Раздел VII. Хладостойкие металлы и сплавы

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 хлад-

ноломкости металлов, необходимость изучения ее природы и вы­работки мероприятий по ее устранению.

После введения в инженерную практику такого производи­тельного технологического процесса, как сварка, возросло число крупных аварий 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 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 в Сибири в зимние месяцы возрастает в 5-7 раз. При этом особен­но опасен период пуска машин в работу после остановки.

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

Стимулом для развития криогенной техники явилось осуще­ствление космических и ядерных программ. Криогеника 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.

Особенностью низкотемпературной службы является ужесто­чение требований к материалу по пластичности и вязкости. Обычно минимальная рабочая температура определяется температурой вяз­кохрупкого перехода, при которой вязкость падает до неприемлемо малых значений. Сложность количественной оценки влияния раз­личных конструкторско-технологических факторов, размеров дета­лей, уровня остаточных напряжений, вида напряженного состояния и условий нагружения на надежность машин и конструкций за­трудняет 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 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, Мо. 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 AI, Ti, Си, не обнаружи­вающих склонности к хрупкому разрушению. Для ненагружен- ных конструкций с целью экономии Ni применяют Сг-Мп 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 коррозионно- стойкие стали типа 03Х20Н16АГ6, 10X11H23T3MP (ЭПЗЗ), неко­торые бронзы, никелевые, алюминиевые сплавы, легированные магнием, и сплавы титана.