Коррозия и коррозионностойкие материалы. Общие сведения

 

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 при  температурах до –60 °С, т. е. до низких климатических температур, 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, Сu, не обнаруживающих склонности к хрупкому разрушению. Для ненагруженных конструкций с целью экономии Ni применяют Сr – Мn и Cr – N – Mn стали типа 10Х14Г14Н4Т (ЭИ711), 03Х13АГ19 (ЧС36), 07Х21Г7АН5(ЭП222).

 

4. К четвертой группе  относятся сплавы, работающие при температуре ниже 77 К. К этой группе принадлежат материалы, используемые в космической технике, производстве и потреблении водорода, экспериментальной физике. Для работы при таких температурах пригодны лишь высоколегированные коррозионностойкие стали типа 03Х20Н16АГ6, 10Х11Н23ТЗМР (ЭПЗЗ), некоторые бронзы, никелевые, алюминиевые сплавы, легированные магнием, и сплавы титана.

Хладостойкие стали. Хладостойкость сталей климатического холода

 

Механические свойства и  хладноломкость стали определяются прежде всего тремя механизмами упрочнения:

 

1) измельчением зерна;

 

2) упрочнением феррита  атомами легирующих элементов  и примесей, образующими твердые  растворы внедрения и замещения;

 

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  oв = 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/см2.

 

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 o0,2 > 700 МПа и oв > 900 МПа ее b5 = 20,5 %. При –60°С ударная вязкость KCU = 104 Дж/см2, 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.

 

Трубы фирмы «Италсидер» такого состава со структурой игольчатого феррита при толщине стенки 20 мм имеют порог хладноломкости Т50 = –50°С при oв = 650 МПа и o0,2 = 540 МПа.

 

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 o0,2 при различных видах разрушения: хрупком, квазихрупком и вязком (рисунок 7.2).

 

Рисунок 7.2 – Зависимость  параметра трещиноустойчивости Кс от предела текучести o0,2 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.