Стали, работающие при низких температурах

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Ижевский  государственный технический университет 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат

По дисциплине «КиЗОМ»

На тему «Стали, работающие при низких температурах» 
 
 
 
 

Выполнил студент  группы  8-47- 2З                         Муллагалиев А.М.

Проверил преподаватель                                          Мазец В.К. 
 
 
 
 
 

Ижевск 2011

Содержание 
 

1. Введение                                                                                                       3
2. Влияние технологических факторов.                                                         6
3. Влияние металлургических факторов.                                                       7
4. Термическая обработка                                                                              12
5. Неметаллические включения                                                                    14
6. Хладностойкие стали                                                                                  15
7. Заключение                                                                                                  18
8. Литература                                                                                                   19

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

    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. 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.

    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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    2. 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. 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 ? и ? 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.

    Влияние хрома.

Влияние хрома на хладностойкость, по одним данным, слабо отрицательное, по другим – нейтральное. Для работы при низких температурах более широкое распространение получили низкоуглеродистые стали, легированные хромом совместно с другими элементами – хромомарганцекремнистые, хромоникелевые, хромомолибденовые.

    Влияние никеля.

Никель  один из элементов, в наибольшей степени  повышающий хладностойкость стали. Переход в хрупкое состояние в никелевых сталях протекает более медленно и постепенно в широком температурном диапазоне.

Если  благотворительное влияние марганца на хладностойкость оценивать условным коэффициентом 2, молибдена 3 – 5,то влияние никеля оценивается коэффициентом 10. При этом марганец оказывает положительное влияние только при определенных содержаниях, молибден – при низких, никель – пропорционально его содержанию в стали. Никель и железо обладают полной взаимной растворимостью и имеют почти одинаковое кристаллическое строение решеток. Никель не образует карбидов и находится в стали в твердом растворе в феррите или аустените.

    С повышением содержания углерода хладноломкость никелевых сталей заметно повышается, что можно частично компенсировать повышением содержания никеля.

    Никелевые низкоуглеродистые стали получили широкое распространение в США и Японии, Франции, Италии для конструкций и сооружений, работающих при низких температурах.

    Исследования показали, что стали, содержащие 9% Ni, деформированные и литые при температурах -200 град. С, имеют благоприятное сочетание прочности и ударной вязкости, высокое качество сварных швов и являются наиболее подходящим материалом для изготовления емкостей, предназначенных для хранения и транспортировки таких жидких газов, как азот, кислород, метан, ацетилен.

    Положительное влияние никеля на хладностойкость проявляется и для большинства многокомпонентных сталей. Хромоникелевые, хромоникелемолибденовые и хромоникелемарганцевые стали отличаются относительно высоким уровнем ударной вязкости при низких температурах.

Но применение дорогого никеля часто является нецелесообразным, если сталь работает при температуре  до -60.

    Влияние молибдена и вольфрама.

Молибден  – активный карбидообразующий элемент. Он способствует сфероидизации карбидов, измельчает зерно, снижает критическую скорость закалки и существенно увеличивает прокаливаемость стали. По положительному влиянию на хладностойкость он уступает только никелю.