Общие сведения. Явление хладноломкости, Т. Е

Явление хладноломкости, т.е. хрупкого разрушения, связанного с действием низких температур, впервые стало предметом широкого обсуждения в связи с бурным строительством железных дорог в конце XIX века.

После замены пудлингового способа производства на бессемеровский и мартеновский было отмечено, что рельсы, изготовленные из литого металла, внезапно разрушались при понижении температуры. Уже тогда была признана актуальной проблема хладноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и выработки мероприятий по ее устранению.

После введения в инженерную практику такого производительного технологического процесса, как сварка, участились крупные аварии сварных железнодорожных мостов, морских судов, резервуаров для хранения нефти, магистральных газопроводов. При этом аварии чаще проходили в высоких широтах в зимнее время года при совместном действии низкой температуры и ветра. Анализ разрушений показал, что почти в половине случаев разрушение начиналось в дефектных местах сварных швов. Особую актуальность проблема хладноломкости приобрела в связи с освоением арктических и антарктических районов.

Эффективность работы оборудования и транспорта в зимнее время в этих районах резко падает. Анализ работы автохозяйств арктической зоны показал, что в зимнее время срок службы автомобилей обычного типа по сравнению с зоной умеренного климата сокращается в два раза, а аварии и поломки, связанные с климатическими условиями, выводят из строя до 25 % парка машин. Число поломок горных экскаваторов и бульдозеров в Сибири в зимние месяцы возрастает в 2,7–7 раз. При этом особенно опасным является период пуска машин в работу после остановки.

При понижении температуры наблюдаются аварии газо- и трубопроводов, мостов, резервуаров, нефтехранилищ. В период зимнего отстоя судов наблюдается возникновение трещин по бортам и днищу, а также случаи полного разрушения судов. Зародыши трещин, как правило, располагаются в разупрочненных местах термического влияния сварки и зонах концентрации напряжений.

Для последних лет характерно бурное развитие холодильного машиностроения, производства кондиционеров и криогенной техники.

Стимулом для развития криогенной техники явилось осуществление космических и ядерных программ. Криотехника имеет огромные перспективы в различных хозяйственных и научных отраслях. Важнейшим фактором дальнейшего развития техники низких температур является создание материалов, пригодных для работы в этих условиях.

Конструирование и выпуск хладостойкой и криогенной техники должны быть основаны на глубоком знании поведения материалов при низких температурах, надежных методах оценки работоспособности и долговечности материалов, научно обоснованных рекомендациях по выбору материалов.

Под хладостойкостью материала понимают способность его сопротивляться деформации и разрушению при понижении температуры.

Особенностью низкотемпературной службы является ужесточение требований к материалу по пластичности и вязкости. Определенную сложность представляет выбор необходимого уровня пластических и вязких свойств. Обычно минимальная рабочая температура определяется температурой вязко-хрупкого перехода, при которой вязкость падает до неприемлемо малых значений.

Эту характеристику можно оценивать, в частности, задавая требуемый уровень ударной вязкости или долю вязкой составляющей в изломе и определяя соответствующие критические температуры, например температуры, соответствующие KCV = 20 и KCU = 30 Дж/см² или F _в = 50 %.

Однако вид излома в некоторых случаях не дает объективной оценки критической температуры хрупкости. При испытании аустенитных сталей излом сохраняет вязкий характер во всем температурном диапазоне. Объективная оценка вида изломов высокопрочных сталей типа 20ХГНР также затруднена, так как излом, как правило, имеет однородный матовый или бархатистый характер.

Проведение испытаний на динамический изгиб образцов с концентратором напряжений позволяет дополнительно учесть влияние скорости нагружения и получить при этом более высокие критические температуры большинства сталей.

Использование вместо образцов типа Менаже (R = 1 мм) образцов с более острым надрезом типа Шарпи (R = 0,25 мм) или с инициированной усталостной трещиной позволяет более надежно выявить критическую температуру хрупкости.

Сложность количественной оценки влияния различных конструкторско-технологических факторов, размеров деталей, уровня остаточных напряжений, вида напряженного состояния и условий нагружения на надежность машин и конструкций затрудняют создание нормативных рекомендаций по применению материалов для работы в конкретных условиях.

По хладостойкости металлические материалы, используемые при низких температурах, условно могут быть разбиты на четыре основные группы:

1. Металлы и сплавы, характеристики механических свойств которых позволяют использовать их до –60 °С. Они являются основными конструкционными материалами холодильного машиностроения. Их используют также для изготовления изделий так называемого северного исполнения. К этой группе относятся качественные углеродистые и низколегированные стали ферритного и перлитного классов с ОЦК решеткой.

2. Ко второй группе относятся сплавы, сохраняющие вязкость и пластичность при охлаждении до 170 К. Это стали с 0,2–0,3 % С, дополнительно легированные Ni, Cr, Ti, Mo. К этой группе относятся, например, низкоуглеродистые ферритные стали с 2–5% Ni, используемые при температурах 210–150 К.

3. К третьей группе относятся сплавы, способные без ухудшения свойств выдерживать температуры до 77 К (температура кипения жидкого азота). Сюда относятся стали типа 12Х18Н10Т, 0Н9А, большинство сплавов на основе Al, Ti, Cu, не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению. Для ненагруженных конструкций с целью экономии Ni применяют Cr—Mn и Cr—Ni—Mn стали типа 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ЧС36), 07Х21Г7АН5 (ЭП222).

4. К четвертой группе относятся сплавы, используемые для работы при температуре ниже 77 К. К этой группе принадлежат материал, используемые в космической технике, производстве и потреблении водорода, экспериментальной физике. Для работы при таких температурах пригодны лишь высоколегированные коррозионностойкие стали типа 10Х11Н23Т3МР (ЭП33), 03Х20Н16АГ6, некоторые бронзы, никелевые, алюминиевые сплавы, легированные Mg, и сплавы титана.