способствуют не только низкие температуры, но и такие параметры, как усиление концентрации напряжения, увеличение скорости деформации и другие. Опыт показывает, что сталь с более низкой температурой хрупкости лучше сопротивляется высоким напряжениям и увеличенным скоростям нагружения и дольше сохраняет свою пластичность. Следовательно, метод испытания ударной вязкости, выявляющий критический интервал хрупкости, носит универсальный характер и характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.
Для оценки хладноломкости стали также используют фрактографический метод контроля, основанный на измерении доли волокнистого и кристаллического строения ударных образцов. В качестве критерия оценки хрупкости принимают выраженное в процентах соотношение площадей волокнистых и кристаллических участках излома. Обычно за критерий вязкости принимают Т критическое, при которой доля вязкого излома составляет 50% чем ниже Т кр. , тем выше надежность стали при низких температурах.
Влияние технологических факторов.
Опыт показывает, что детали, изготовленные из стали с более низкой температурой хрупкости, способны оставаться вязкими при более высоких скоростях напряжения и более острых в надрезах и выточках. В подобной стали распространение микротрещин существенно затрудняется.
На хладноломкость оказывает влияние комплекс физико-химических и физико-механических факторов. Основные из них следующие:
1. Качество стали, определяемое металлургическими особенностями производства.
2. Геометрия изделия.
3. Вид напряженного состояния, при котором изделие работает в практических условиях, характер нагружения, скорость нагружения и т.д.
Все указанные факторы влияют самостоятельно и независимо друг от друга и учесть долю влияния каждого весьма сложно. Для решения этих задач прибегают к натурным испытаниям изделий.
Влияние металлургических факторов.
1. Состав стали.
Механические свойства стали и уровень хладноломкости существенно зависят от ее состава. Особенно сильно охрупчивают сталь такие вредные примеси как сера, фосфор, кислород и цветные металлы, образующие соответствующие включения и засоряющие периметр зерен.
Влияние углерода.
С увеличением содержания углерода существенно повышается порог хладноломкости, что объясняется увеличением доли перлитной составляющей в структуре стали, цементитные включения которой препятствуют пластическому течению металла и при низких температурах являются концентраторами напряжений и местами зарождения трещин. Отдельные легирующие элементы ослабляют вредное влияние углерода (никель, молибден, марганец), другие увеличивают (хром, ванадий, титан).
Повышение дисперсности структуры за счет нормализации и закалки с последующим высоким отпуском разрушает блочные образования перлита и смещает интервал хрупкости в сторону низких температур. При этом наиболее благоприятной является сфероидальная форма карбидов.
Влияние марганца.
Марганец, обладая полной растворимостью в α и γ железе, образует с углеродом карбид марганца и является относительно слабым карбидообразующим элементом. Основная доля марганца находится в твердом растворе и существенно упрочняет феррит, что позволяет получать низкоуглеродистые сплавы с относительно высокой прочностью и вязкостью. На прокаливаемость марганец оказывает большее влияние, чем хром, никель, медь, кремний, что существенно уменьшает критическую скорость закалки.
Влияние кремния.
При введении кремния в кипящие стали существенно снижается порог хладноломкости, что связано с раскислением стали и снижением в ней содержания кислорода. Действие кремния как легирующего элемента на хладноломкость различно для разных марок стали.
Кремний не образует карбидов, полностью растворяется в феррите, существенно увеличивая его прочность. При этом до содержания 1,0% Si сохраняется пластичность феррита; с дальнейшим увеличением содержания кремния пластичность феррита снижается. Имеющиеся сведения о влиянии кремния на хладноломкость противоречивы, но большая часть исследователей считает его влияние отрицательным. Установлено, что в низкоуглеродистых сталях с увеличением содержания кремния соответственно повышается критическая температура хрупкости. Однако в сочетании с другими легирующими элементами влияние кремния на хладноломкость менее определенно. Опыт показывает, что рациональное сочетание кремния с марганцем или кремния с марганцем и хромом позволяет получить стали с повышенной прочностью и достаточно высокой хладностойкостью. Так например, в качестве хладостойких сталей в промышленности получили применение такие стали как 15ГС (0,12 – 0,18% С; 0,7 – 1,0% Si; 1,0 – 1,4% Mn); 17ГС (0,14– 0,20С; 0,4– 0,6 Si; 1,0 – 1,4% Mn); 14ХГС (0,11– 0,17С; 0,4– 0,7 Si; 0,9 – 1,3% Mn; 0,5 – 0,8% Cr) и др.